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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN
METEOROLÓGICA PORTÁTIL PARA EL INSTITUTO
NACIONAL DE EFICIENCIA ENERGÉTICA Y ENERGÍA
RENOVABLE.
MARCELO JAVIER MOYA CAJAS
DIRECTOR: ING. GONZALO EFRAÍN GUERRÓN LÓPEZ. MSc.
Quito, Noviembre 2014
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2014
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo MARCELO JAVIER MOYA CAJAS, declaro que el trabajo aquí descrito
es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado
o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
Marcelo Javier Moya Cajas
C.I. 1721871307.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e
Implementación de una Estación Meteorológica Portátil para el
Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energía Renovable”, que,
para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por
Marcelo Javier Moya Cajas, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad
de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por
el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Ing. Gonzalo Guerrón López. MSc.
DIRECTOR DEL TRABAJO
C.I. 0401241245.
DEDICATORIA
A ti Padre Santo que has estado conmigo a cada momento y a la Santísima
Virgen por haber escuchado las plegarias de mi madre les debo mi vida y a
cambio les entrego mi esfuerzo y alegría.
A las personas más importantes de mi vida que siempre estuvieron presentes
mi Mama, Papa y Abuelita Anita les dedico este trabajo para que siempre
recuerden el esfuerzo de nuestra familia y sientan orgullo de lo que somos.
A mi hermana mi princesa gracias por cuidarme y apoyarme siempre.
A ti mi amor Katherine Muñoz fuiste mi apoyo toda mi carrera sin importar
nada estuviste ahí gracias por tu amor.
AGRADECIMIENTOS
Primeramente agradezco a toda mi familia hermanos, sobrinos y primos
gracias por sus consejos, apoyo y comprensión, en ustedes siempre encontré
un refugio para mi vida.
A los que ya no están, en especial a ti Abuelito Ramón gracias por enseñarme
que la familia es lo más importante en la vida.
Yo que nunca me olvido de quien me ayudo, tengo bien presente a todos mis
grandes amigos que compartieron conmigo las alegrías, las penas y siempre
supieron brindar su apoyo.
A Daniel Mideros y Vladimir Bonilla por haberme apoyado desde que fueron
mis profesores enseñándome no solamente a ser un profesional sino a ser
una mejor persona.
A Gonzalo Guerrón que luego de ser mi profesor, ahora es mi jefe y tutor
siendo en un gran amigo que ha estado a mi lado en las buenas y malas, sin
el este proyecto no se hubiera podido realizar.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN ................................................................................................. ix
ABSTRACT ................................................................................................ xi
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1
2. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 4
2.1. DEFINICIONES BÁSICAS ............................................................ 4
2.1.1. Descripción de la Atmósfera ..................................................... 4
2.1.1.1. Tropósfera .......................................................................... 4
2.1.1.2. Estratosfera ........................................................................ 5
2.1.1.3. Mesosfera ........................................................................... 5
2.1.1.4. Termosfera ......................................................................... 5
2.1.2. Conceptos Meteorológicos ....................................................... 6
2.1.2.1. Factores climáticos ............................................................. 6
Viento ........................................................................................... 6
Temperatura ambiental ................................................................ 7
Temperatura de perfil del suelo ................................................... 7
Humedad Relativa........................................................................ 8
Presión Atmosférica ..................................................................... 9
Radiación Solar .......................................................................... 10
Precipitación .............................................................................. 10
2.1.2.2. Fenómenos Meteorológicos ............................................. 11
Hidrometeoros ........................................................................... 11
Fotometeoros ............................................................................. 11
Electrometeoros ......................................................................... 12
Litometeoros .............................................................................. 12
Eolometeoros ............................................................................. 12
2.1.3. Adquisición de Señales. ......................................................... 13
2.1.3.1. Sensores .......................................................................... 13
Sensor de humedad ................................................................... 13
Sensor de temperatura .............................................................. 17
Barómetro .................................................................................. 21
Piranómetro. .............................................................................. 22
Pluviómetro ................................................................................ 22
Sensor Ultrasónico de viento ..................................................... 23
Torre Meteorológica (mástil ....................................................... 24
2.1.3.2. Sistema Embebido de Adquisición de Datos .................... 25
Sistemas embebidos .................................................................. 25
ii
Arreglo de compuertas lógicas programables en campo (FPGA):
................................................................................................... 26
