Calibration of rain gauge and thermohygrometers in automated weather stations
Alberto Chassaigne*, Manuel Ávila y Jesús Madriz
Trabajo presentado en el III Congreso Venezolano de Agrometeorología, San Felipe, Yaracuy, Julio 2012.
Fundación para la Investigación Agrícola (Danac). San Felipe, estado Yaracuy. Venezuela.
Correo electrónico: alberto.chassaigne@danac.org.ve*, manuel.avila@danac.org.ve, jesus.madriz@danac.org.ve
RESUMEN
En Venezuela diferentes unidades de producción e instituciones de investigación han incorporado estaciones meteorológicas automáticas (EMA) dentro de sus sistemas, por ello se hace necesario verificar su calibración periódicamente y así asegurar la confiabilidad de sus resultados. El objetivo del presente trabajo fue verificar la calibración de un pluviómetro PCR800 (Marca Oregon) y termohigrómetros de tres estaciones meteorológicas modelo WMR200A (Marca Oregon) antes de su instalación. En el pluviómetro se aplicaron pruebas estáticas y dinámicas y en los termohigrómetros THGN801 se aplicaron pruebas por ajuste de temperatura en estufa cuyos resultados fueron comparados con un termohigrómetro calibrado. En el pluviómetro la prueba estática indicó que las diferencias encontradas entre la lámina añadida y la lámina registrada para todos los niveles no fueron significativas (P<0,025); mientras que la prueba dinámica indicó una diferencia máxima de lámina de 3 mm de la estación inalámbrica con respecto al pluviómetro convencional usado como referencia. En los termohigrómetros las diferencias de temperatura y humedad relativa con respecto al estándar no superaron las tolerancias del equipo y tampoco se encontraron variaciones significativas (P<0,025). Se verificó que las calibraciones del pluviómetro y de los termohigrómetros estaban conformes a las tolerancias indicadas por los fabricantes para un amplio rango de niveles de precipitación, temperatura y humedad relativa.
Palabras clave: metrología, instrumentos climatológicos, sensores remotos.
ABSTRACT
]]> In Venezuela farms and research institutes have incorporated Automatic Weather Stations (EMA, acronymin in spanish) in their systems, which require calibration periodically to ensure reliability of results. The aim of this work was to verify the calibration of a rain gauge PCR800 (Brand Oregon) and three thermohygrometers WMR200A (Brand Oregon) before installation. Static and dynamic tests were applied in the rain gauge. The thermohygrometers THGN801 were calibrated by adjusting temperature in oven and the results were compared with a calibrated thermohygrometer. The rain gauge static test indicated that the differences between the added water and water recorded for all levels were not significant (P<0.025); while the dynamic test indicated a maximum difference of 3 mm between wireless rain gauge and conventional one, used as reference. Thermohygrometers differences in temperature and relative humidity with respect to standard did not exceed tolerances of the equipment and showed no significant variations (P<0.025). It was verified that the calibration of the gauge and the thermohygrometers were conformed to the tolerances stated by manufacturers for a wide range of levels of precipitation, temperature and relative humidity.Key words: metrology, weather instruments, wireless.
Recibido: 06/02/13 Aprobado: 01/10/14 Publicado: 11/07/16
INTRODUCCIÓN
En Venezuela a partir de 1960 iniciaron estudios asociados a los efectos de la variabilidad espacial del clima sobre la producción agrícola, más particularmente en maíz y sus principales zonas de producción (Cabrera, 2000). Como el maíz se produce mayormente en secano, la distribución de las lluvias (precipitación) y su efecto sobre temperatura, insolación, radiación, humedad relativa, es considerada uno de los factores más importantes (Rodríguez, 2000).
Las prácticas agronómicas que integran el estudio de los registros de las condiciones ambientales, durante el ciclo de cultivo de este rubro, contribuyen a la reducción de riesgos y pérdidas económicas generadas por eventos climáticos con lo que se asegura el incremento de la producción y especialmente de la productividad (Azkue et al., 2004).
El Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMEH), en los últimos años, ha trabajado en diferentes proyectos con el fin de actualizar la plataforma tecnológica para la recolección y gestión de datos meteorológicos mediante la sustitución de estaciones meteorológicas convencionales, ubicadas en diferentes zonas del país, por estaciones meteorológicas automáticas (EMA; AVN, 2013).
