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Pluviómetros

Según la definición oficial de la Organización Meteorológica Mundial la lluvia es la precipitación de partículas de agua líquida de diámetro mayor de 0,5 mm o de gotas menores pero muy dispersas. Si no alcanza la superficie terrestre no sería lluvia sino virga y si el diámetro es menor sería llovizna.

La lluvia es una precipitación de agua en forma de gotas. Cuando éstas alcanzan un diámetro superior a los 0,5 mm caen a la tierra por la gravedad a una velocidad superior a los 3 m/s. En estos momentos se produce la lluvia.

La tasa o intensidad de precipitación es la cantidad de agua líquida o solida que alcanza el suelo en un intervalo de tiempo. Se mide en volumen/superficie (litros/m2) y el periodo de tiempo, por lo general, es el día (litros/m2/dia).

El instrumento que se utiliza para medir puntualmente esta intensidad de lluvia es el pluviómetro y la unidad que se utiliza es el l/m² (litros por metro cuadrado) en un tiempo determinado (hora, día, etc.) o su equivalente milímetros (altura que alcanzaría en el supuesto de que estuviera uniformemente distribuida sobre un suelo horizontal e impermeable en el que no se registrara evaporación).

Nota: La medida expresada en mm equivale al espesor de la lámina de agua que se formaría, a causa de la precipitación sobre una superficie plana e impermeable de 1 m2, un milímetro de agua de lluvia equivale a 1 Litro de agua repartido por una superficie de un metro cuadrado

La precipitación es la variable más importante de los parámetros ambientales, ya que es la única que nos proporciona los aportes de agua; todos los demás, temperatura, radiación, viento… son consumidores de la misma.

La característica especial de la precipitación, respecto a los demás parámetros ambientales, es su variabilidad, esto es: puede llover muchísimo en un punto y a unos pocos cientos de metros de allí no caer una sola gota, y también, puede caer en un día una gran cantidad y luego pasarse meses sin llover absolutamente nada.

Esta variabilidad hace que los datos locales sean sumamente útiles, ya que los valores medios de las precipitaciones recogidas a escala más amplia y largos períodos de tiempo, generalmente anuales o mensuales, tienen un indiscutible valor climático y estadístico, pero adolecen de algunos e inevitables defectos, respecto al microclima. Con los estudios a escala local, cualquier anomalía queda perfectamente aislada, obteniéndose por tanto una gran precisión y valores realmente prácticos

En la agricultura, el conocimiento de la cantidad de lluvia en un punto determinado ayuda a determinar la cantidad de agua disponible para la planta en el suelo y por tanto, el riego que será necesario aplicar para evitar problemas de muerte radicular y una gestión eficiente del agua. Por otro lado, las cantidades de precipitación excesivamente grandes, cuando sobrepasan por ejemplo los 100 mm (litros por metro cuadrado) en 10 días, suelen dañar gravemente las plantas, tanto más, cuanto más corto sea el período de tiempo en el que caen. Si esa precipitación se produce en uno o dos días, los daños pueden ser verdaderamente catastróficos.

La lluvia se adjetiviza respecto a la intensidad de precipitación por hora (mm/h):

      • Lluvias Débiles: cuando su intensidad es ≤ 2 mm/h
      • Lluvias Moderadas…..: > 2 mm/h y ≤ 15 mm/h
      • Lluvias Fuertes…………: > 15 mm/h y ≤ 30 mm/h
      • Lluvias Muy fuertes….: > 30 mm/h y ≤ 60 mm/h
      • Lluvias torrenciales….: > 60 mm/h

Por otro lado, la distribución de la lluvia varia en el tiempo. Por ejemplo, si una lluvia dura 40 minutos, puede caer 5 mm en los primeros 10 minutos, 10 mm en los siguientes 10 minutos, 7 mm en el tercer intervalo y 3 mm en el cuarto tiempo, en total sería una lluvia fuerte de 25 mm/h.

Generalmente se usa un recipiente abierto de lados verticales, en forma de cilindro recto, y con un embudo, si su principal finalidad es medir la lluvia. Los tamaños y formas de la boca y altura del medidor son variables, por lo que las mediciones no son estrictamente comparables.

