Desarrollo de un sensor de granizo basado en técnicas acústicas.

Abstract

La falta de modelos predictivos de granizo es un problema en Uruguay y en el mundo. Para generarlos, necesitamos más información sobre el fenómeno. En este trabajo analizo aspectos clave para el diseño de un sensor de granizo, propongo un diseño, lo implemento, lo calibro y lo evalúo. Este trabajo comienza con un estudio bibliográfico sobre las características del granizo y los daños que genera. También explico las formas tradicionales de caracterizar granizo, las cuales se pueden dividir en dos grandes categorías : métodos observacionales y métodos que utilizan algún tipo de tecnología para la detección. En la primera categoría, la población reporta características de las tormentas graniceras. La segunda categoría, podemos dividirla en tecnología de largo alcance (como los radares y los satélites) y tecnología específica y de contacto directo con la tormenta. En esta última categoría se encuentra mi sensor. Debido a las posibilidades tecnológicas y en un impulso dado por la creciente capacidad de manejo de grandes volúmenes de información, se busca automatizar la adquisición de información sobre granizo. Este es un tema sumamente actual : el estado del arte varió en gran manera desde que comencé a investigar el tema en 2019. Recientemente aparecieron sensores comerciales con principios de funcionamiento con tecnología similar al que estuve desarrollando. Creo que el valor principal de mi trabajo está en presentar científicamente el principio de funcionamiento en que se basan los diseños comerciales modernos. El sensor que propongo es de principio acustoeléctrico. Uno de los aspectos destacables de este trabajo es el diseño del elemento que se coloca expuesto a la intemperie, en el que se generan vibraciones ante cada impacto de granizo. Investigué la forma de colocar los transductores piezoeléctricos (los elementos que convierten las vibraciones en señales eléctricas) dentro de esta pieza. Parte de mi trabajo consistió en realizar ensayos sistemáticos para obtener señales eléctricas. A partir del procesamiento de estas señales, tomé las decisiones de diseño. El aspecto que considero central de este trabajo es el vinculado con la calibración del sensor diseñado. Esto incluye la elaboración de una plataforma de ensayos, cuya necesidad identifiqué y que fue diseñada en el marco de un proyecto de fin de carrera de Ingeniería Eléctrica que planteé y dirigí. Actualmente, el prototipo que construí está colocado en exteriores, a la espera de la ocurrencia de tormentas graniceras. Entre los aspectos que me gustaría trabajar a futuro se incluyen : independizar el prototipo de la red eléctrica, sustituir la computadora actual por una que pueda embeberse en el sensor, sustituir la tarjeta adquisidora actual por una económica, estudiar la influencia de la temperatura en las señales y trabajar en la incorporación del prototipo a una red de sensores inalámbricos. En el contexto de esta investigación, realicé dos publicaciones en revistas [1,2] y presenté trabajos en tres eventos [3–5]. Espero que el conocimiento que generé en esta área mediante la investigación contribuya a la mejora de estos sistemas y promueva el desarrollo de este tipo de sensores con participación uruguaya, para que sea posible popularizarlos en nuestro país. En este sentido, me motivó observar el interés en mi trabajo por parte de la comunidad meteorológica uruguaya.

The lack of predictive hail models is a problem in Uruguay and worldwide. Togenerate them, we need more information about the phenomenon. In this work, Ianalyze key aspects for the design of a hail sensor, propose a design, implement it,calibrate it, and evaluate its performance.This work begins with a literature review on the characteristics of hail and thedamages it causes. I also explain the traditional methods of characterizing hail,which can be divided into two main categories: observational methods and methodsutilizing some form of technology for detection. In the first category, the populationreports characteristics of hailstorms. The second category can be further dividedinto long-range technology (such as radars and satellites) and specific technologyinvolving direct contact with the storm. My sensor falls into this latter category.Due to technological possibilities and driven by the increasing capacity to hand-le large volumes of information, there is a quest to automate the acquisition ofhail-related data. This is an extremely current issue: the state of the art has evol-ved significantly since I began researching the topic in 2019. Recently, commercialsensors with operating principles similar to the one I have been developing haveemerged. I believe the main value of my work lies in scientifically presenting theoperating principle upon which modern commercial designs are based.The sensor I propose operates on the acoustoelectric principle. A notable aspectof this work is the design of the component exposed to weather conditions, wherevibrations are generated with each hail impact. I researched the placement ofpiezoelectric transducers (the elements converting vibrations into electrical signals)within this component. A portion of my work involved conducting systematic teststo obtain electrical signals. Based on the processing of these signals, I made designdecisions.The aspect I consider central to this work is related to the calibration of thedesigned sensor. This involves the development of a testing platform, a necessityI identified and designed within the context of a final-year Electrical Engineeringproject that I proposed and led.Currently, the prototype I built is situated outdoors, awaiting the occurrenceof hailstorms.Among the aspects I would like to address in the future are: making the pro-totype independent of the electrical grid, replacing the current computer with onethat can be embedded in the sensor, substituting the current data acquisition cardwith a more cost-effective option, studying the influence of temperature on signals, and working on integrating the prototype into a wireless sensor network.In the context of this research, I published in two journals [1, 2] and presentedmy work in three events [3–5].I hope that the knowledge I’ve generated in this field through research contri-butes to the improvement of these systems and fosters the development of suchsensors with Uruguayan participation, making it possible to popularize them inour country. In this regard, I was motivated to observe the interest in my workfrom the Uruguayan meteorological community.