Sistemas de control en tiempo real (RT) .................................... 27
Filtrado de señales ..................................................................... 28
3. METODOLOGIA ...................................................................................... 31
3.1. METODOLÓGIA MECATRÓNICA .............................................. 31
3.1.1. Diseño de Hardware ............................................................... 32
3.1.2. Diseño de Software ................................................................ 41
3.1.3. Montaje ................................................................................... 48
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................ 56
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................... 62
5.1. CONCLUSIONES. ...................................................................... 61
5.2. RECOMENDACIONES. .............................................................. 62
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................... 64
iii
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1: Humedad relativa………………………………………………….14
Ecuación 2: RTD ........................................................................................ 20
Ecuación 3: Termistor ................................................................................. 21
Ecuación 4: Butterworth 4to orden……………………………………………..30
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Capas de la atmosfera. .................................................................. 5
Figura 2: Anemómetro de Cazoletas. ........................................................... 6
Figura 3: Veleta. ............................................................................................ 7
Figura 4: Termómetro ambiental. .................................................................. 7
Figura 5: Termómetro de suelo. .................................................................... 8
Figura 6: Higrómetro. .................................................................................... 9
Figura 7: Experimento de Torricelli. .............................................................. 9
Figura 8: Espectro Electromagnético. ......................................................... 10
Figura 9: Pluviómetro. ................................................................................. 10
Figura 10: Hidrometeoro. ............................................................................ 11
Figura 11: Fotometeoro – arcoíris. .............................................................. 11
Figura 12: Electrometeoro – aurora boreal. ................................................ 12
Figura 13: Litometeoro – tormenta de arena. .............................................. 12
Figura 14: Eolometeoro – tornado. ............................................................. 13
Figura 15: Elemento Cabello....................................................................... 14
Figura 16: Sensor de condensador Polimérico. .......................................... 15
Figura 17: Puente de Wheatstone método de conductividad. ..................... 15
Figura 18: Puente de capacidades para medida de humedad. ................... 16
Figura 19: Sensor Infrarrojo de Humedad. .................................................. 16
Figura 20: Sensor Resistivo. ....................................................................... 17
Figura 21: Termómetro de vidrio. ................................................................ 18
Figura 22: Termómetro bimetálico. ............................................................. 18
Figura 23: Termopar. .................................................................................. 19
Figura 24: Termistor. ................................................................................... 21
Figura 25: Extensómetro de diafragma. ...................................................... 21
Figura 26: Piranómetro. .............................................................................. 22
Figura 27: Pluviógrafo de cangilones. ......................................................... 23
Figura 28: Anemómetro ultrasónico 3 dimensiones. ................................... 24
Figura 29: Mástil portátil telescópico 10m. .................................................. 25
Figura 30: Sistema Embebido. .................................................................... 26
Figura 31: FPGA Artix-7. ............................................................................. 27
Figura 32: Sistema embebido para adquisición de datos con FPGA y RT. 28
Figura 33: Filtros ideales. ............................................................................ 29
Figura 34: Curvas de atenuación filtro Butterworth. .................................... 29
Figura 35: Metodológica Mecatrónica. ........................................................ 31
Figura 36: cRIO-9068. ................................................................................ 32
Figura 37: NI 9205. ..................................................................................... 32
Figura 38: NI 9401. ..................................................................................... 33
Figura 39: HC2S3 Sensor de Temperatura y Humedad. ............................ 33
v
Figura 40: 108-L Sensor Temperatura. ....................................................... 34
Figura 41: CS100 Sensor Presión Barométrica. ......................................... 34
Figura 42: LP Pyra02 Piranómetro. ............................................................. 35
Figura 43: LP Pyra02 Piranómetro y anillo de sombra. ............................... 35
Figura 44: WindSonic1 Sensor Ultrasónica de Viento. ............................... 35
Figura 45: TB4 Pluviómetro. ....................................................................... 36
Figura 46: Panel Solar 50W. ....................................................................... 36
