viernes, 5 de agosto de 2011

TRANSMISÓMETROS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El transmisómetro mide directamente la transmitancia atmosférica entre dos puntos del espacio. Podría decirse, en otras palabras, que evalúa el coeficiente medio de extinción, incluyendo tanto los factores de dispersión como los de absorción, y proporciona un método fiable de evaluar la extinción sin tener en cuenta el estado atmosférico que produce la visibilidad reducida, por ejemplo, niebla, lluvia, nieve, polvo, etc.

En la Figura 7-1 se ilustran en forma de diagrama las dos formas de transmisómetros más comúnmente empleadas. Ambas formas consisten esencialmente en que el transmisómetro dirija un haz de luz hacia un fotodetector de un dispositivo receptor. En una de las configuraciones, a veces denominada transmisómetro de "extremo doble" [véase la Figura 7-1 a)], el haz de luz se dirige directamente al receptor. La distancia que recorre la luz desde el transmisor hasta el receptor se denomina ordinariamente "línea de base". En la segunda configuración, se combinan el transmisor y el receptor en un solo dispositivo, devolviéndose el haz transmitido mediante un retrorreflector; por consiguiente, la longitud efectiva (línea de base) del haz luminoso recorre dos veces la distancia entre el haz inicial y el dispositivo que aloja al reflector. El transmisor se conoce como "reflectante", de "línea de base doblada" o de "extremo único". Se separa el haz reflejado en el transmisor/receptor del haz transmitido [p. ej., mediante un separador del haz según se indica de forma esquemática en la Figura 7-1 b)]. En algunos sistemas de transmisómetro se permite el funcionamiento de doble línea de base, es decir están equipados de un transmisor y de dos receptores.

Al considerar las opciones de transmisómetro para un sistema RVR, es necesario decidir en primer lugar acerca de los valores del RVR que hayan de evaluarse, puesto que esto determina las longitudes óptimas de la línea de base del transmisómetro. Por ejemplo, considérese la gama total de valores del RVR desde 50 m hasta 2 000 m. Las mediciones extremas de MOR se presentan al observar luces (ley de Allard) de noche para un RVR = 50 m y para observar objetos (ley de Koschmieder) durante el día con un RVR = 2000 m. Si se supone una intensidad de las luces de pista de 10 000 cd y un valor -6
nocturno de ET de 10 lx, entonces según la ley de Allard, el RVR = 50 m ocurrirá para MOR = 9,87 m. De conformidad con la ley de Koschmieder, el RVR es igual al MOR.
Por consiguiente, un transmisómetro en la gama total de valores del RVR debe medir el MOR desde 9,87 m hasta 2 000 m. A continuación se describen los factores que han de tenerse en cuenta respecto a las longitudes de la línea de base:

a) El transmisómetro tiene una relación no lineal entre transmitancia y RVR. Cuanto más corta sea la longitud de la línea de base, mayor será la precisión requerida en la medición de la transmitancia respecto a cualquier precisión exigida del RVR. Para líneas de base muy cortas, solamente se utilizan los pocos valores superiores de porcentaje de la distancia de transmitancia al evaluar el RVR y, por consiguiente, son muy estrictos los requisitos de linearidad y de precisión.

b) A medida que se incrementa la longitud de la línea de base del transmisómetro aumenta el valor mínimo del RVR que pueda evaluarse. En general, no pueden utilizarse transmisómetros para la evaluación de valores del RVR inferiores a la longitud de la línea de base del transmisómetro, puesto que la transmitancia desciende a valores muy bajos a medida que el RVR se aproxima a la longitud de la línea de base.

c) Para cualquier gama dada de valores del RVR, la gama dinámica a la que los transmisómetros deben funcionar aumenta al incrementarse la longitud de la línea de base. Un aumento de la gama dinámica puede ser logrado aumentando la intensidad luminosa del transmisómetro o la sensibilidad del receptor o utilizando sistemas de línea de base doble.

El umbral de ruido del transmisómetro influye de modo importante en la opción de la longitud de la línea de base. Todos los transmisómetros generan ruido eléctrico y esto limita la transmitancia mínima que pueda medirse. Este ruido se debe en primer lugar a la desviación de la luz dentro del transmisómetro. En algunos sistemas actuales se procura superar este defecto midiendo la salida de ruido y sustrayéndola en el cálculo del RVR. Puesto que este nivel de ruido no es constante, esta práctica puede conducir a errores a menos que se realice frecuentemente una calibración del ruido. La transmitancia mínima puede estar relacionada con la longitud máxima de la línea de base.


