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INFORME FINAL DE SERVICIO SOCIAL

DATOS GENERALES Y MATRICULA DEL PRESTADOR

'Nombre: Mendoza García Artemi0 Matrícula: 89323119

LUGAR Y PERIODO DE REALIZACION

Lugar: Universidad Autónoma Metropolitana-Mapalapa Laboratorio de Geología y Lmología Edificio Alejandro Villalobos (AS-209)

Periodo: J Del 20 de mayo de 1994 al 20 de mayo de 1996 J

UNIDAD, DIVISION Y LICENCIATURA

Unidad Mapalapa División de Ciencias Básicas e Ingeniería

/Licenciatura en Ingeniería Electrónica

NOMBRE DEL PROYECTO

J Diseiío y Construcción de un irradiómetro sumergible.

NOMBRE DEL ASESOR

l B i ó i . - F e Profesor Titular "C" Tiempo Completo

Vo !%P B .AS OR Bid Roberto E Torres-Orozco B Profesor Titular “ C Tiempo Completo

Vo Bo COORDINADOR DE LA LIC EN INGENIERIA ELECTRONEA M en C Miguel Angel Ruiz Sánchez

PRESTAD$ DE SERVICIO SOCIAL Artcmio Mendoza Garcia

Matrícula 89323719

Crilbkiuddnpo

DlViSlON DE CIENCIAS BIOL6GICAS Y DE LA SALUD DEPARTAMENTO DE MDROWOLOQh

uNIvERsyw)AuToNoMAMElRowuTANA

México, D.F., a 6 de septiembre de 1996.

Dr. Luis Mer y Terán Dirrector de la División de Ciencias Bbicas e Ingeniería UAM-Iztapalapa P r e s e n t e

Por este conducto, me es grato informarle que el alumno: Artemio Mendoza García, con matrícula 89323779, de la Licenciatura en Ingeniería Electrónica, área de concentración en Comunicaciones, ha terminado satisfactoriamente su trabajo de Servicio Social intitulado: Diseño y Construcción de un Irradiómetro Sumergible.

Por lo anterior, le solicito atentamente conducir los trámites necesarios para su debido registro, ya que lo he revisado y estoy de acuerdo con su contenido.

Agradeciendo de antemano su amable colaboración, quedo de Usted

A t en t amen t e

Profesor Titular "C", T.C. Lab. de Geología y Lmología Depto. de Hidrobiologia

UNIDAD lZTAPALAPA Av. Mkhoodn y La Puibima, Col. Vlcentlna. México 09340, D.F. Tel. 7244757. FAX (5)72447iib.-.- e-mail riob@xanum.uam.mx

INTRODUCCION

. ..

La luz es uno de los factores fisicos de mayor influencia en la estructura y comportamiento biológico de los cuerpos de agua (Weyl, 1970; Wetzel, 1975; Owen, 1985). En los ambientes acuáticos se denomina zona fótica a la porción de la columna de agua, integrada desde la superficie hasta el fondo, en la cual el 99 % de la luz que llega a la superficie ha desaparecido. Toda vez que la fotosíntesis requiere necesariamente de la luz, la zona fótica es la única compatible con la vida vegetal acuática. Así, las distintas poblaciones fitoplanctónicas se ubican en la columna de agua en profundidades donde las condiciones microambientales, incluida la iluminación, son óptimas para su desarrollo.

El disco de Secchi permite conocer de manera aproximada la profundidad a la cual penetra la luz Sin embargo, esta estimación puede ser demasiado subjetiva, pues depende en gran parte de la agudeza visual de la persona que toma la lectura De manera ideal, para tomar una medición altamente confiable con el disco de Seahi, sería necesario que la lectura fuera tomada por un buzo (auxiliado de un visor), que produjera la menor sombra posible en el agua, mientras otros estuvieran en la superficie rtelizando mediciones de a y K (coeficientes de atenuación total y difuso) con instrumentos adecuados (Tyler, 1968)

Dado que el principal factor limitante para la fotosíntesis es precisamente la luz, para comprender esta relación es importante conocer los efectos de la intesidad luminosa (irradianza) sobre la tasa fotosintética (Ryther, 1956; Yentsch y Ryther, 1957; Falkowski y Owens, 1978) Cuando se pretende evaluar la productividad primaria fitoplanctónica de un ambiente acuático es necesario estimar las tasas de producción en distintos sitios de la zona fótica, ya que la velocidad de la fotosíntesis varía ampliamente dentro de la parte iluminada de la columna de agua

