DIRECCION GENERAL DE AERONAUTICA CIVILESCUELA TECNICA AERONAUTICA

ASIGNATURA“INSTRUMENTOS METEOROLOGICOS”

TEMARIO: TERMOMETRIA Y MANTENIMIENTO.

• CLASIFICACION DE LAS ESTACIONES METEOROLOGICAS.• GENERALIDADES Y PROPIEDADES DE LOS INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS.• INSTRUMENTOS DE LECTURA DIRECTA Y REGISTRADORES• EL COBERTIZO METEOROLOGICO• TERMOMETROS DE EXTREMAS• PSICRÓMETROS• HIGROTERMOGRAFO

Clasificación de las Estaciones Meteorológicas

Estaciones sinópticas: son aquellas en las cuales se obtienen datos meteorológicos que permiten conocer, en una amplia región, el estado de la atmósfera en un momento determinado y hacer pronósticos sobre su evolución y comportamiento.

Estaciones climatológicas: en éstas se obtienen datos meteorológicos con una consistencia, homogeneidad y duración tales, que permiten describir el clima de una región o explicarlo.

Estaciones agrícolas: son estaciones que proporcionan datos meteorológicos, biológicos y fenológicos útiles en la determinación de los efectos del tiempo y el clima en el proceso evolutivo de las plantas y los animales, con el objeto de estudiar las mejores condiciones para su adaptación y óptima producción.

Estaciones para fines especiales: son estaciones establecidas con carácter temporal o permanente para la observación de uno o varios elementos o determinados fenómenos.

Estaciones aeronáuticas: están destinadas a efectuar observaciones y dar información sobre el estado del tiempo, su comportamiento y evolución para servicio de la navegación aérea.

Satélites meteorológicos: son plataformas colocadas en órbita terrestre, desde las cuales se toman fotografías a gran escala de la atmósfera y la superficie terrestre. Están también equipadas para efectuar observaciones meteorológicas y transmitirlas, al igual que las fotografías, a las estaciones rastreadoras colocadas en la Tierra.

Criterios técnicos para la instalación de una estación meteorológica

Representatividad: el lugar donde se ubicará la estación debe tener características muy similares al paisaje natural de la región.

Emplazamiento despejado: El terreno donde se instalará la estación deberá estar libre de obstáculos naturales o artificiales (árboles, edificios, etc.), ya que estos obstáculos obstruyen el libre trayecto de los parámetros que se han de observar o registrar.

Terreno nivelado: el terreno seleccionado para la estación no deberá presentar depresiones, ya que esto ocasionaría problemas en la época lluviosa, como inundación, y en el acceso a la toma de las observaciones, por lo cual el terreno deberá estar nivelado.

Cercanía al observador: tiene mucha importancia el hecho de que el observador viva cerca de la estación, por la constante vigilancia que se debe tener sobre el instrumental, así como para evitar la dificultad de trasladarse a la estación y, además, que aquel, por dificultad o pereza no efectúe las observaciones. Es muy importante disponer de un observador con deseos de efectuar el trabajo.

Fácil acceso: es de primordial importancia ubicar las estaciones en los sitios más apropiados con un fácil acceso, tanto para las instalaciones en sí de la estación como para el traslado del observador. La selección del lugar está condicionada a la consideración de los factores anteriores.

ESTACION METEOROLOGICA SINOPTICA AERONAUTICA

ELEMENTO SENSIBLEELEMENTO SENSIBLEELEMENTO SENSIBLEELEMENTO SENSIBLE

ELEMENTO TRANSMISOR-ELEMENTO TRANSMISOR-

AMPLIFICADORAMPLIFICADOR--INSCRIPTORINSCRIPTOR

ELEMENTO TRANSMISOR-ELEMENTO TRANSMISOR-

AMPLIFICADORAMPLIFICADOR--INSCRIPTORINSCRIPTORELEMENTOELEMENTO

REGISTRADORREGISTRADOR

ELEMENTOELEMENTOREGISTRADORREGISTRADOR

Elemento sensible: el cual va a estar presentando un cambio en sus características físicas o en su forma, de acuerdo a las manifestaciones del elemento meteorológico.

Elemento transmisor-amplificador-inscriptor: el cambio o variación en el elemento sensible es transmitido y amplificado por medio de un artificio mecánico (eléctrico o de cualquier otra naturaleza) en cuyo extremo se encuentra una plumilla inscriptora la cual reduce la manifestación en el elemento sensible a una sucesión de puntos.

