MONITOREO DE VARIABLES CLIMATOLOGICAS

Instituto Tecnológico de Chihuahua
ELECTRO 2001
MONITOREO DE VARIABLES CLIMATOLOGICAS USANDO LabVIEW
LázaroCast
illoIsidroIgnacio,AnzurezM arinJuan,GasparValleCi
roJesús
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CiudadUniversitaria,M orelia,M ich.
,tel/fax(01 4)3279728
E-mail:ilazaro@ zeus.
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RESUMEN.Elpresentetrabajo muestraeldiseño
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1. INTRODUCCIÓN
En l
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ento de las variables físicas, tales
como: radiación solar gl
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embargo,en nuestro paísesta información aún es
escasa,o bien se conoce de manera puntual.Por
esta razón es necesario cont
ar con una estación
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219
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2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA
ESTACIÓN METEOROLÓGICA VIRTUAL
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st
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ación común como se muestra en la
figura1.
2.1. Monitoreo de variables físicas.
La primera etapa consiste de variossensorespara
elmonitoreo de las variables climatológicas tales
como: Radiación solar global, Temperatura,
Velocidad y Dirección del viento. Las señales
proveni
ent
es de l
os sensores son vol
t
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ent
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t
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aen proporci
ón
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2.1.1. Monitoreo de tem peratura.
Para realizar el monitoreo de la temperatura
ambi
ent
e,se uso elsensordenomi
nado LM 35,el
cual se muestra en la figura 2, cuyo rango de
operaci
ón es de –55ºC hast
a +150ºC, con
calibración directa para grados Celsius, una
respuest
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orl
inealde+10.
0mV/ºC y opera
conunaalimentacióndesde4hast
a30vol
t
s.
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Figura 1.- Diagrama de bloques general de la estación meteorológica
En la selección de la celda solar se realizaron
diversas pruebas para caracterizar su respuesta de
voltaje ante variaciones de radiación solar y el
efecto de la temperatura sobre ésta. Para dichas
pruebas se utilizó un medidor comercial de
radiación solar global, “Sol
ar Met
er Model776”,
como instrumento patrón (figura 3).
2.1.3.
Monitoreo de Dirección y Velocidad
de Viento.
Para determinar la Dirección y Velocidad del
Viento, se utilizaron los sensores de una Estación
Meteorológica Comercial (Weather Wizard II).
Este sensor es una veleta, la cual proporciona un
valor de voltaje de CD, dependiendo de la posición
de la misma, que va de 0 a 2.4 vcd para un rango
de 0º a 360º.
En lo que respecta a la velocidad de viento el
mismo sensor proporciona una señal cuadrada cuya
frecuencia varia de manera proporcional en función
de la velocidad de viento registrada a razón de 1Hz
por cada m/s.
La figuras 4 muestra los sensores empleados de
dicha estación (veleta y sensor de velocidad).
Figura 2.
-Sensor de Temperatura LM35
2.1.2. Monitoreo de Radiación Solar.
Para realizar la medición de la radiación solar se
utilizó una celda solar de placas de Silicio, (figura
3), con una corriente máxima de cortocircuito de
200mA y un voltaje máximo en terminales de
0.5Vcd. Dicha señal fue tratada directamente por la
siguiente etapa.
Figura 3.
-Celda Solar de Placas de Silicio y medidor de
radiación solar global.
Figura 4.Sensores de Velocidad y dirección de Viento.
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Figura 5.-Diagrama de bloques de la etapa de acondicionamiento de la velocidad de viento
2.2.
Acondicionamiento de señales.
La
segunda
etapa
consiste
en
un
acondicionamiento de la señal proveniente de los
sensores, el objetivo de ésta es dar a la señal el
formato adecuado para que la siguiente etapa pueda
realizar su función. En este caso no todos los
sensores tienen una etapa de acondicionamiento de
la señal, pues esta depende de las características
eléctricas del mismo.