Para estimar la profundidad de la zona fótica y elegir las profundidades donde conviene efectuar las determinaciones de productividad suele emplearse un factor empírico que se basa en multiplicar la profundidad del disco de Secchi por 2 7 Debido a la naturaleza empírica de este factor la estimación de las condiciones de iluminación en la columna de agua puede ser muy inexacta Lo ideal, por tanto, es contar con un instrumento que permita estimar con mayor precisión la cantidad de la luz incidente en la superficie que penetra hasta determinada profundidad, esto es, un irradiómetro sumergible

Para medir la iluminación suele emplearse un fotómetro fotoeléctrico con un receptor de luz conectado a un instrumento conveniente de medición, el cual mide la comente generada por la celda cuando la luz cae sobre ella Este instrumento, una vez calibrado, debe de dar la misma lectura de iluminación que cualquier otro medidor de luz

Un fotómetro fotoeléctrico debe su precisión básicamente a dos factores la alta relación linear entre la cantidad de luz que entra y la comente eléctrica que produce, y el uso de técnicas precisas de medición eléctrica (Robmson, 1961 y Jacobowitz, 1965)

b . .

De manera general, el funcionamiento de un instrumento de tal naturaleza es el siguiente. las radiaciones ópticas, rayos x, y algunas radiaciones corpusculares caen en un semiconductor (receptor de luz) de estado sólido y son absorbidas. El proceso de absorción de energía produce cargas móviles o un cambio en la movilidad de los transportadores de Cargas en el semiconductor (Lion, 1975, Pierce, 1961 y Boctor, 1987)

Entre las celdas de importancia práctica en las regiones ultravioleta, visible e infiarrojo se encuentran las celdas fotoconductivas. Estas celdas también se conocen como celdas de fotoresistencia, en las que se encuentra algún material fotoconductor (como sulfur0 de cadmio (CdS) y selenuro de cadmio (CdSe) ) depositado en un sustrato de cerámica. Cuando aumenta la intensidad de la iluminación sobre el dispositivo, se incrementa también el estado de energía de un gran número de electrones en la estructura, debido al aumento de disponibilidad de los paquetes de fotones de energía. El resultado es un número mayor de electrones relativamente “libres” en la estructura y una disminución de la resistencia terminal (Boylestad y Nashelsky, 1989 y Benedict, 1975) La fotocomente se incrementa gradualmente después de que la iluminación es aplicada y decae del mismo modo cuando la iluminación es eliminada, esto depende del material del fotoconductor y del nivel de iluminación

Existen medidores muy simples, cuya ventaja radica principalmente que son portátiles y su uso es sencillo Sin embargo, el costo de un irradiómetro comercial suele ser elevado, por lo que se plantea la posibilidad de aprovechar los recursos disponibles en la propia Universidad para desarrollar un prototipo experimental de bajo costo que satisfaga las necesidades del usuario.

OBJETIVOS

General

Apoyar las actividades de hvestigacibn que se r d i en el Laboratorio de Geología y Limnología del Departamento de Hidrobiología.

Específico

Diseñar y construir un irradiómetro sumergible de bajo costo y con la capacidad de medir la luz en distintas profundidades de la columna de agua en términos del porcentaje de la radiación incidente en la superficie.

METODOLOGIA Y ACTIVIDADES REALIZADAS

El proyecto fue estructurado en varias etapas. Primero, en entrevista con los usuarios potenciales (profesores del laboratorio de Geología y Limnología) se dehieron las características del sistema: función, alcance, interface. Luego, con base en el análisis de las especificaciones del instrumento se elaboró un disello general. Posteriormente, definiendo cada una de las partes del sistema, se generó el diseiio detallado (explicado más adelante).

A partir del diseño detallado se procedió a la construcción fisica del aparato. Terminada la construcción, una sene de pruebas determinaron la fiabilidad y eñciencia del instrumento. Finalmente se elaboró un Manual del Usuario a fin de asegurar el uso correcto del instrumento y facilitar su mantenimiento futuro.