Las EMA facilitan obtener datos de parámetros meteorológicos por medio de sensores electrónicos (UNA, 2012), que disminuyen el requerimiento de mano de obra y generan nuevas aplicaciones que apoyan los procesos productivos (Franco, 2006). Las EMA ocupan poco espacio, almacenan y transfieren los datos del clima, lo cual permite valorar su comportamiento y posible impacto.
En la actualidad diferentes unidades de producción e instituciones de investigación han incorporado las EMA dentro de sus actividades, sin embargo, una vez instaladas es necesario verificar que están calibradas, para asegurar la confiabilidad de los resultados generados, sobre todo cuando provienen de países de otras latitudes, donde su traslado y manejo pudieran ocasionar desajustes.
El objetivo del trabajo fue verificar la calibración de un pluviómetro y termohigrómetros de tres estaciones meteorológicas modelo WMR200A (Oregon Scientific, 2009) antes de su instalación, adaptando una metodología sencilla.
]]> MATERIALES Y MÉTODOSSe utilizó un pluviómetro y tres termohigrómetros de tres estaciones meteorológicas WMR200A (Oregon Scientific, 2009).
El pluviómetro PCR800 (Oregon Scientific, 2009) presenta las siguientes características: dimensiones 114 x 114 x 145 mm, peso 241 g, resolución 1 mm/h. Tolerancias: para valores inferiores a 15 mm/h una variación máxima de ±1 mm; y para valores comprendidos entre 15 y 9.999 mm una variación máxima de ±7 mm (Oregon Scientific, 2009). El diámetro de la boca del pluviómetro es de 100 mm y el área de captación de 78,54 cm2.
El funcionamiento del pluviómetro se basa en la recolección del agua en un receptor de captación que luego la dirige a un colector tipo balancín que consta de dos cavidades. El agua se va acumulando en una de las cavidades y al alcanzar cierto peso realiza un movimiento de descarga que permite exponer la siguiente cavidad a la colección de agua y activar un pulso eléctrico que envía una señal de registro, cada pulso eléctrico equivale a una lámina de agua de 1 mm.
Para verificar el pluviómetro se realizó una adaptación de los métodos de calibración estática y dinámica descritos por Campbell Scientific (2010).
Verificación de la calibración
Prueba estática
Con un cilindro graduado de 100 cm3 se agregó lentamente agua sobre el área de captación del pluviómetro, al escucharse cada cinco choques del balancín (5 pulsos), se dejó de aplicar el agua y se tomaron las láminas de agua (L) registradas por el equipo desde 5 mm hasta 100 mm y se compararon con las láminas de agua estimadas a partir de la siguiente fórmula:
L = (V / A) x (10 mm/1 cm)
Donde:
]]> L= lámina de agua, expresada en mm.V= volumen de agua restante en el cilindro, expresada en cm3.
A= área del círculo de captación, expresada en cm2.
Prueba dinámica con lluvia natural y pluviómetro convencional
Se utilizó como estándar un pluviómetro Hellmann, que Monasterio et al. (2008) lo describen como un cilindro cuya “boca” receptora mide 200 cm2. Posee además un anillo de bronce con borde biselado en la parte superior, unido a este, cuyo fondo tiene forma de embudo y ocupa aproximadamente la mitad del cilindro. El agua recogida pasa por el embudo a una vasija de “boca” estrecha llamada colector, aislada del cilindro exterior para evitar la evaporación por calentamiento.
Sobre una misma base se ubicaron el pluviómetro inalámbrico PCR800 y un pluviómetro convencional. Las “bocas” de ambos equipos se nivelaron para estar a 1,5 m sobre la superficie del suelo y distanciadas entre sí 10 cm. La base se instaló a plena exposición en las coordenadas 10,36235° latitud norte y 68,65572° longitud oeste, correspondiente a la sede de Fundación Danac en el estado Yaracuy.
El registro de la precipitación captada por el pluviómetro inalámbrico (L en mm) fue copiado del receptor vía cable USB, por medio de un computador y el software Virtual Weather Station base edition versión 14.1. Mientras que con el pluviómetro convencional, la lámina se calculó diariamente con un cilindro graduado. El volumen (V) del agua captada en el depósito, se midió en cm3, y el diámetro de la boca en cm. Se calculó el área del círculo de captura (A) en cm2 y la lámina (L) en mm, con la siguiente fórmula:
L (mm)= V (cm3)/A (cm2) x (10 mm /1 cm)
Temperatura y humedad
Se utilizaron tres termohigrómetros modelo THGN801 (Oregon Scientific, 2009) con las siguientes características: dimensiones: 115 x 87 x 118 mm, peso 130 g y tolerancias descritas en el Cuadro 1.