Existen muchos tipos de pluviómetros: Manuales, Registradores, Totalizadores, medidores de intensidad, etc.; Pero a nosotros solo nos interesan los que nos den una salida eléctrica que sea proporcional a la intensidad de la lluvia, los cuales, principalmente miden el volumen o el peso de la captación.

Tipos de pluviómetros con salida eléctrica

Pluviómetros de pulsos cangilométricos (de cubeta basculante o balancín)

Existen muchos tipos de pluviómetros, pero los más utilizados y tradicionales por su fácil automatización y precisión suficiente son los mecánicos cangilométricos.

El diseño básico consiste en una abertura superior (de área conocida) de entrada de agua al recipiente, que luego es dirigida a través de un embudo hacia un colector donde se recoge y puede registrarse la medición una vez alcanzado un cierto nivel mediante la basculación de una cuba que activa un rele reed dándonos un pulso.

Cada pulso que se registra coresponde a una cantidad de agua caída desde el pulso anterior.

Fig: Fotografía de un pluviómetro de cangilones. El pluviómetro Esta formado por tres partes, Un colector de lluvia que es la sección receptora para la recogida de agua, normalmente de 200 o 400 cm2, el embudo y la base que alberga en su interior un mecanismo de medida del volumen de agua de precipitación, esta viene con agujeros de montaje y una nivelación integrada para ayudarle en la instalación del colector de lluvia →

 

Tipos

      • Pluviómetro de cubo o cucharilla basculante
        Mide la cantidad de lluvia caída mediante una cucharilla basculante de vaciado automático. El cono colector de lluvia canaliza el agua en el interior del cubo (o cucharilla) basculante; Una vez alcanzado el nivel predefinido, la cucharilla calibrada gira bajo la acción de su propio peso, descargando el agua y rápidamente regresa a la posición inicial para recoger una nueva porción de agua. Durante la fase de rotación, el contacto de la lengüeta del sensor reed, normalmente cerrado, se abre durante una fracción de segundo, enviando un impulso al nodo contador. La cantidad de lluvia medida se basa en el recuento del número de veces que se vacía la cucharilla: los contactos reed, normalmente cerrados, se abren en el momento que bascula la cucharilla vaciándose.

← Fig: Fotografía del equipo mecánico de basculación del pluviómetro de cucharilla. Cuando la cucharilla está vacía el brazo que sostiene el imán pesa mas que el de la cucharilla. Cuando la cucharilla se llena de agua, esta agua acumulada hace que el brazo donde está la cucharilla pese más y hace bascular la cucharilla, lo que produce un pulso que puede ser registrado por un nodo con entrada de pulsos.

      • Pluviómetro de balancín o cazoletas basculantes automático
        El mecanismo de medida es muy sencillo, se trata de un dispositivo de cazoletas situados en los extremos de un brazo basculante o balancín que mide el volumen de precipitación recogida por el embudo, cuando se llena una cazoleta esta vuelca vaciándose y posicionando la otra cazoleta bajo el embudo, comenzando a llenarse ésta. En cada volcado el brazo balancín, por medio de un imán, activa un relé reed. La cantidad de agua de lluvia caída se mide por el número de pulsos contados entre dos instantes determinados. Cada pulso equivale a una cantidad de agua caída.

← Fig: Fotografía del mecanismo de un pluviómetro de balancín.

La geometría y el material del que están hechas las cazoletas o cucharillas deben facilitan la salida de toda el agua para minimizar contaminación y errores.

Además, el sensor debe incluir tornillos de nivelación, y nivel de burbuja para facilitar la instalación en campo y deben estar construidos completamente con materiales resistente a la corrosión para garantizar su durabilidad y deberían ser resistente a la radiación UV.

Estos tipos de pluviómetro son usados para medir la intensidad de la lluvia y totales acumulados, que en las aplicaciones agrícolas es suficiente

Pluviómetros de pesada

Los pluviómetros de pesada, generalmente, es un instrumento de precisión destinado a la observación oficial y técnica. Es el instrumento más preciso para medir la lluvia y su intensidad. Estos pluviómetros se basan en un sistema de pesada que utilizan células de carga con el cual se puede hacer un cálculo muy preciso de la precipitación y su intensidad en continuo, hasta resoluciones de 0,001mm . La ventaja de un pluviómetro digital de estas características es que no tiene límite de medida de lluvia y puede cuantificar precipitaciones desde 0,005mm hasta el infinito.

