Desarrollo e implementación de una estación de medición enlazada a la Red Abierta de Detección y Localización de Rayos Blitzortung
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2022-11-09
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Descripción
Este trabajo de grado describe el proceso de construcción e implementación de un nodo (estación) del sistema de detección y localización de rayos perteneciente a la red abierta Blitzortung. Asimismo, se describe el proceso para estimar el porcentaje de detección de descargas nube-tierra del nodo. Para ello, se presenta una descripción básica para entender el funcionamiento de este tipo de redes, así como la teoría electromagnética detrás del proceso de ocurrencia del rayo, el concepto de return stroke y la manera en que sus componentes de campo eléctrico y magnético se propagan por diferentes medios.
Ya conocida la teoría, se realiza la identificación de los módulos que componen la estación implementada, la cual está basada en la detección de campo magnético. De esta forma, los elementos identificados coinciden con la estructura planteada por otras redes abiertas de detección y localización de rayos (LLD-ON) como la World Wide Lightning Location Network (WWLLN). Adicionalmente, durante el proceso de implementación se desarrollaron diversas pruebas experimentales para caracterizar el preamplificador y la tarjeta de adquisición. Lo anterior, es necesario para proponer el diseño y construcción de otros tipos de antenas de campo magnético diferentes a las antenas convencionales (típicas) de ferrita del tipo Mn-Zn, las cuales han sido las más utilizadas en la implementación de esta red pero que ya no se encuentran disponibles comercialmente, al menos no a través de sus administradores.
Tomando como base los resultados obtenidos en la etapa mencionada, se plantea la construcción de un par de antenas del tipo Ni-Zn con características similares a las antenas típicas. Asimismo, se propone la construcción de un par de antenas tipo Loop usando cable coaxial. Para ambos casos, se realiza una revisión documental para definir un modelo confiable que facilite su construcción. Posteriormente, sobre las antenas construidas se realizaron pruebas adicionales que evidenciaron una diferencia entre valores teóricos y experimentales por debajo del 5%. El diseño final de las antenas Ni-Zn, permite tener un ancho de banda de 27 kHz, conectadas a la electrónica, mientras para el caso de las antenas Loop, se obtuvo un ancho de banda por encima de 2 MHz.
Con las antenas construidas y caracterizadas, se procedió a determinar la eficiencia de la estación. No obstante, teniendo en cuenta que este tipo de estudios requiere de los datos de corriente provenientes del stroke detectado y la red Blitzortung no muestra esta información, se planteó una alternativa que se basa en evaluar la eficiencia del nodo de medición usando el porcentaje de detección (PD). Este porcentaje se estimó para una zona de influencia de 2000 km a la redonda, tomando como punto central la ubicación de la estación GISE3-UD, la cual está localizada en Bogotá, Colombia.
De acuerdo a los resultados obtenidos para los tres tipos de antenas (Mn-Zn, Ni-Zn, Loop) se obtuvo el mejor PD para las antenas Mn-Zn, manteniéndose por encima de un 70%. Por su parte, las antenas Ni-Zn resultan un reemplazo aceptable para las antenas típicas, exhibiendo un PD por encima del 35%. Finalmente, aunque la antena tipo Loop reportó valores de PD por debajo del 30%, muestra que su diseño se adapta mejor a la impedancia de entrada del preamplificador.
Resumen
This undergraduate final work describes the process of construction, implementation of a node (station) of the lightning location and detection system belonging to the open network, Blitzortung. In addition, the process to estimate the detection percentage of cloud-ground discharges of the node is described. For this, to understand the operation of this type of networks a basic description is presented, as well as the electromagnetic theory behind the lightning occurrence process, the concept of return stroke and the way in which its electric and magnetic field components propagate through different media.
Once the theory is known, the identification of the modules that conform the implemented station is carried out, which is based on the detection of the magnetic field. In this way, the identified elements coincide with the structure proposed by other lightning location and detection open networks (LLD-ON) such as the World-Wide Lightning Location Network (WWLLN). Furthermore, during the implementation process, several experimental tests were developed to characterize the preamplifier and the acquisition board. The foregoing is necessary to propose the design and construction of other types of magnetic field antennas different from conventional (typical) ferrite antennas from Mn-Zn type, which have been the most used in the implementation of this network but which they are no longer commercially available, at least not through their administrators.
Based on the results obtained in the previously stage, the construction of a Ni-Zn antennas with characteristics similar to those of typical antennas is proposed. Likewise, the construction of a single Loop-type antennas using coaxial cable is proposed. For both cases, a documentary review is carried out to define a reliable model that facilitates its construction. Subsequently, additional tests were carried out on the constructed antennas, which showed a difference between theoretical and experimental values below 5%. The final design of the Ni-Zn antennas provides a bandwidth of 27 kHz, connected to the electronic circuits, while for the case of the single-Loop antennas, a bandwidth above 2 MHz was obtained.
With the antennas built and characterized, the efficiency of the station was determined. However, considering that this type of study requires data from current of each detected stroke and the Blitzortung network does not show this information, an alternative was proposed based on evaluating the efficiency of the measuring node and the estimation using the percentage of detection (PD). This percentage was estimated for an area of influence of 2000 km around, taking as the central point the location of the GISE3-UD station, which is located in Bogotá, Colombia.
According to the results obtained for the three types of antennas (Mn-Zn, Ni-Zn, Loop) the best PD was obtained for the Mn-Zn antennas, staying above 70%. On the other hand, Ni-Zn antennas are an acceptable replacement for typical antennas, exhibiting a PD above 35%. Finally, although the single-Loop antenna reported PD values below 30%, it shows that its design is better suited to the input impedance of the preamplifier.
Palabras clave
Blitzortung, Amplificador, Antena, Ferrita, Campo magnético, Loop sencillo
Materias
Ingeniería Eléctrica -- Tesis y disertaciones académicas, Detección de rayos, Redes de detección de rayos, Campo magnético, Antenas de campo magnético