Figura 47: SunSaver-10. ............................................................................. 37
Figura 48: Bateria Sun Xtender. .................................................................. 37
Figura 49: Dimensiones Bateria Sun Xtender. ............................................ 37
Figura 50: Pruebas Regulador de Voltaje ................................................... 38
Figura 51: Diseño placa vista superior. ....................................................... 38
Figura 52: Diseño placa vista inferior. ......................................................... 39
Figura 53: Diagrama de bloques del Hardware de la estación meteorológica
portátil. ........................................................................................ 40
Figura 54: Configuración sobre la FPGA de las propiedades del módulo
analógico. .................................................................................... 42
Figura 55: Configuración del tipo de medición. ........................................... 42
Figura 56: Configuración del filtro Butterworth. ........................................... 43
Figura 57: Configuración de la FIFO del canal analógico. .......................... 44
Figura 58: Configuración de la FIFO del canal digital. ................................ 44
Figura 59: Lectura del FIFO del canal analógico en el RT y creación del
arreglo de datos recuperados cada segundo. ............................. 45
Figura 60: Comunicación serial con el sensor ultrasónico de viento. .......... 46
Figura 61: Lectura del FIFO del canal digital en el RT y detector de flancos
de subida. ................................................................................... 46
Figura 62: Creación de la base de datos observada por la estación. ......... 47
Figura 63: Presentación de los datos atreves del servidor FTP. ................. 48
Figura 64: Pruebas de funcionamiento y conexión módulos. ...................... 48
Figura 65: Calibración Sensores. ................................................................ 49
Figura 66: Gabinete. ................................................................................... 49
Figura 67: Ensamblaje de Mástil sección 1. ................................................ 50
Figura 68: Ensamblaje de Mástil sección 2. ................................................ 50
Figura 69: Montaje de Sensores de temperatura y humedad relativa con
escudos de radiación. ................................................................. 51
Figura 70: Montaje Sensor ultrasónico de viento. ....................................... 51
Figura 71: Montaje pararrayos. ................................................................... 52
Figura 72: Montaje Pluviómetro. ................................................................. 52
Figura 73: Montaje del Piranómetro. ........................................................... 53
Figura 74: Ensamblaje Piranómetro con anillo de sombra. ......................... 53
Figura 75: Montaje del gabinete. ................................................................. 54
Figura 76: Cableado de Sensores. ............................................................. 54
vi
Figura 77: Estación Meteorológica Portátil. ................................................ 55
Figura 78: Evolución diaria de Temperatura, Humedad, Precipitación,
Velocidad de Viento. ................................................................... 56
Figura 79: Fluke 87V. .................................................................................. 56
Figura 80: Testo 512. .................................................................................. 57
Figura 81: Evolución diaria de Presión, Radiación Global, Radiación Difusa,
Dirección de Viento. .................................................................... 57
Figura 82: Temperaturas. ........................................................................... 58
Figura 81: Humedad. .................................................................................. 58
Figura 82: Radiación Global........................................................................ 59
Figura 83: Radiación Difusa. ....................................................................... 59
Figura 85: Velocidad de Viento. .................................................................. 60
Figura 86: Rosa de los vientos. ................................................................... 60
Figura 87: Presión. ...................................................................................... 61
vii
INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Termopares. .................................................................................. 19
Tabla 2: Medidas del mástil. ........................................................................ 24
Tabla 3: Materiales Usados regulador de voltaje. ....................................... 39
Tabla 3: Datos promedio diario. .................................................................. 55
viii
INDICE DE ANEXOS
ANEXO 1: Conversión Temperatura y Humedad Relativa. ......................... 68
ANEXO 2: Conversión Radiación Global y DIfusa ....................................... 69
ANEXO 3: Conversión Presión Atmosférica y Precipitación ........................ 70
ANEXO 4: Manuales Sensores ................................................................... 71
ix
RESUMEN
El proyecto de tesis titulado “Diseño e Implementación de una Estación
Meteorológica Portátil para el Instituto Nacional de Eficiencia Energética y
Energía Renovable” fue diseñado para determinar variables meteorológicas
atreves de sensores electrónicos, los cuales se encargan de transmitir los
datos hacia el controlador en tiempo real cRIO-9068, donde las señales serán
filtradas, procesadas y almacenadas, además posee la capacidad de mostrar
los valores de todas las variables meteorológicas en tiempo real. Esta estación
cuenta con alimentación fotovoltaica, y una autonomía máxima de 5 días en
caso de no existir luz solar.
