INFORME FINAL DE SERVICIO SOCIAL

DATOS GENERALES Y MATRICULA DEL PRESTADOR

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'Nombre: Mendoza Garca Artemi0 Matrcula: 89323119

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LUGAR Y PERIODO DE REALIZACIONLugar: Universidad Autnoma Metropolitana-Mapalapa Laboratorio de Geologa y Lmologa Edificio Alejandro Villalobos (AS-209) Periodo: J Del 20 de mayo de 1994 al 20 de mayo de 1996

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UNIDAD, DIVISION Y LICENCIATURAUnidad Mapalapa Divisin de Ciencias Bsicas e Ingeniera /Licenciatura en Ingeniera Electrnica

NOMBRE DEL PROYECTO

J Diseio y Construccin de un irradimetro sumergible.

NOMBRE DEL ASESORl B i i . - F e Profesor Titular "C" Tiempo Completo

Bid Roberto E Torres-Orozco B Profesor Titular C Tiempo Completo

Vo B . A S OR

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Vo Bo COORDINADOR DE L A LIC EN INGENIERIA ELECTRONEA M en C Miguel Angel Ruiz Snchez

PRESTAD$ DE SERVICIO SOCIALArtcmio Mendoza Garcia Matrcula 89323719

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uNIvERsyw)AuToNoMAMElRowuTANADlViSlON DE CIENCIAS BIOL6GICAS Y DE LA SALUDDEPARTAMENTO DE MDROWOLOQh

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

Dr. Luis M r y Tern e Dirrector de la Divisin de Ciencias Bbicas e Ingeniera UAM-Iztapalapa Presente

Por este conducto, me es grato informarle que el alumno: Artemio Mendoza Garca, con matrcula 89323779, de la Licenciatura en Ingeniera Electrnica, rea de concentracin en Comunicaciones, ha terminado satisfactoriamente su trabajo de Servicio Social intitulado: Diseo y Construccin de un Irradimetro Sumergible. Por lo anterior, le solicito atentamente conducir los trmites necesarios para su debido registro, ya que lo he revisado y estoy de acuerdo con su contenido. Agradeciendo de antemano su amable colaboracin, quedo de Usted

Atentamente

Profesor Titular "C", T.C. Lab. de Geologa y Lmologa Depto. de Hidrobiologia

Av. Mkhoodn y La Puibima, Col. Vlcentlna. Mxico 09340, D.F. Tel. 7244757. FAX (5)72447iib.-.e-mail

UNIDAD lZTAPALAPAriob@xanum.uam.mx

INTRODUCCIONLa luz es uno de los factores fisicos de mayor influencia en la estructura y comportamiento biolgico de los cuerpos de agua (Weyl, 1970; Wetzel, 1975; Owen, 1985). En los ambientes acuticos se denomina zona ftica a la porcin 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 fotosntesis requiere necesariamente de la luz, la zona ftica es la nica compatible con la vida vegetal acutica. As, las distintas poblaciones fitoplanctnicas se ubican en la columna de agua en profundidades donde las condiciones microambientales, incluida la iluminacin, son ptimas para s desarrollo. u El disco de Secchi permite conocer de manera aproximada la profundidad a la cual penetra la luz Sin embargo, esta estimacin 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 medicin altamente confiable con el disco de Seahi, sera 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 atenuacin total y difuso) con instrumentos adecuados (Tyler, 1968) Dado que el principal factor limitante para la fotosntesis es precisamente la luz, para comprender esta relacin es importante conocer los efectos de la intesidad luminosa (irradianza) sobre la tasa fotosinttica (Ryther, 1956; Yentsch y Ryther, 1957; Falkowski y Owens, 1978) Cuando se pretende evaluar la productividad primaria fitoplanctnica de un ambiente acutico es necesario estimar las tasas de produccin en distintos sitios de la zona ftica, ya que la velocidad de la fotosntesis vara ampliamente dentro de la parte iluminada de la columna de agua

..