Elemento registrador: es la representación gráfica del parámetro meteorológico, la cual es perceptible para el observador.

Estructura de un instrumento meteorológico.

Todo instrumento meteorológico puede ser divido en tres partes principales:

De acuerdo con el modo de realizar la lectura, los instrumentos meteorológicos se pueden dividir en dos categorías fundamentales:

1.- Instrumentos de lectura directa.2.- Instrumentos registradores.

Los primeros son más precisos, pero cada medición necesita de una lectura.

Los segundos se refieren a instrumentos en los cuales el movimiento de las partes móviles se amplíficapor palancas u otro artificio, que actúan sobre una plumilla que inscribe sobre un diagrama de papel enrollado alrededor de un tambor movido por un mecanismo de relojería. Estos diagramas están graduados para poder determinar la hora exacta de cada punto de la curva registrada

EJEMPLO: INSTRUMENTOS DE LECTURA DIRECTA

INSTRUMENTOS REGISTRADORES

Requisitos del instrumental meteorológico.

Exactitud: su respuesta es compatible con la escala de su patrón de calibración y la respuesta es reproducible.

Sensibilidad: debe ser capaz de captar las variaciones mínimas del fenómeno meteorológico en el espacio y tiempo acordes con la precisión que se requiere.

Solidez: La solidez de construcción debe ser tal que permita resistir los embates de la manipulación, transporte e intemperie.

Simplicidad: La simplicidad en el diseño debe manifestarse tanto en la operatividad como en el mantenimiento del instrumental.

Linealidad: su salida es una función lineal de su entrada.

Especificidad de respuesta: ser insensible a todas las variables meteorológicas, excepto aquella para la cual fue concebido.

COBERTIZO METEOROLÓGICO

Funciones:

1. Asegurar iguales condiciones meteorológicas que las del aire exterior para la medición de la temperatura y humedad del aire

2. Proteger el instrumental meteorológico que se encuentra en su interior de la radiación solar, lluvia, viento, etc

Unidades de medida del instrumental meteorológico

Una estación meteorológica (convencional o automática) debe utilizar para la presentación de la información, unidades de medida que sean fácilmente manejables y entendibles para el usuario, quién trabajará con los datos obtenidos. En el Cuadro N°1 se encuentran las unidades recomendadas por la O.M.M. para estaciones con fines especiales

Parámetro meteorológico Unidad de medida Abreviatura

Temperatura (aire y suelo) grados Celsius °C

Velocidad del viento metros por segundo m/s.

Dirección del viento en grados (0...360) °

Humedad relativa porcentaje %.

Precipitación en milímetros mm.

Evaporación en milímetros mm.

Irradiancia watt por metro cuadrado W/m2

Duración de la insolación en horas Hrs.

Cuadro 1. Unidades de medida del instrumental meteorológico

La observación meteorológica

Consiste en la medición y determinación de todos los elementos que en conjunto caracterizan el estado atmosféricos en un momento dado y en un lugar determinado, utilizando instrumental adecuado y complementado por la observación de los sentidos, principalmente la vista. Estas observaciones se realizan con métodos en forma sistemática, uniforme, ininterrumpida y a las horas establecidas.

Las observaciones deben hacerse invariablemente en las horas indicadas y su ejecución en el menor tiempo posible. Estas dos condiciones son muy importantes y es preciso que las cumpla el observador, pues de ello depende la exactitud y veracidad de los datos y permite que estos puedan ser comparables en otros lugares.

Escalas de temperatura

Las escalas prácticas de temperatura se basan en dos puntos fijos que corresponden a temperaturas corrientes que se pueden reproducir fácilmente. Los dos puntos fijos reconocidos internacionalmente son el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua, con una presión externa de 1 atmósfera y a 45° de latitud.Entre las escalas más comúnmente utilizadas por los termómetros se encuentran la escala Centígrada o Celsius y la de Fahrenheit.

Escala Celsius (°C)Es la más común usada en un gran número de países, la cual se asigna el valor de 0° al punto de fusión del hielo y 100° al punto de ebullición del agua.

Escala Fahrenheit (°F)Es usada en los paísen anglosajones, la cual da el valor de 32° al punto de fusión del hielo; 100° a la temperatura del cuerpo humano (equivale a 36° aproximadamente) y 212° al punto de ebullición del agua.