OBJETIVOS Y METAS ALCANZADOS

* Se contruyó un irradiómetro sumergible de bajo costo. * Dicho instrumento es capaz de medir la luz en distintas profundidades de la

* Se logró que el instrumento fuera de un tamaño adecuado para su translado

* Se verificó la fiabilidad de las mediciones. * Se comprobó la impermeabilidad del instrumento. * Se obtuvo la estabilidad necesaria para su funcionamiento gracias a la estructura

* Se consiguió que la operación del irradiómetro fuera simple y sencilla.

columna de agua en términos del porcentaje de la radiación incidente en la superficie

(portátil)

que lo sostiene

RESULTADOS Y CONCLUSIONES

RESULTADOS

La información correspondiente a esta sección quedó dividida en dos partes, la primera se refiere a las características técnicas y de disello del aparato y la segunda a la sene de pruebas a las que fue sometido. Como complemento del trabajo se presenta también, a manera de anexo, un Manual del Usuario (ver anexo) que proporciona toda la información referente a funcionamiento, uso y mantenimiento del irradiómetro.

Características técnicas.

El principio de operación del irradiómetro está basado en el cambio de resistencia eléctrica en un dispositivo, la cual es proporcional a la cantidad de luz recibida. De esta manera, al comparar la resistencia generada por dos diferentes fuentes de luz es posible calcular el porcentaje que representa una fuente con respecto a la otra.

El circuito utilizado para este propósito es el siguiente:

Imk

Enbada

ImL I

El sistema medidor de la intensidad luminosa fue interconstniído en un modelo comercial de multímetro analógico. Si bien esto redunda en un instrumento económico, debido a lo mismo existen varias funciones en el selector que deben ser ignoradas, ya que se refieren a los controles originales del multímetro (vrg. VCA, VCD, MA, etc). Por la misma razón existen en el panel varias escalas que no deben ser tomadas en consideración al momento de leer los resultados, excepto aquella que va de O a 10 (la segunda mostrada en la Figura 1 del Manual del Usuario).

Como transductor se empleó UM fotoresistencia, la cual fué cubierta con una carcaza de acrilico transparente para aislarla del agua y pedtule a la vez captar la radiación luminosa.

Para asegurar que la fotoresistencia este expuesta siempre a la luz, el sensor está sostenido por dos aros que permiten movimiento lateral y frontal, además de un contrapeso' para proporciokle estabilidad, anulando o dishuyendo los movimientos producidos por las comentes de agua (Figs. 5 y 6 del manual).

* La estructura que sostiene ai sensor cuenta además con un estabilizador y un peso

muerto que le da firmeza en sentido vertical. El cable conductor se encuentra a lo largo y de forma paralela al cabo que sostiene toda la estructura (Fig. 4 en el Manual del Usuario). La profundidad máxima a la cual puede operar el aparato está determinada por la longitud del cable (originalmente de 15 metros, pero puede aumentarse por medio de futuras extensiones).

Operación del instrumento

La operación del irradiómetro es muy simple y consta de dos pasos:

1.- Llevar el sensor a la superficie del cuerpo de agua en el cual se van a realizar las mediciones, de tal forma que quede expuesto a la luminosidad de referencia.

2.- Calibrar a la luminosidad 1000/0. Para ello es n d o mover el selector de escalas hasta x l .

3.- Manipular el ajuste a cero para poner la wil la indicadora en la marca de 10 (100%).

4.- En caso de que esto no sea posible, usar el conlrol de sensibilihi para ayudar al ajuste. Si aún con este procedimiento no se logra el objetivo, significa que la escala no es la adecuada y será necesario cambiarla a x10 o, si la luminosidad es todavía insuficiente, a xlK y será necesario repetir el paso 3 nuevamente. Aunque este procedimiento es un tanto empírico pues algunas escalas se traslapan, no es motivo de preocupaci6n debido a la naturaleza de la medición, la cual es una comparación entre dos puntos diferentes.

5.- Después de la calibración, es posible tomar directamente las mediciones en las profundidades requeridas.

La medida debe ser multiplicada por 10 y leída en porcentaje.

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Pruebas

Prueba de precisión.

Con el propósito de conocer la precisión del prototipo se realizó una prueba que consistió en r e a l m lecturas de la intensidad de una misma fuente de luz, de manera simultánea y bajo condiciones idénticas, empleando el prototipo y un exposímetro de cámara fotográfica Mnolta Flash Meter IV), el cual se mantuvo con un diahgma de 5.6, auxiliado de una mascarilla de luz reflejada (accesorio),.