← Fig: Fotografía de un pluviómetro de pesada

      • Miden de modo fiable y preciso tanto la cantidad como la intensidad de las precipitaciones en estado líquido, sólido y mezclado. Debajo del recipiente colector y bien protegida de los agentes medioambientales perjudiciales, se encuentra una célula de carga sellada herméticamente y altamente precisa que mide el peso total situado sobre ella. La electrónica del pluviómetro conectada a la célula de carga calcula de manera continua la precipitación existente y deduce la cantidad y la intensidad de la precipitación.
      • El sistema de pesada puede proporcionar una resolución en la medición de la precipitación de 0,001mm.

Suele presentar dos opciones, no calefactado y calefactado. La opción con calefacción es útil para zonas frías o de montaña, donde buena parte de la precipitación invernal es de nieve. En los pluviómetros tradicionales la precipitación de carácter sólido presenta muchos problemas para la medición, el pluviómetro tradicional calefactado resuelve estos inconvenientes.

Estos pluviómetros suelen incorporar salidas analógicas y comunicaciones de todos los tipos (0/4…20mA; 0…2,5/5Vdc; SDI-12; Modbus; etc).

En general, la señal de salida digitalizada se promedia y se filtra. La intensidad de precipitación la calcula mediante las diferencias entre dos o más mediciones consecutivas del peso. La exactitud de estos tipos de medidores está directamente relacionada con sus características de medición y/o de registro, que pueden variar según los fabricantes.

Sensores de precipitación con tecnología radar

Es un sensor en tiempo real de la medición de la precipitación (lluvia, nieve, aguanieve, lluvia helada, granizo), libre de mantenimiento y sin piezas en movimiento que se puedan atascar o romper, lo que le da una vida de servicio muy larga y alta confiabilidad operacional.

Usan un radar Doppler de una frecuencia determinada (24 GHz normalmente) que es capaz de medir la velocidad de todas las formas de agua condensada. Estos incluyen lluvia, lluvia helada, granizo, nieve y aguanieve. El sensor detecta la precipitación desde la primera gota.

Son sensores que emiten pulsos en forma de pulsos de energía electromagnética. Cuando este pulso encuentra un blanco (en este caso la precipitación), esa energía retorna al radar y de este modo puede interpretar su ubicación y su intensidad. Esa intensidad que tendrá el eco de precipitación se denomina Reflectividad y se mide en decibeles (dBZ).

A partir de la reflectividad (dBz), el método más común para determinar la intensidad de lluvia (R ) es el de usar relaciones empíricas que relacionen la reflectividad registrada por el radar con la precipitación medida a nivel del suelo (relación Z- R).

El eco de precipitación se denomina Reflectividad y se mide en decibeles (dBz), y siendo conocida su relación con respecto a la intensidad de precipitación (relación empírica R-Z de Marchall-Palmer) se podrá obtener la precipitación (R ).

La reflectividad es un valor que caracteriza la precipitación tanto en cantidad como en tamaño de las gotas. Cuanto mayor es la reflectividad, mayor será la intensidad de la precipitación, desde lluvia débil (reflectividad menor a 20 dBz) hasta lluvia muy fuerte con granizo (reflectividad del orden de 55 dBz o mayor).

Características:

      • Medición extremadamente rápida
      • Medición exacta desde la primera gota de lluvia. Tamaño de la gota detectada (0,3 a 5 mm)
      • Diferenciación entre clasificaciones de tamaños de gota
      • Resolución a partir de 0,01 mm.
      • Parámetros medidos: Cantidad de lluvia / precipitación, tipo de lluvia / precipitación (lluvia, nieve, aguanieve, lluvia helada, granizo)
      • Interfaz de Transmisión de datos múltiples (Mod-bus, SDI-12, etc) ideal para su automatización
      • Especialmente adecuado para lugares o zonas de difícil acceso debido a su ausencia de mantenimiento.