En el caso del monitoreo de temperatura, el voltaje
de respuesta del sensor, es directamente
proporcional a la Temperatura que se encuentra
sensando, por lo que, solo se requiere realizar la
siguiente operación numérica:
°C = Lectura(mV) *100
Adicionalmente se compenso el efecto de Of
f
set.
La figura 6 muestra el diagrama de conexión de
este bloque.
El segundo bloque consiste de un restador
empleando un Amplificador Operacional (Amp
Op) LM741, cuyo propósito es eliminar la
componente de directa (4.44 Vcd) producida por el
sensor sobre la cual esta montada la señal cuadrada
generada por él; el circuito implementado se
muestra en la figura 7.
(2-1)
Lo cual se puede lograr fácilmente con software.
Por esta razón, la señal de salida de este sensor, no
requiere de un acondicionamiento previo para ser
monitoreado por medio de la Tarjeta de
Adquisición de Datos (DAQ).
En lo que se refiere al sensor de radiación solar la
señal puede ser directamente adquirida por una
DAQ.
En el caso del monitoreo de la velocidad de viento
su etapa de acondicionamiento, se muestra en
bloques en la figura 5.
El primer bloque consiste de un amplificador
operacional JFET (LF356H) utilizado como
acoplador de impedancias, con el fin de evitar el
efecto de carga del sensor [3].
Figura 7.-Circuito Restador.
El tercer bloque esta compuesto por un filtro
pasabajas de segundo orden tipo Chebyshev en
cascada con la etapa anterior, cuya finalidad es
eliminar ruidos de alta frecuencia, el filtro cuenta
con una frecuencia de corte de 60 Hz, y ganancia
de 1.95, a la salida de esta etapa los niveles de
voltaje no sobrepasan los ±2.4 v (valores pico de la
señal cuadrada), cuyo valor es suficiente para
permitir la operación de la siguiente etapa. En la
figura 8 se muestra el diagrama de conexión del
circuito mencionado
Figura 8.- Filtro Chebyshev de segundo orden.
Figura. 6.- Diagrama de conexión para acoplar la señal
del Sensor.
221
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El último bloque esta compuesto por un
convertidor de frecuencia a voltaje (LM2917N),
cuyo nivel de salida de CD es proporcional a la
frecuencia de la señal de entrada, los niveles
producidos por esta etapa están entre 8.2 mV (a
0Hz) y 4.82V (a 20Hz) y pueden ser leídos por la
siguiente etapa. La figura 9 muestra la etapa del
convertidor de F/V [4].
Tabla 1.- Caracterización de la veleta.
ORIENTACIÓN
Figura 9. Convertidor F/V
Finalmente, en lo que corresponde al
acondicionamiento de la señal para el monitoreo de
la dirección del viento, se realizó una
caracterización del sensor para determinar el rango
de voltaje producido por éste, correspondiente a un
punto cardinal señalado, los resultados de esta
prueba se muestran en la tabla 1. Esta información
permite determinar la dirección del viento con un
error de ±10°. El voltaje de salida del sensor es
adquirido a través de una tarjeta para el cual no fue
necesario efectuar algún acondicionamiento ya que
el programa será el encargado de procesar esta
información y con ello determinar la dirección del
viento.
2.3.
Adquisición de datos.
La etapa de adquisión de datos se realiza a través
de una tarjeta de adquisición de datos modelo PCLPM-16PNP de National Instruments, de 12 bits de
resolución, velocidad de 50 K muestras por
segundo y 16 canales de entrada analógicos, de los
cuales se emplean 4. Los rangos de voltaje de
entrada analógica con los que cuenta la tarjeta son:
0 a10 Volts, ±5 Volts, 0 a 5 Volts, y ±2.5 Volts. En
este caso, se utilizan las entradas analógicas en
modo referenciado de ±5 Volts. [5, 6].
Las variables climatológicas se monitorean a través
de los cuatro primeros canales de la DAQ, como se
indica en la tabla 2.