Para estimar la profundidad de la zona ftica y elegir las profundidades donde conviene efectuar las determinaciones de productividad suele emplearse un factor emprico que se basa en multiplicar la profundidad del disco de Secchi por 2 7 Debido a la naturaleza emprica de este factor la estimacin de las condiciones de iluminacin en la columna de agua puede ser muy inexacta Lo ideal, por tanto, es contar con un instrumento que permita estimar con mayor precisin la cantidad de la luz incidente en la superficie que penetra hasta determinada profundidad, esto es, un irradimetro sumergible Para medir la iluminacin suele emplearse un fotmetro fotoelctrico con un receptor de luz conectado a un instrumento conveniente de medicin, 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 iluminacin que cualquier otro medidor de luzUn fotmetro fotoelctrico debe su precisin bsicamente a dos factores la alta relacin linear entre la cantidad de luz que entra y la comente elctrica que produce, y el uso de tcnicas precisas de medicin elctrica (Robmson, 1961y Jacobowitz, 1965)

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De manera general, el funcionamiento de un instrumento de tal naturaleza es el siguiente. las radiaciones pticas, rayos x, y algunas radiaciones corpusculares caen en un semiconductor (receptor de luz) de estado slido y son absorbidas. E proceso de l absorcin de energa produce cargas mviles o un cambio en la movilidad de los transportadores de Cargas en el semiconductor (Lion, 1975, Pierce, 1961y Boctor, 1987) Entre las celdas de importancia prctica en las regiones ultravioleta, visible e infiarrojo se encuentran las celdas fotoconductivas. Estas celdas tambin se conocen como celdas de fotoresistencia, en las que se encuentra algn material fotoconductor (como sulfur0 de cadmio (CdS) y selenuro de cadmio (CdSe) ) depositado en un sustrato de cermica. Cuando aumenta la intensidad de la iluminacin sobre el dispositivo, se incrementa tambin el estado de energa de un gran nmero de electrones en la estructura, debido al aumento de disponibilidad de los paquetes de fotones de energa. El resultado es un nmero mayor de electrones relativamente libres en la estructura y una disminucin de la resistencia terminal (Boylestad y Nashelsky, 1989 y Benedict, 1975) La fotocomente se incrementa gradualmente despus de que la iluminacin es aplicada y decae del mismo modo cuando la iluminacin es eliminada, esto depende del material del fotoconductor y del nivel de iluminacin Existen medidores muy simples, cuya ventaja radica principalmente que son porttiles y su uso es sencillo Sin embargo, el costo de un irradimetro 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.

OBJETIVOSGeneral

Apoyar las actividades de hvestigacibn que se r d i en el Laboratorio de Geologa y Limnologa del Departamento de Hidrobiologa. Especfico Disear y construir un irradimetro sumergible de bajo costo y con la capacidad de medir la luz en distintas profundidades de la columna de agua en trminos del porcentaje de la radiacin incidente en la superficie.

METODOLOGIA Y ACTIVIDADES REALIZADAS

E proyecto fue estructurado en varias etapas. Primero, en entrevista con los usuarios l

potenciales (profesores del laboratorio de Geologa y Limnologa) se dehieron las caractersticas del sistema: funcin, alcance, interface. Luego, con base en el anlisis de las especificaciones del instrumento se elabor un disello general. Posteriormente, definiendo cada una de las partes del sistema, se gener el diseiio detallado (explicado ms adelante).

A partir del diseo detallado se procedi a la construccin fisica del aparato. Terminada la construccin, una sene de pruebas determinaron la fiabilidad y eciencia del instrumento. Finalmente se elabor un Manual del Usuario a fin de asegurar el uso correcto del instrumento y facilitar su mantenimiento futuro.OBJETIVOS

Y METAS ALCANZADOS

Dicho instrumento es capaz de medir la luz en distintas profundidades de la columna de agua en trminos del porcentaje de la radiacin incidente en la superficie * Se logr que el instrumento fuera de un tamao adecuado para su translado (porttil) * Se verific la fiabilidad de las mediciones. * Se comprob la impermeabilidad del instrumento. * Se obtuvo la estabilidad necesaria para su funcionamiento gracias a la estructura que lo sostiene * Se consigui que la operacin del irradimetro fuera simple y sencilla.RESULTADOS Y CONCLUSIONES RESULTADOS

* Se contruy un irradimetro sumergible de bajo costo.*

La informacin correspondiente a esta seccin qued dividida en dos partes, la primera se refiere a las caractersticas tcnicas y de disello del aparato y la segunda a la sene de pruebas a l s que fue sometido. Como complemento del trabajo se presenta a tambin, a manera de anexo, un Manual del U u r o (ver anexo) que proporciona toda la sai informacin referente a funcionamiento, uso y mantenimiento del irradimetro.