En los siguientes capítulos se presenta el diseño e implementación de los
componentes electrónicos y todos los subsistemas que componen la Estación
Meteorológica Portátil, además de los manuales y certificados de calibración
de los sensores, unidad de control y sistema de alimentación.
La Estación Meteorológica Portátil tiene la capacidad de medir variables
meteorológicas como son la temperatura ambiental, temperatura de perfil de
suelo, humedad relativa, radiación global y difusa, precipitación, presión
atmosférica, velocidad y dirección de viento.
Todos los sensores electrónicos, el controlador y el sistema de alimentación
de energía han sido implementados sobre una estructura metálica compuesta
de un mástil que posee dos brazos transversales donde son montados los
sensores y el panel solar, un gabinete hermético donde se encuentra el
controlador, el regulador de voltaje, el sensor de presión y la batería, una
estructura compuesta por un trípode para el montaje del pluviómetro con un
tubo de sujeción y una base metálica para el piranómetro de radiación difusa,
todos estos elementos son necesarios para proteger los componentes de las
condiciones extremas que puede presentar el medio ambiente.
Dentro de las ventajas que presenta el presente proyecto de tesis destacan
su fácil montaje y movilidad, la autonomía en su alimentación, el sistema
embebido de adquisición de datos, el monitoreo en tiempo real, la capacidad
x
de incrementar el número de sensores según las necesidades de los estudios
a realizarse.
Esta información es de vital importancia para la investigación en Energías
Renovables como la energía solar y la energía eólica realizada por el Instituto
Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables (INER).
xi
ABSTRACT
The actual situation in Ecuador faces the lack of high quality meteorological
data due to the outdated equipment and obsolete methods for their analysis.
In facts, there is a plan for replacing the old meteorological stations, however,
it cannot cover the whole country. Another problem is automatized data
transmission. This directly affects the research in the fields of renewable
energy and energy efficiency, which are highly dependent on these
information.
The main aim of this research is to design and to assemble a portable
meteorological station which will includes high quality sensors with the
information which can be directly accessed from different locations. The
portable station counts with the sensors which will measure the following
parameters:
- Velocity and wind speed micro perturbations as well as wind gusts
- Ambient temperature (micro variations and sudden changes)
- Solar radiation
- Relative humidity
- Atmospheric pressure
In fact, the main contribution of this research will be the development of the
embedded control system operating in real time. This system is based on the
Field Programmable Gate Array (FPGA) devices, where the programing is
organized in logical blocs. These elements permit high level of parallel
processing and analysis of different meteorological parameters. A 16 bits
analog input/output central processing unit (CPU) was used for that purpose.
The control program which includes filtering and signal scaling through FPGA
devices was developed in LabView. This method guarantees high resolution
and number of samples in real time. These samples are grouped and stored
in a database, which is used as a starting point for further analysis according
to the previously established methodology.
1. INTRODUCCIÓN
1
La situación actual en el Ecuador enfrenta la falta de datos meteorológicos de
alta calidad debido al equipamiento anticuado y métodos obsoletos para el
análisis. Existe un plan para la sustitución de las antiguas estaciones
meteorológicas. Esta información en su gran mayoría ha sido proporcionada
por el INAMHI (Instituto Nacional de Hidrología y Meteorología), el INOCAR
(Instituto Oceanográfico de la Armada) y en menor proporción por algunas
universidades que poseen estos sistemas para sus investigaciones.
Según el INHAMI (2012) informo que en el Ecuador existen 519 estaciones
meteorológicas. De las cuales, el 41% son pluviométricas, 29% climatológicas
y apenas 2% son agrometeorológicas (13 estaciones). Cabe recalcar que
existe una red muy importante de estaciones meteorológicas automáticas en
la región 7, ubicadas en el sur del País, en las provincias de Loja, El Oro y
Zamora Chinchipe. Mientras que el INOCAR se encarga del manejo de la red
de estaciones meteorológicas costeras, este monitoreo permite al INOCAR
mantener actualizado su Banco de Datos Meteorológicos.
Como menciona (Popa, 2011), existen varias soluciones para el monitoreo del
clima. La solución clásica consiste en estaciones meteorológicas estáticas,
estas recogen datos que son enviados mediante cables a una estación central
las cuales necesitan un constante mantenimiento y supervisión. Otra solución
se basa en redes de sensores inalámbricos; estos sensores se colocan en la
zona deseada y recogen toda la información del clima y luego es enviada de
forma inalámbrica a la estación base.