AcondicionamientoLas paredes están provistas de celosías, a manera de persianas que permiten la libre circulación del aire a través de ellas. Para evitar lo más posible la transmisión del calor desde afuera hacia el interior, el cobertizo meteorológico posee doble techo formado por dos superficies que dejan entre sí un espacio por donde puede circular el aire. De esta manera, la tapa superior puede enfriarse con el aire circulante sin transmitir su calor a la tapa inferior. Con el mismo fin, el fondo de la caseta está formado por tablillas traslapadas o un doble piso con agujeros desalineados, impidiendo la transmisión del calor y la luz que se refleja del suelo hacia su interior.

Material Este generalmente consiste en madera u otro material aislante y ligero (fibra de vidrio) y se pinta blanco a fin de obtener lo menos posible las radiaciones solares.

OrientaciónLas puertas de la caseta deben abrirse hacia el Sur, para evitar que los rayos solares penetren al interior de ésta.

Instrumentos en su interiorEl cobertizo se compone habitualmente de:un psicrómetro ventilado artificialmente (August), un higrotermógrafo y de los termómetros de extremas.

Mantenimiento en terreno• Revisión de filtraciones y/o

goteras;• Verificación de orientación

y nivelación;• Revisión del estado de

celosías y base;• Pintado con esmalte

blanco brillante.

TERMÓMETRO DE MÁXIMA

Empleo Se emplea para conocer la temperatura más alta de cada día. Es un termómetro de mercurio con un marcado estrechamiento en el tubo capilar cerca del bulbo. NormalizaciónEl termómetro se pone otra vez en condiciones de trabajar sacudiéndolo energicamente para que el mercurio regrese al bulbo.Instalación Este termómetro va instalado dentro del cobertizo meteorológico, con una inclinación de 5°.

Funcionamiento:Cuando la temperatura aumenta, el mercurio del bulbo se dilata con fuerza y puede pasar el estrechamiento; al disminuir aquella, el mercurio se contrae y en la parte estrecha la columna de mercurio se corta. Al no existir ninguna fuerza que obligue al mercurio a volver al bulbo, la columna permanece en el tubo capilar marcando la más alta temperatura que alcanzó cada día, después de obtener la temperatura máxima,

TERMÓMETRO DE MÍNIMA

Empleo Se emplea para conocer la temperatura más baja de cada día. Normalización Es muy simple basta con inclinar el termómetro en 90° hasta que el índice de marfil alcance el menisco de alcohol Instalación También este termómetro va dentro del cobertizo meteorológico, sin inclinación.

Funcionamiento Es un termómetro de alcohol con un capilar ancho, por donde pasa un índice de esmalte. Este termómetro se coloca en posición horizontal; así, cuando la temperatura disminuye, el índice es arrastrado por el menisco que se forma en la extremidad de la columna del alcohol quedando el índice marcando la temperatura más baja; si la temperatura aumenta el alcohol pasa entre las paredes del tubo sin desplazar al índice. La lectura se hace en el extremo del índice, más alejado del bulbo;

Mantenimiento de los termómetros de extremas

El mantenimiento de los termómetros, por lo general, se limita a la limpieza de su escala, reparación de su columna y la verificación de su buen funcionamiento, debido a su construcción, éstos no permiten un mayor desarme.

Para la reparación de la columna termométrica, se procede de la siguiente manera: una columna de líquido puede unirse de nuevo sujetando el termómetro por el extremo del depósito y golpeándolo ligeramente pero con rapidez contra los dedos o cualquier otro material elástico y no demasiado duro. Estos "golpecitos" deben continuar durante algún tiempo (cinco minutos o más si es necesario) y después el termómetro puede ser colgado o mantenido vertical en un recipiente adecuado, con el depósito hacia abajo durante al menos una hora para que el alcohol adherido al vidrio descienda hasta unirse con la columna principal. Si este tratamiento no da resultado, se puede utilizar un método más enérgico que consiste en enfriar el depósito del termómetro en una mezcla de hielo y sal, manteniendo caliente al mismo tiempo la parte superior del tubo; el líquido destilará lentamente hacia la columna principal.