Tabla 2.- Canales empleados en la DAQ.
SENSOR
Velocidad de viento
Dirección de viento
Temperatura
Radiación solar
CANAL
ACH0
ACH1
ACH2
ACH3
VOLTS
GRADOS
Vmin
Vmax
0º
2,43
0,02
10º
0,03
0,09
20º
0,1
0,16
30º
0,17
0,23
40º
0,24
0,3
50º
0,31
0,36
60º
0,37
0,43
70º
0,44
0,5
80º
0,51
0,57
90º
0,58
0,64
100º
0,65
0,7
110º
0,71
0,77
120º
0,78
0,84
130º
0,85
0,91
140º
0,92
0,98
150º
0,99
1,05
160º
1,06
1,11
170º
1,12
1,19
180º
1,2
1,26
190º
1,27
1,33
200º
1,34
1,4
210º
1,41
1,47
220º
1,48
1,54
230º
1,55
1,61
240º
1,62
1,68
250º
1,69
1,74
260º
1,75
1,81
270º
1,82
1,88
280º
1,89
1,94
290º
1,95
2,01
300º
2,02
2,08
310º
2,09
2,15
320º
2,16
2,22
330º
2,23
2,29
340º
2,3
2,35
350º
2,35
2,42
360º
2,43
0,02
2.4.
Descripción del Programa.
Para llevar acabo el análisis y visualización de las
variables climatológicas se utiliza el lenguaje de
programación
gráfico
proporcionado
por
LabVIEW, el cual facilita estas tareas y permite
#ENTRADA
3
5
7
9
222
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ELECTRO 2001
Figura 10.- Panel Frontal Principal de la Estación Meteorológica Virtual
desarrollar interfaces gráficas amigables para el
usuario. La filosofía de programación del lenguaje
gráfico, toma como base la estructura de un
instrumento tradicional, el cual cuenta con un
“panel frontal” (controles, botones e interruptores)
para configurar el proceso de medición e
indicadores para desplegar el valor medido; detrás
del panel frontal tiene componentes electrónicos
que desarrollan la función del instrumento, tales
como la conversión de una cantidad física en una
señal eléctrica para posteriormente convertirlo a un
valor numérico.
Un Instrumento Virtual (VI) es un programa
diseñado, en LabVIEW en este caso, para que
tenga las mismas características de un instrumento
tradicional. En particular, un VI tiene un “panel
frontal” desplegado en la pantalla de la
computadora y este opera mediante el teclado o el
mouse; el programa o código fuente, representa el
ensamble de componentes electrónicos que
desarrollan la función del VI; en LabVIEW es
llamado “Diagrama de Bloques”. El cual se
construye uniendo bloques (funciones) mediante
líneas que llevan el flujo de datos [5, 7].
El programa diseñado para la Estación
Meteorológica Virtual tiene las siguiente
características:
•
•
Registro de mediciones.
Selección del periodo de muestreo de los datos
a adquirir.
El panel frontal principal diseñado para la Estación
Meteorológica Virtual, se muestra en la figura 10.
Dicho panel proporciona una interfase gráfica
amigable para el usuario en el cual se muestran los
resultados del monitoreo en tiempo real de las
variables climatológicas en forma gráfica y
numérica para la incidencia solar, temperatura y
velocidad de viento; y numérica exclusivamente
para la dirección de viento. Adicionalmente cuenta
con un control de tipo deslizable para personalizar
el intervalo de tiempo en el cual se desea presentar
la adquisición de datos de manera gráfica.
Finalmente se incluye un desplegado numérico que
indica la fecha y hora de la adquisición de datos.
La Figura 11 muestra el diagrama de bloques del
panel principal que corresponde al código fuente
del dicho panel en donde se observa que el
programa empleada una estructura
llamada
secuencia para realizar las tareas de monitoreo y
visualización de las variables climatológicas , cada
una de ellas implementada mediante una función
identificada con un SubVI (“Subinstrumento
Virtual”), la segunda secuencia no mostrada
corresponde a la velocidad de viento. Cada SubVI
contiene un diagrama de bloques correspondiente a
su implementación.
