MONITOREO DE VARIABLES CLIMATOLOGICAS USANDO LabVIEW

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1 MONITOREO DE VARIABLES CLIMATOLOGICAS USANDO LabVIEW Lázaro Castilo Isidro Ignacio, Anzurez M arin Juan, Gaspar Vale Ciro Jesús Universidad M ichoacana de San Nicolás de Hidalgo Facultad de Ingeniería Eléctrica, División de Estudios de Posgrado Ciudad Universitaria, M orelia, M ich., tel/fax (01 4) ilazaro@ zeus.ccu.umich.mx RESUMEN.El presente trabajo muestra el diseño e implementación de una estación meteorológica usando instrumentación virtual, que permita monitorear variables físicas tales como: radiación solar, temperatura, velocidad y dirección de viento. El instrumento virtual sensa las variables a través de una tarjeta de adquisición de datos para posteriormente ser analizadas y visualizadas en una computadora personal, el lenguaje de programación empleado para realizar estas tareas es LabVIEW, el cual proporciona una interfase gráfica amigable que permite tener una Estación M eteorológica Virtual con capacidad para mostrar en tiempo real la evolución de las variables monitoreadas, proporcionar un registro de las mediciones, seleccionar el periodo de muestreo de los datos a adquirir, permitiendo cuantificar el recurso solar o el potencial eólico de alguna región específica y con elo impulsar el uso de fuentes alternas de energía. 1. INTRODUCCIÓN En los últimos años la instrumentación ha evolución de manera significativa, lo que ha permitido obtener un registro de variables más completo y eficiente, a través del uso de la instrumentación virtual basado en computadoras personales, cuyo campo de aplicación no se ha limitado tan sólo al área del monitoreo y control de procesos, sino que también está siendo aplicado en el registro de variables físicas en general. En este sentido la utilización eficiente de fuentes alternas de energía requieren el conocimiento del recurso disponible, en el caso de la energía solar es indispensable contar con registros del comportamiento de las variables físicas, tales como: radiación solar global, temperatura, dirección y velocidad de viento entre otras. Sin embargo, en nuestro país esta información aún es escasa, o bien se conoce de manera puntual. Por esta razón es necesario contar con una estación meteorológica que permita monitorear dichas variables de manera eficiente y pueda ser portátil, para registrar el recurso en cualquier localidad [1]. Por otra parte esta información es de utilidad para permitir optimizar y/o evaluar los diseños de secadores solares, colectores solares, sistemas fotovoltaicos, sistemas híbridos solar-eólico, etc. 2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA VIRTUAL La mayor parte de los sistemas de instrumentación, constan de varios componentes para realizar una medición y registrar los resultados. Por lo general son tres los elementos principales, un dispositivo de entrada, un acondicionador de señal o de procesamiento y un dispositivo de salida. El dispositivo de entrada recibe la variable física a medir y envía una señal eléctrica proporcional al dispositivo de salida, aquí se amplifica, se filtra o se modifica en un formato adecuado. Este puede ser un medidor simple o una computadora digital para la manipulación de los datos. La estación meteorológica desarrolada cuenta con los mismos elementos de un sistema de instrumentación común como se muestra en la figura Monitoreo de variables físicas. La primera etapa consiste de varios sensores para el monitoreo de las variables climatológicas tales como: Radiación solar global, Temperatura, Velocidad y Dirección del viento. Las señales provenientes de los sensores son voltajes de corriente directa, excepto la señal proporcionada por el sensor de Velocidad de viento, la cual es un tren de pulsos cuya frecuencia varia en proporción a dicha velocidad [2] Monitoreo de tem peratura. Para realizar el monitoreo de la temperatura ambiente, se uso el sensor denominado LM 35, el cual se muestra en la figura 2, cuyo rango de operación es de 55ºC hasta +150ºC, con calibración directa para grados Celsius, una respuesta de factor lineal de +10.0mV/ ºC y opera con una alimentación desde 4 hasta 30volts. 219

2 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, Solar Meter Model776, como instrumento patrón (figura 3). Figura 2.-Sensor de Temperatura LM 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 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 3.-Celda Solar de Placas de Silicio y medidor de radiación solar global. Figura 4.Sensores de Velocidad y dirección de Viento. 220

3 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: Adicionalmente se compenso el efecto de O fset. 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. C = Lectura(mV) *100 (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. 6.- Diagrama de conexión para acoplar la señal del Sensor. Figura 8.- Filtro Chebyshev de segundo orden. 221

4 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]. 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 Adquisición de datos. La etapa de adquisión de datos se realiza a través de una tarjeta de adquisición de datos modelo PC- LPM-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 CANAL #ENTRADA Velocidad de viento ACH0 3 Dirección de viento ACH1 5 Temperatura ACH2 7 Radiación solar ACH3 9 Tabla 1.- Caracterización de la veleta. ORIENTACIÓN 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, 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 222

5 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: 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. 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. 223

6 Figura 11.- Monitoreo de variables climatológicas. 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. 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. 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 , [2] J. J. Carr, Sensors and Circuits, Prentice Hall, [3] H.M. Berlin, Fundamentals of Operational Amplifiers, Maxwell Macmillan International Editions, [4] P.H. Garrett, Advanced Instrumentation and Computer I/O Design, IEEE Press, [5] G.W. Johnson, LabVIEW Graphical Programing, McGRAW Hill, 1997 [6] National Instrument, User Manual DAQ PC- LPM-16/PnP, [7] National Instrument, User Manual LabVIEW 5.1,