La escala del exposímetro va de 8 a 118,000 segundos (velocidad, tiempo de exposición), con 15 puntos intermedios, de tal manera que cada uno de ellos es la mitad que el anterior y el doble que el siguiente, lo que implica que existe una diferencia del 50% entre ambas lecturas siempre que la abertura del diafragma se mantenga contante.

Las lecturas obtenidas fueron las siguientes:

Lectura exposímetro Lectura irradiómetro

11120 1160 1/30 1/15

1 m?40

52% 24% 11%

La comparación entre ambas lecturas nos permite concluir que el irradiómetro está funcionando adecuadamente y que sus mediciones son confiables.

Prueba en medio acuático simulado.

Para conocer el funcionamiento del irradiómetro en el medio acuático, se llevó a cabo una prueba preliminar, en la cual fué empleada una columna de agua artifical, para ello se utilizó una probeta (1 It de capacidad, altura aproximadamente 40 cm) a la que se le adaptó un recubrimiento para simular la pérdida continua de la penetración de la luz. Es claro que la profundidad es escasa y que la presión es casi nula, por lo que posteriormente se probó en un ambiente natural

Z probeta Lectura (cm) irradiómetro

O 7 14 21 28

100% 7004. 48% 30% 14%

El comportdento del aparato construido durante la prueba fié del todo aceptable, no se observó ningún indicio de que el agua penetrara a su interior (lo cual se pudo corroborar posteriormente al revisarse minuciosamente) y las lecturas (en todas las profundidades) se mantdan aproximadamente constantes al realizarse el monitoreo en repetidas ocasiones.

Prueba en un medio acuático natural

Esta prueba se realizó en un pequeño lago. Se efectuaron mediciones de iluminación a las 1O:OO Hrs. únicamente en una localidad. Las lecturas fueron verificadas en dos ocasiones, los resultados se reportan a continuación:

Prof máxima

Prof. en cm

O 10.5 20.5 30.5 40.5 50.5 60.5 70.5 80.5 90.5 106.5

Est.2

2.30

Radiación incidente en superlíeie

%

100 84 64 44 34 22 17 14 10 7 2

A lo largo de todo este proccso se mantuvo un d s i s continuo sobre el irradiómetro, cuyas lecturas se mantuvieron constantes al realizarse varias mediciones en el mismo punto. En este experimento tampoco se observó que el agua se introdujera al interior del aparato.

Es justamente en el ambiente natural en donde se aprecia claramente la importancia de que el irradiómetro tenga estabilidad para poder mantener al sensor en posición correcta, pues debido al movimiento continuo del agua (viento, comentes, etc.) si el sensor no tuviera peso suficiente estaría en un constante juego. La sombra es otro

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inconveniente, para ello se evita que no exista objeto aiguno sobre el irradiómetro que pudiera modificar su lectura. La estructura que sostiene al sensor permite un mayor control sobre ambos problemas (consultar Manual de Usuario).

CONCLUSIONES

El prototipo desarrollado se considera como un instrumento confiable para medir la luz en distintas profundidades de la columna de agua en términos del porcentaje de la radiación incidente en la superficie. Debido a su pequeíío volumen es ideal para ser empleado en campo y cumple con las características de estabilidad y confiabilidad necesarias para una buena medición. Los cuidados a los cuales debe ser sujeto son mínimos por lo que no se considera un instrumento frágil.

RECOMENDACIONES

Mantenimiento

*Es importante remover la bateria y cambiarla por una nueva ai menos dos veces al año para evitar derrames internos y mal funcionamiento originados por baja tensión.

*Es necesario secarlo cuidadosamente después de cada uso para evitar el Óxido sobre sus partes metálicas.

* Cambiar periódicamente el empaque y los tornillos puede ayudar a mantener el transductor en condicones aisladas.

Posibles modificaciones

* Diseñar el sistema de tal manera que fuera capaz de tener almacenar las lecturas que fuera realizando.

* Adicionar un sensor para poder medir la temperatura simultaneamente

* Considerar la posibilidad de realizar las lecturas en las unidades convencionales de irradianza.

BEBLIOGRAF'IA

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