Caractersticas tcnicas.El principio de operacin del irradimetro est basado en el cambio de resistencia elctrica 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 propsito es el siguiente:

Ik m

Enbada

ImL

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El sistema medidor de la intensidad luminosa fue interconstnido en un modelo comercial de multmetro analgico. Si bien esto redunda en un instrumento econmico, debido a lo mismo existen varias funciones en el selector que deben ser ignoradas, ya que se refieren a los controles originales del multmetro (vrg. VCA, VCD, MA, etc). Por la misma razn existen en el panel varias escalas que no deben ser tomadas en consideracin 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 emple UM fotoresistencia, la cual fu cubierta con una carcaza de acrilico transparente para aislarla del agua y p e d t u l e a la vez captar la radiacin luminosa. Para asegurar que la fotoresistencia este expuesta siempre a la l z el sensor est u, sostenido por dos aros que permiten movimiento lateral y frontal, adems 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 adems 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 mxima a la cual puede operar el aparato est determinada por la longitud del cable (originalmente de 15 metros, pero puede aumentarse por medio de futuras extensiones).

Operacin del instrumento La operacin del irradimetro 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.

escalas hasta x l .

2.- Calibrar a la luminosidad 1000/0. Para ello es n

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o mover el selector de

3.- Manipular el ajuste a cero para poner la w i l l a indicadora en la marca de 10 (0%. 10)

4.- En caso de que esto no sea posible, usar el conlrol de sensibilihi para ayudar al ajuste. Si an con este procedimiento no se logra el objetivo, significa que la escala no es la adecuada y ser necesario cambiarla a x10 o, si la luminosidad es todava insuficiente, a xlK y ser necesario repetir el paso 3 nuevamente. Aunque este procedimiento es un tanto emprico pues algunas escalas se traslapan, no es motivo de preocupaci6n debido a la naturaleza de la medicin, la cual es una comparacin entre dos puntos diferentes.5.- Despus de la calibracin, es posible tomar directamente las mediciones en las profundidades requeridas.

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

Pruebas Prueba de precisin. Con el propsito de conocer la precisin del prototipo se realiz una prueba que consisti en r e a l m lecturas de la intensidad de una misma fuente de luz, de manera simultnea y bajo condiciones idnticas, empleando el prototipo y un exposmetro de cmara fotogrfica 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 exposmetro va de 8 a 118,000 segundos (velocidad, tiempo de exposicin), 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 exposmetro11120 1160 1/30 1/15

Lectura irradimetro1 m4 ?0 52% 24% 11%

La comparacin entre ambas lecturas nos permite concluir que el irradimetro est funcionando adecuadamente y que sus mediciones son confiables. Prueba en medio acutico simulado. Para conocer el funcionamiento del irradimetro en el medio acutico, se llev a cabo una prueba preliminar, en la cual fu empleada una columna de agua artifical, para ello se utiliz una probeta (1It de capacidad, altura aproximadamente 40 cm) a la que se le adapt un recubrimiento para simular la prdida continua de la penetracin de la luz. Es claro que la profundidad es escasa y que la presin es casi nula, por lo que posteriormente se prob en un ambiente naturalZ probeta

(cm)7 14 21 28O

Lectura irradimetro100% 7004. 48% 30% 14%

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El comportdento del aparato construido durante la prueba fi del todo aceptable, no se observ ningn 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 acutico natural Esta prueba se realiz en un pequeo lago. Se efectuaron mediciones de iluminacin a las 1O:OO Hrs. nicamente en una localidad. Las lecturas fueron verificadas en dos ocasiones, los resultados se reportan a continuacin: Prof mxima Est.22.30