Pluviómetros ópticos

El sensor óptico de rayos infrarrojos es un pequeño instrumento que detecta la lluvia por medio de la perturbación del haz de luz que se está emitiendo en el interior de la cápsula transparente. Es una opción de bajo costo que se está empezando a utilizar sobre todo para cuantificar lluvias débiles que los pluviómetros de cazoletas no detectan.

Los sensores de lluvia ópticos, patentados por Hydreon, tienen unos emisores de luz infrarroja que los proyecta sobre la superficie de la envolvente, esta tiene un diseño especial que los dirige dentro de la envolvente a unos detectores. Cuando las gotas de agua golpean la superficie exterior de la lente, parte de los rayos infrarrojos escapan. El equipo detecta el cambio en la intensidad del haz y determina el tamaño de la gota de lluvia que provocó el cambio.

El sensor detecta la condición de la superficie de la lente, incluida la causada por la suciedad, los contaminantes, el envejecimiento y otros factores. Este equipo compensa adecuadamente estos factores, lo que hace que el dispositivo sea prácticamente inmune a los factores ambientales. Por otro lado, este tipo de sensor es inmune a los zarandeos y el movimiento, no hay superficies conductoras o capacitivas expuestas a la corrosión, ni aberturas para que aniden insectos ni para la acumulación de hojas u otros sedimentos.

El pluviómetro óptico tiene una salida digital NPN que nos informa si está lloviendo o no. La intensidad de esta nos la da por comunicaciones.

Instalación y ubicación del pluviómetro

Estando el pluviómetro debidamente instalado el volumen de agua que recoge debe representar con bastante precisión las precipitaciones caídas sobre la zona que lo rodea, pues la medición de la precipitación es particularmente sensible a la exposición del medidor.

Hay que poner especial cuidado en colocar el pluviómetro en un sitio alejado de los edificios y de los árboles que podrían formar pantalla, se debe elegir para la instalación del pluviómetro un lugar despejado, lejos de objetos altos, para que la precipitación pueda ser recibida sin interferencias ni remolinos, cuando por causa del viento, ésta llegue con alguna inclinación.

Una opción es elevar el pluviómetro del suelo a 1,5 m mínimo, con la finalidad de que el registro no se vea afectado por ninguna clase de obstáculo. Si esta cerca del suelo, este debería estar cubierto de hierba fina y no es recomendable el cemento pues puede ser alcanzada por posibles salpicaduras desde el suelo.

También es necesario elegir un lugar no demasiado expuesto al viento. Es conveniente que el lugar esté resguardado de las corrientes fuertes, dando buenos resultados los cercos por setos o empalizada adecuadamente montados alrededor del pluviómetro, con unos tres metros de diámetro, siendo recomendables que las pendientes exteriores del cerco sean suaves. En las explotaciones agrícolas los mejores emplazamientos suelen ser con frecuencia los claros de los huertos, entre los matorrales o arbustos, o en otros sitios en donde haya obstáculos bajos que actúen como eficaces barreras contra el viento de todas las direcciones

Siempre que sea posible se debe instalar el pluviómetro con su boca horizontal sobre un terreno nivelado y si existen objetos alrededor no deben estar a una distancia menor del instrumento de cuatro veces su propia altura.

La WMO ((World Meteorological Organization) recomienda que la distancia de la boca del pluviómetro a cualquier objeto que lo circunde debe ser el doble que la altura del objeto; dicho en otras palabras, el ángulo con el que se ve el objeto desde el pluviómetro será de unos 30º; si no hay más remedio se puede admitir que sea algo mayor, pero con un límite máximo de 45º.

Fig: Recomendación de distancias mínimas de objetos altos a la boca del pluviómetro →

En resumen:

      • La boca del pluviómetro debe estar a una altura de 1.50 metros desde el suelo.
      • Debe estar alejado de cualquier obstáculo (paredes, árboles, silos, etc) para que la entrada de la lluvia no se vea obstaculizada.
      • Se debe cuidar siempre que en el interior del pluviómetro no haya hojas secas u otros objetos que alteren la medición.
      • Cuando se coloque sobre un poste fijo, este no debe sobrepasar la altura de la boca del pluviómetro.
      • Debe resguardarse de los animales (y gente mal intencionada…) que puedan moverlo o dañarlo.

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