También puede sujetarse el termómetro en posición vertical con el depósito dentro de un recipiente de agua caliente, mientras que se sacude o golpea el tubo de vez en cuando. El termómetro debe sacarse del agua tan pronto como la parte alta de la columna de alcohol alcance la cámara de seguridad situada en el extremo del tubo. Se debe tener cuidado cuando se utilice este método, ya que existe el riesgo de hacer explotar el termómetro si el alcohol se dilata dentro de la cámara de seguridad.

Instrumento utilizado

Lectura Elemento sensible

Elemento amplificador transmisor

Elemento registrador

Rango de temperatura °C

Exactitud Velocidad de respuesta

Líquido en vidrio: MínimaMáximaNormalGeoterm.

DirectaDirectaDirectaDirecta

AlcoholMercurioMercurioMercurio

Tubo capilarTubo capilarTubo capilarTubo capilar

EscalaEscalaEscalaEscala

-40 a 50-30 a 40-30 a 40-30 a 50

Mediana a alta

MedianaMedianaMedianaMediana

Cuadro 3. Comparación de los diversos tipos de termómetros

DefiniciónEl principal objetivo de los instrumentos medidores es la medición de la humedad de la atmósfera (que puede ser expresada de acuerdo a la fórmula 1), que es el vapor de agua, que en un porcentaje muy variable, según el espacio y el tiempo, está presente en la tropósfera, se tiene que :

Aire húmedo = aire seco + vapor de agua ......................................(1)

Unidades de medida de la humedad del aire

Normalmente se deben utilizar las siguientes unidades para expresar las distintas magnitudes asociadas con el vapor de agua de la atmósfera.•Presión de vapor en hectopascales.•Concentración de vapor en Kg/m³•Contenido de humedad como relación en peso•Razón de mezcla como relación en peso•Humedad relativa en tanto por ciento.Existen, básicamente, dos formas para la medición y registro de la humedad atmosférica, estas son mediante el psicrómetro y el higrótermógrafo, respectivamente.

PSICRÓMETROSPsicrómetros ventilados artificialmente:• psicrómetros estacionarios August. • psicrómetros portátiles tipo Assmann• psicrómetro de onda.

Psicrómetros sin ventilación artificial:

•psicrómetro de mecha

Principio de funcionamiento (Psicrómetro August)

El psicrómetro se basa en el principio de que la evaporación del agua depende de la humedad ambiental del aire, llegando a ser nula cuando el aire se halla saturado.

Este instrumento consta de dos termómetros comunes de mercurio, uno seco y el otro tiene su bulbo envuelto por su una fina tela de algodón, empapada de agua destilada; este termómetro será más o menos enfriado por la evaporación e indicará una temperatura inferior al termómetro seco.

Así, la diferencia de temperatura entre los dos termómetros depende en definitiva de la humedad atmosférica, y el valor de la misma se lee directamente conociendo la diferencia psicrométrica en tablas previstas para tal efecto.

Método de medición en psicrómetros ventilados artificialmente Para los psicrómetros del tipo August o Assman es preferible utilizar el siguiente

procedimiento de observación: • Humedecer el termómetro húmedo• Dar cuerda al aspirador (toda)• Esperar dos o tres minutos hasta que la lectura del termómetro húmedo

permanezca estable• Leer el termómetro seco• Leer el termómetro húmedo• Calcular la diferencia entre ambas lecturas y;• Obtener la humedad relativa del aire interpolando en la Tabla respectiva.

Precauciones: Cerrar las puertas del cobertizo una vez que se ha dado la cuerda al aspirador.Realizar rápidamente las lecturas de temperatura con el propósito de no alterar las

mediciones.

Causas de fallas frecuentes en los psicrómetros

a) Errores instrumentales de los termómetros

Al efectuar medidas psicrométricas, es muy importante conocer en toda la gama real de temperatura los errores del índice de los termómetros y aplicar a las lecturas las correcciones de estos errores antes de utilizar las tablas de humedad. Un error de una o dos décimas de grado causará grandes errores de humedad a bajas temperaturas.

b) Errores relacionados con la ventilación.Los errores debidos a una ventilación insuficiente pueden ser mucho más graves si se utilizan tablas de humedad inadecuadas.. En los psicrómetros Assmann y August, la ventilación debe comprobarse periódicamente, al menos una vez al mes. Se deben adoptar precauciones especiales para asegurarse que los termómetros del psicrómetro de honda reciban la ventilación debida, de conformidad con las tablas que se utilicen.

c) Errores debidos a las impurezas del aguaDado que una espesa capa de hielo sobre el depósito del termómetro aumentará la inercia de dicho termómetro, este hielo debe eliminarse inmediatamente sumergiendo el depósito del termómetro en agua destilada. El termómetro húmedo y su muselina deben lavarse a intervalos regulares en agua destilada para eliminar las impurezas solubles, siendo necesario aplicar este procedimiento con mayor frecuencia en ciertas regiones como, por ejemplo, las próximas al mar.