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Verificación de la calibración
Se utilizó como referencia un termohigrómetro digital inalámbrico RTR-53A (TANDD, Japón), calibrado con un patrón termohigrómetro digital PCT-50 certificado 4087-3691767 con trazabilidad del NIST, USA.
Conforme a las especificaciones del fabricante, el rango de temperatura es de 0 a 55 °C con una tolerancia de +/-0,3 °C, mientras que la humedad relativa (HR) presenta un rango de medición de 10 a 95%, con una tolerancia de ±5%.
Se ubicaron tres unidades del THGN801 y una del estándar RTR-53A en una estufa eléctrica FX14-2 (Shell-lab, USA). Cada 15 min se registró la temperatura y humedad que mostraron los cuatro indicadores remotos correspondientes a cada termohigrómetro.
La captura de datos se inició cuando la estufa indicó los 30 °C y se elevó dos grados cada media hora hasta 38 °C, por lo que se obtuvieron dos lecturas para cada uno de los cinco valores de temperatura que indicó el sensor del panel de control de la estufa (30, 32, 34, 36 y 38 °C).
Análisis de resultados
Se estimaron las diferencias significativas entre los dispositivos y los valores indicados por los instrumentos de referencia. Para los pluviómetros se empleó la prueba de rango estudentizado de Tukey y para los termohigrómetros se utilizó el estadístico de t de Student (Miles, 1963).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Precipitación prueba estática
]]> En el Cuadro 2 se muestran los valores calculados para cada cinco pulsos (equivalentes a 5 mm de lámina). Se encontró que los valores de lámina añadida, con respecto a la registrada, difieren entre 0,08 mm y 0,59 mm en las 20 mediciones. Los cálculos estimaron que con cada 39,27 cm3 que se aplicara, el balancín bajaría para efectuar un pulso (datos no mostrados). 
Las diferencias encontradas entre la lámina aplicada y la lámina registrada para todos los niveles no fueron significativas (P<0,025) y por ello no se encontraron datos discrepantes (Cuadro 2), sin embargo las variaciones presentes podrían ser atribuidas a errores propios del analista al manipular el instrumento durante las mediciones y a la precisión del cilindro graduado utilizado.
Prueba dinámica con lluvia natural y pluviómetro convencional
En el Cuadro 3 se observa que la lámina registrada por la estación inalámbrica (b) difiere entre -1 a 3 mm en el mes de marzo, y entre -1 y 2,6 mm en el mes de abril, con respecto a la lámina calculada a partir del pluviómetro convencional (a).
Monasterio et al. (2008), validando un pluviómetro artesanal con uno convencional, encontraron que las diferencias del volumen de agua medido en ambos fueron mínimas tal como fue encontrado en el presente estudio.
Temperatura y humedad
En el Cuadro 4 se observa que para los tres termohigrómetros modelo THGN801, las diferencias de temperatura con respecto al estándar no superan las tolerancias del equipo (0 a 40 °C: +/- 1 °C), exceptuando el primer registro de temperatura.
La diferencia promedio del termohigrómetro 2 con el estándar fue inferior a su precisión, sin embargo mostró ser menos consistente que los otros dos sensores.
Al comparar los valores de los termohigrómetros con los valores de referencia del RTR-53A, se encontraron variaciones que no resultaron significativas, por ello no se identificaron datos discrepantes para el rango de trabajo considerado en el estudio.
CONCLUSIONES
Se verificó que las calibraciones del pluviómetro PCR800 y de los tres termohigrómetros THGN801, están conformes con las tolerancias indicadas por los fabricantes, sus resultados fueron comparables con los equipos de referencia para un amplio rango de niveles de precipitación, temperatura y humedad relativa. En este sentido, las variaciones encontradas fueron atribuidas a errores propios de la medición.
Se recomienda incorporar la metodología empleada en el presente estudio, dentro de un plan de verificación periódico, para asegurar la confiabilidad de los resultados emitidos por estos equipos, con el fin de interpretar de manera más asertiva algunos eventos climáticos y sus posibles efectos sobre el manejo y la productividad de los cultivos.
LITERATURA CITADA
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