Puesto que para atender a la gama total de valores del RVR (MOR desde 10 m a 2 000 m) se
requiere una elevada resolución y estabilidad, se utilizan en muchos Estados dos instrumentos o un instrumento de línea de base doble para atender a valores del RVR desde 50 m hasta 2 000 m. El requisito de un solo transmisómetro para toda la gama de valores del RVR puede expresarse mediante la resolución requerida del convertidor A/D utilizado para medir la señal luminosa transmitida. Se requiere una elevada resolución en el extremo superior del RVR para la resolución de pequeñas modificaciones de la transmitancia y en el extremo inferior del RVR para detectar una pequeña fracción de la luz recibida respecto a la recibida para una transmitancia del 100%.
En la Figura 7-2 se muestra la forma en que estos dos requisitos dependen de la línea de base seleccionada para el transmisómetro, suponiéndose que una precisión del RVR del 10% corresponde a la resolución de un bit.

La línea de base óptima es aproximadamente de 17 m y el convertidor A/D debe tener por lo menos una resolución de 8 bits. Un instrumento práctico tendría una resolución más elevada (p. ej., de 10 bits o más) de forma que la resolución del convertidor A/D no es la fuente predominante de errores en la mayoría de los sistemas que se están utilizando.

Solamente existen unas pocas fuentes de error inherentes al transmisómetro:

a) Puesto que el objetivo de obtener el valor del RVR es estimar la visión humana, puede llegarse a errores cuando la respuesta de longitud de onda del instrumento es distinta a la de la visión humana. Ocurrirían solamente errores importantes respecto a fenómenos meteorológicos que tengan una variación significativa del
MOR en función de la longitud de onda (p. ej., calima, véase la Tabla 4-1).

b) El instrumento determina la transmisividad suponiéndose que la señal del receptor representa la intensidad luminosa inicial menos la luz del haz absorbida o dispersada. Esta suposición no es válida cuando la luz está también dispersada hacia el receptor por dispersión frontal procedente del fenómeno meteorológico. Esta fuente de error puede disminuirse hasta un valor insignificante si el haz del transmisor y el campo de vista del receptor son suficientemente estrechos (véase 7.2.3).

c) En el caso de líneas de base cortas, la longitud exacta de la línea de base puede estar sujeta a incertidumbres con lo que se introducen errores de medición. El sistema óptico del transmisor está normalmente cubierto por una capota para impedir la contaminación de la ventanilla. Ordinariamente se define la línea de base como la distancia desde extremo de capota a extremo de capota y se supone que los fenómenos meteorológicos no penetran en las capotas. Esta hipótesis puede no ser válida en todas las condiciones meteorológicas, tales como niebla, neblina, etc., que pueden penetrar en la estructura de la capota. Por otro lado, en muchos instrumentos se utilizan sopladores para proteger su sistema óptico de la contaminación y para impedir que las condiciones meteorológicas penetren en la capota. Desafortunadamente, en condiciones de viento ligero, tales sopladores pueden dejar libre parte del trayecto delante de la capota y hacer que la línea de base real sea más corta que la línea de base nominal.

La recopilación de la luz de dispersión frontal por parte del receptor del transmisómetro lleva a un error de medición que se expresa de forma conveniente como error fraccionario del coeficiente de extinción (inferior al verdadero coeficiente de extinción). El error fraccionario aumenta con el radio de las partículas dispersas pero puede ser considerado como independiente de la línea de base. En el caso de partículas de dimensión muy superior a la longitud de onda de la luz, el error es aproximadamente proporcional al radio de las partículas y a la anchura angular del receptor. En el caso de una partícula de 10 (es decir, el radio máximo de partículas ordinario en las nieblas) y con una longitud de onda de 0,55- (máximo de respuesta de la visión humana), el error será inferior al 5% si el semiángulo del receptor es inferior a 0,001 radianes.

La luz de fondo se sumará a la luz original que llega al receptor y para evitar los errores consiguientes, es normal modular la fuente luminosa del transmisómetro o, de otra forma, eliminar la luz de fondo no deseada. A pesar de estas precauciones, la linearidad del fotodetector puede todavía influir mediante iluminaciones ambientales muy elevadas tales como la luz del sol directa o reflejada en un espejo que producirán errores de medición. Para impedir que la luz directa del sol llegue al fotodetector del receptor es práctica común inclinar el transmisómetro hacia abajo de forma que el eje del haz de medición descienda unos 0,5°, respecto a la horizontal.


CARACTERÍSTICAS DEL INSTRUMENTO

Se dispone en el comercio de numerosas clases de transmisómetros. Se utilizan diversas fuentes luminosas, incluidas las lámparas de filamento de tungsteno, los tubos de descarga de impulsos xenon, las lámparas halógenas de tungsteno moduladas, y los diodos emisores de luz (LED) de amplitud modulada.

En algunos transmisómetros hay poca pérdida de luz y el haz puede ser de baja intensidad; en otros puede utilizarse un haz de elevada intensidad que es también ancho y, por consiguiente, puede ser visible externamente. En este caso puede ser necesario dirigir la línea de base a un ángulo hacia afuera de la dirección de la luz de forma que esta luz no deslumbre a los pilotos.