El higrotermógrafo es un instrumento compuesto que permite registrar simultáneamente la humedad relativa del aire y la temperatura ambiente, se analizará con mayor énfasis la parte humedad (higrógrafo) ya que es la que presenta más complejidad con respecto a la parte de temperatura (termógrafo).

Fig. 7. Higrotermógrafo R.Fuess.

Funcionamiento del higrotermógrafo

En el higrotermógrafo, la humedad se mide por el alargamiento de un cuerpo higroscópico siendo éste el cabello humano, en el cual las células están juntas al estar el aire seco, pero cuando el aire está humedecido, los espacios intercelulares y las células mismas absorben vapor de agua y el cabello aumentará en longitud y diámetro (Fig.8).

Fig.8.- Alargamiento del haz de cabellos

En el sistema de temperatura están en uso todavía los sensores bimetálicos (Fig.9.), que son dos láminas metálicas distintas adheridas entre sí, con diferente coeficiente térmico. Al aumentar o disminuir la temperatura provocan un movimiento, que es transmitido y amplificado por el sistema de palancas del instrumento. Son relativamente económicos, seguros y portátiles. Ambos movimientos (bimetálico y haz de cabellos) son transmitidos y amplificados por un sistema de palancas y, posteriormente, a través del brazo inscriptor son convertidos en una curva gráfica, la que es registrada en el diagrama.

Fig. 9.- Elemento bimetálico

Causas de fallas en los higrógrafos

a) Cambios del cero de su escala.. Quizás la causa más común es que de alguna manera se aplica una tensión excesiva a los cabellos

El cero puede también cambiar si el higrógrafo se mantiene largo tiempo en aire seco. Este error puede remediarse manteniendo el instrumento durante algún tiempo en aire saturado.

b) Errores debido al polvo sobre los cabellosLa mayoría de los distintos tipos de polvo que se depositen causarán errores apreciables en los observaciones (algunos veces de hasta el 15% de HR). En la mayoría de los casos, se pueden eliminar o reducir los errores limpiando y lavando los cabellos, aunque el polvo también puede destruir los cabellos.

Se debe instar a los observadores a que limpien los cabellos a intervalos periódicos y frecuentes.

Mantenimiento preventivo en terreno

1. El cabello del instrumento debe lavarse a intervalos frecuentes con agua destilada, utilizando un cepillo suave (pincel) para eliminar el polvo acumulado.

2. Cuando se está limpiando el instrumento, los cabellos no deben tocarse jamás con los dedos.

3. No es recomendable desarmar demasiado el sistema de transmisión del higrotermógrafo al realizar limpieza del instrumento, ya que esto puede derivar en una descalibración del instrumento.

4. Un haz de cabellos ya seco puede ser reactivado mojando los cabellos con agua destilada (durante esta operación, la lectura debe indicar aproximadamente el 95% de HR) y dejarlo luego secar naturalmente.

Comparación con un instrumento subpatrón

La lectura de un higrotermógrafo tiene que verificarse frecuentemente por comparación con una serie de lecturas de un psicrómetro patrón de referencia.

Habitualmente resulta difícil realizar comparaciones satisfactorias al aire libre (dentro del cobertizo), de modo, que la verificación de un higrotermógrafo debe efectuarse preferentemente en una cámara climática o en una habitación donde exista una temperatura casi constante.

Si los sensores han de sustituirse, será necesario realizar ajustes en el instrumento y después llevar a cabo una recalibración completa.

Un buen higrógrafo en perfectas condiciones debe ser capaz de registrar humedad relativa a temperaturas moderadas con una precisión de ±3%. A bajas temperaturas, la precisión será menor.

El higrógrafo funciona bien con humedades relativas por encima del 45%; su exposición a humedades más bajas puede ser que haga derivar la calibración.

El error máximo de un termógrafo no debe exceder de 1º C.