•
•
Proporcionar una interfase amigable al usuario
para mostrar en tiempo real la evolución de las
variables físicas monitoreadas.
Muestra gráficamente la evolución de las
variables radiación global, temperatura,
velocidad y dirección de viento.
223
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Figura 11.- Monitoreo de variables climatológicas.
4. CONCLUSIONES.
En este artículo se ha presentado el diseño de una
Estación Meteorológica Virtual que permite
registrar las variables climatológicas tales como
Radiación Solar Global, Temperatura, Velocidad
y Dirección de Viento. La interfase gráfica
desarrollada permite mostrar el monitoreo de las
variables mencionadas de una manera amigable a
través de gráficas y desplegados numéricos.
Proporcionar un registro de las mediciones,
seleccionar un intervalo de tiempo para observar
el comportamiento de las variables monitoreadas.
El Software desarrollado es completamente
modular y portable lo cual permite incorporar el
monitoreo de nuevas variables físicas tales como
Humedad, Presión atmosférica, etc.
La utilización de la Estación permite cuantificar el
recurso solar o el potencial eólico de alguna
región específica impulsando con ello el uso de
fuentes alternas de energía.
3. PRUEBAS Y RESULTADOS.
Para validar los resultados obtenidos a través de la
estación meteorológica virtual se efectuó una
comparación de los datos monitoreados
empleando una estación meteorológica comercial
(Weather Wizard II) la cual proporciona un
registro numérico de las variables temperatura,
velocidad y dirección de viento, en lo que
corresponde a la incidencia solar la validación se
realizó usando un medidor portátil (“Solar Meter
Model 776”) los resultados de dicha comparación
permiten considerar que los resultados obtenidos a
través de la estación mencionada son confiables.
La figura 10 muestra los resultados obtenidos en
una prueba realizada el día 4 de Julio del 2001 a la
1:26 pm, en la cual se observa la evolución de las
variables incidencia solar, temperatura del
ambiente y velocidad del viento, en este momento
se registró una temperatura de 32.3°C, una
velocidad de viento de 5.29 m/s y una dirección de
250° que corresponde al Nor-noroeste, de acuerdo
a la convención establecida en la Rosa de Vientos.
Cabe señalar que a pesar de las pruebas se
efectuaron utilizando una computadora de
escritorio estas mismas se pueden realizar
utilizando una computadora portátil con su
respectiva tarjeta de adquisición de datos sin tener
que realizar cambios en el software y hardware de
la estación desarrollada, únicamente se requiere
alimentar los circuitos a través de baterías, el
tiempo de monitoreo de las variables están en
función de la batería de la computadora portátil.
Esto permite efectuar pruebas de campo con el fin
de cuantificar el recurso solar o el potencial eólico
de alguna región específica, en la cual no se
cuente con un registro de datos.
5. REFERENCIAS.
[1] Borja D R.. M, González G. R., “Necesidades de
Investigación en el campo de la Generación Eólica”,
Memoria de la XXIII Semana Nacional de la Energía
Solar, pp. 487-492, 1999.
[2] J. J. Carr, “Sensors and Circuits”, Prentice Hall,
1993.
[3] H.M. Berlin, “Fundamentals of Operational
Amplifiers”, Maxwell Macmillan International Editions,
1992.
[4] P.H. Garrett, “Advanced Instrumentation and
Computer I/
O Design”, IEEE Press, 1994.
[5] G.W.
Johnson,
“LabVIEW
Graphical
Programing”, McGRAW Hill, 1997
[6] National Instrument, “User Manual DAQ PCLPM-16/PnP”, 1996.
[7] National
Instrument,
LabVIEW 5.1”, 1998.
224
“User
Manual