Radiacin incidente en superleie Prof. en cmO 10.5 20.5 30.5 40.5 50.5 60.5 70.5 80.5 90.5 106.5 %

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 irradimetro, cuyas lecturas se mantuvieron constantes al realizarse varias mediciones en el mismo punto. En este experimento tampoco se observ 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 irradimetro tenga estabilidad para poder mantener al sensor en posicin correcta, pues debido al movimiento continuo del agua (viento, comentes, etc.) si el sensor no tuviera peso suficiente estara en un constante juego. L a sombra es otro

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inconveniente, para ello se evita que no exista objeto aiguno sobre el irradimetro que pudiera modificar su lectura. La estructura que sostiene al sensor permite un mayor control sobre ambos problemas (consultar Manual de U u r o . sai) CONCLUSIONES la luz en distintas profundidades de la columna de agua en trminos del porcentaje de la radiacin incidente en la superficie. Debido a su pequeo volumen es ideal para ser empleado en campo y cumple con las caractersticas de estabilidad y confiabilidad necesarias para una buena medicin. Los cuidados a los cuales debe ser sujeto son mnimos por l que no se considera un instrumento frgil. o

E prototipo desarrollado se considera como un instrumento confiable para medir l

RECOMENDACIONESMantenimiento

ao para evitar derrames internos y mal funcionamiento originados por baja tensin. sobre sus partes metlicas.

*Esimportante remover la bateria y cambiarla por una nueva ai menos dos veces al *Es necesario secarlo cuidadosamente despus de cada uso para evitar el xido

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

* Disear el sistema de tal manera que fuera capaz de tener almacenar las lecturas que fuera realizando. * Adicionar un sensor para poder medir la temperatura simultaneamentede irradianza.

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

BEBLIOGRAF'IA BENEDICT, R. R, J.M. BERNAL y G. SANTIAGO. 1975. Electrnica para Cientficos e Ingeniemos. URMO.Espaa, 715 p. BOCTOR, S. 1987. Electric Circuit Analysis. Prentice-Hall. USA, 857 p BOYLESTAD, R. y NASHELSKY, L. 1989. Electrnica. Teora de Circuitos. Prentice-Hall Hispanoamericana.Mxico, 845 p. FALKOWSKI, P. y T. OWENS. 1978. Effects of Light Intensity on Photosynthesis and Dark Respiration in Six Species of Marine Phytoplankton. b h 'ne BiolQgy. Vol. 45: 289 - 295.

JACOBOWITZ, H. 1965. Electrnica Simplificada. Grupo Editorial Sayrols. Mxico, 206 p. LION, K. 1975. Elements of Electrical and Electronic Instrumentation. An Introductory Textbook. McGraw-Hill Kogakusha. Japn, 400 pp. MALAGON, B. 1990. Fotografia Bsica 1 Blanco y Negro. Universidad Autnoma . Metropolitana.Mxico, 93 p. OWEN, T. 1985. Handbook of Common Methods in Limnology. Kendalmunt. USA 199 pp. PiERCE, j: r: 1961, Electrones, Ondas y Mensajes. EUDEBA. Argentina, 316 p. RYTHER, J. 1956. Photosynthesis in the Ocean as a Function of Light Intensity. Limnoloav and Oceanowaohy. Vol. 1: 61 - 70. ROBINSON, V. 1976. Principios Bsicos de Electrnica. Trillas. Mxico, 357 p. TYLER, J. 1968. The Secchi Disc. Limnolopv and Oceano-aEfw.. 13 (1): 1- 6. WETZEL, R.1975. Limnology. W.B. Saunders. USA, 743 pp. WEYL, P. 1970. Oceanography. An Introduction to the Mmke Enviroment. John Wiley &Sons, Inc. USA, 535 pp. YENTSCH, C. y J. RYTHER. Short-Term Variations i Phytoplankton Chlorophyll n and Their Significance. Limnologygnd Oceanogaphy. 2(2):140 - 142.

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