Para evitar los errores de dispersión frontal, el transmisor y el receptor deben tener haces estrechos alineados en un eje común. El uso de ángulos de haz estrecho y la consiguiente necesidad de una fina alineación óptica obligan a que los equipos sean mecánicamente rígidos y estén montados en cimientos firmes, puesto que pequeños cambios de alineación pueden llevar a grandes cambios en la salida del receptor. Los cambios debidos a una alineación errónea pueden ser erróneamente interpretados como variaciones de las condiciones atmosféricas. A veces el campo de visión del receptor es exactamente de la amplitud suficiente para observar por completo al transmisor.

En algunos casos los requisitos de anchura de haz y de alineación hacen que no sea práctico lograr las funciones de línea de base doble (una larga y la otra corta) utilizándose un solo transmisor con dos receptores independientes. En primer lugar, el transmisor no puede dirigirse simultáneamente a ambos receptores. En segundo lugar, aunque el diámetro del transmisor sea lo suficientemente estrecho para eliminar los errores de dispersión frontal respecto a una línea de base larga, el receptor con línea de base corta tendrá que funcionar con un campo de visión mucho más amplio para observar por completo al transmisor y, por consiguiente, habrá de recopilar más de la luz de dispersión frontal. Sin embargo, pueden superarse estos problemas si el transmisor emite dos haces separados.

Un factor que debe tenerse en cuenta al trabajar con transmisómetros es el de la contaminación de las superficies ópticas. Este efecto puede reducirse a un mínimo mediante capotas y soplado de aire. Sin embargo, es importante asegurarse de que las capotas y los sistemas de circulación de aire no interfieren en el trayecto de medición. En los sistemas en los que pueda determinarse con precisión el índice de contaminación, podría aplicarse una compensación respecto a tal contaminación.

La alta precisión general requerida en los transmisómetros exige que la fuente luminosa sea de intensidad constante o es preciso supervisar la intensidad luminosa y corregir la medición respecto a cualquier variación de la intensidad. Además, el transmisómetro, a título de sistema, debería contar con medios de calibración y deberían preverse los ajustes automáticos para derivas a largo y a corto plazo.

A continuación se resumen las ventajas e inconvenientes del transmisómetro. Entre las ventajas pueden citarse:

a) El instrumento es de calibración automática. En un día despejado puede convalidarse la calibración independientemente para cada instrumento.
b) Se miden correctamente los efectos de absorción.
c) La precisión de la medición no depende de los fenómenos meteorológicos que hacen disminuir la visibilidad.

Entre los inconvenientes pueden citarse:

a) Para preservar la alineación, el instrumento debe estar firmemente instalado en tierra. Puede constituir un reto la frangibilidad del instrumento, particularmente si la medición se realiza a bastante altura sobre el suelo. Puede ser difícil mantener la alineación en lugares con suelo inestable (p. ej., tundra, montones de escarcha).
b) Es técnicamente difícil cubrir la gama completa de valores del RVR desde 50 m hasta 2 000 m con un solo instrumento.
c) Las mediciones del transmisómetro son particularmente sensibles a errores ocasionados por la contaminación de la ventanilla, especialmente en la gama superior de transmisibilidad.
d) No debe calibrarse nuevamente el transmisómetro en condiciones de escasa visibilidad.

La gama de transmitancia del transmisómetro es de O a 1, el valor O (cero) corresponde a visibilidad nula y el valor 1 (unidad) de la escala completa corresponde a visibilidad infinita. Existen varias maneras de establecer estos puntos extremos y aunque se sale del alcance de este manual la descripción completa de los mismos, en los párrafos siguientes se presenta brevemente un esbozo de los principales métodos aplicados. Inicialmente puede establecerse la linearidad de los transmisómetros mediante la calibración a base de filtros de referencia.

Básicamente, el punto cero se determina oscureciendo la luz proveniente del receptor. La calibración de la escala total se determina por comparación directa con la distancia a la que un observador puede alcanzar a ver determinados objetos y luces de intensidad conocida. La calibración solamente debe efectuarse en condiciones de elevada visibilidad, preferiblemente con visibilidades superiores a 1O km y en ningún caso inferiores a 5 km. La distancia de observación debe ser tan cerca como sea posible del MOR, puesto que habitualmente se utiliza el MOR para la conversión a fin de obtener la transmitancia. En caso de que se hayan utilizado luces para la evaluación, debe efectuarse la conversión a un valor del MOR.

Si se dispone en el emplazamiento de otros instrumentos bien calibrados, estos pueden utilizarse
para obtener el valor del MOR de referencia. Puede convertirse el MOR así determinado para obtener la transmitancia y se ajusta la calibración en consecuencia. Puesto que las pérdidas por trayecto atmosférico quizá no sean homogéneas, pudiera existir una correspondencia deficiente entre las pérdidas a lo largo del paso de la luz transmitida y el valor del MOR de referencia. Por consiguiente, esta técnica de calibración debe aplicarse con precaución.

Fuente: DOC 9328 OACI

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