Monitoreo Metereologico Con Labview

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Instituto Tecnológico de Chihuahua ELECTRO 2001

219

MONITOREO DE VARIABLES CLIMATOLOGICAS USANDO LabVIEW

Lázaro Castillo Isidro Ignacio, Anzurez Marin Juan, Gaspar Valle Ciro Jesús

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

Facultad de Ingeniería Eléctrica, División de Estudios de Posgrado

Ciudad Universitaria, Morelia, Mich., tel/fax (01 4) 327 97 28E-mail: [email protected]

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 interfasegráfica amigable que permite tener una Estación

Meteorológica 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 ello impulsar el uso de fuentes

alternas de energía.

1. INTRODUCCIÓNEn 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. Sinembargo, 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 LAESTACIÓN METEOROLÓGICA VIRTUALLa 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 desarrollada cuenta con

los mismos elementos de un sistema de

instrumentación común como se muestra en la

figura 1.

2.1. 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].

2.1.1. Monitoreo de temperatura.Para realizar el monitoreo de la temperatura

ambiente, se uso el sensor denominado LM35, el

cual se muestra en la figura 2, cuyo rango deoperación 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 30 volts.

mailto:[email protected]

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Figura 1.- Diagrama de bloques general de la estación meteorológica

Figura 2.- Sensor de Temperatura LM35

2.1.2. Monitoreo de Radiación Solar.

Para realizar la medición de la radiación solar seutilizó 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.

En la selección de la celda solar se realizaron

diversas pruebas para caracterizar su respuesta de

voltaje ante variaciones de radiación solar y elefecto de la temperatura sobre ésta. Para dichas

pruebas se utilizó un medidor comercial de

radiación solar global, “Solar Meter Model 776 ”,

como instrumento patrón (figura 3).

2.1.3. Monitoreo de Dirección y Velocidadde 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 rangode 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 4. Sensores de Velocidad y dirección de Viento.




221

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 característicaseléctricas 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:

100*)(mV LecturaC =° (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 deAdquisición 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. 6.- Diagrama de conexión para acoplar la señal

del Sensor.

Adicionalmente se compenso el efecto de Offset .

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 cuadradagenerada por él; el circuito implementado se

muestra en la figura 7.

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.




222

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 lasiguiente 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.

2.3. 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 seindica en la tabla 2.

Tabla 2.- Canales empleados en la DAQ.

SENSOR CANAL #ENTRADAVelocidad 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 1,61240º 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




223

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 programadiseñado, 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 siguientecaracterísticas:

• 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 mostradacorresponde a la velocidad de viento. Cada SubVI

contiene un diagrama de bloques correspondiente a

su implementación.




224

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 monitoreadosempleando 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 delambiente 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, eltiempo 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 comoRadiación 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 elrecurso 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 EnergíaSolar, 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 PC-

LPM-16/PnP ”, 1996.

[7] National Instrument, “User Manual

LabVIEW 5.1”, 1998.

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