La manera más común de realizar el monitoreo de las variables
meteorológicas son las estaciones meteorológicas automáticas o (AWS) que
pueden servir como estaciones base para una red de sensores inalámbricos
como se menciona en el trabajo de (Abbate, Avvenuti, Carturan, & Cesarini,
2013).
Con el avance de la investigación y el desarrollo de estaciones meteorológicas
automáticas estacionarias, las estaciones meteorológicas manuales se van
convirtiendo gradualmente en estaciones de operación manual y automática,
2
o un modo automático sencillo. Según nos describe (Jian-Ming Li, 2010) se
puede observar que las estaciones automáticas estacionarias eventualmente
sustituirán a las estaciones de observación manual.
En respuesta a todos los problemas planteados (Zhen Fang, 2010) propone
una de las soluciones más prácticas y económicas que es un tipo diferente de
estación meteorológica micro, que es portátil, de tamaño pequeño y posee
altas precisiones.
El Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables (INER)
es altamente dependiente de esta información climatológica, por tal motivo
esta información tiene alta prioridad, es necesario que pueda ser adquirida
en tiempo real y que los instrumentos de medición se puedan trasladar a
lugares remotos es decir que sean portátiles. El presente trabajo fue planteado
para obtener datos exactos, confiables y fácilmente manejables, donde lo más
importante es la adquisición, procesamiento y almacenamiento de la
información.
El sistema presentado busca dar una solución a los problemas citados
anteriormente, la idea principal, se basa en un arreglo lógico de compuertas
programable en campo (Field Programmable Gate Array, FPGA) y un
procesador en tiempo real (RT), en la que la programación se encuentra
organizada en bloques lógicos. Estos elementos nos permiten un alto nivel de
procesamiento en paralelo y análisis de diferentes parámetros
meteorológicos. Para este fin se utiliza el procesador de doble núcleo con una
velocidad de 667 MHz que trabaja en tiempo real, el cual se encargara del
manejo de las ecuaciones necesarias para transformar los valores de voltaje
en las unidades de cada variable meteorológica. El sistema FPGA controla las
entradas y salidas que pueden ser analógicas o digitales, incluyendo el filtrado
y el escalamiento de la señal.
Este método nos provee de una alta resolución en la conversión analógica
digital y una gran cantidad de muestras adquiridas en tiempo real.
3
Estas muestras se agrupan y se guardan en una base de datos, que se utiliza
como punto de partida para su posterior análisis.
OBJETIVOS
Objetivo General:
El objetivo general del presente proyecto de tesis es la siguiente:
Diseñar e implementar una Estación Meteorológica Portátil para el
Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables
(INER).
Objetivos Específicos:
Los objetivos específicos que se buscan alcanzar con este proyecto son:
Analizar y definir las variables climáticas a ser medidas por la estación.
Analizar los conceptos meteorológicos y definir sus fenómenos
principales.
Diseño de un regulador de voltaje para alimentación de los sensores
de la estación meteorológica.
Diseño e implementación de la interfaz para adquisición,
procesamiento y almacenamiento de datos obtenidos.
La finalidad de este proyecto de tesis, es desarrollar una solución confiable y
accesible a la falta de datos meteorológicos requeridos por el Instituto
Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables (INER), por medio
del monitoreo y almacenamiento variables meteorológicas como velocidad y
dirección de viento, temperatura ambiental y de suelo, radiación solar directa
y difusa, humedad ambiental, presión atmosférica y precipitación; para lo cual
se realizará la programación de un registrador de datos basado en el
tecnología FPGA y en el procesamiento en tiempo real.
2. MARCO TEÓRICO
4
La atmosfera es una fina capa que recubre a la tierra, siendo vital para la
formación de vida se deben conocer cuáles son las capas que la conforman,
las variables físicas que inciden sobre ella y los fenómenos meteorológicos
que se forman en cada una de las capas; en el siguiente capítulo se presenta
un resumen de cada tema mencionado anteriormente.
2.1. DEFINICIONES BÁSICAS
2.1.1. Descripción de la Atmósfera.
La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve la Tierra, y que se adhiere a
ella gracias a la acción de la gravedad. Es difícil determinar exactamente su
espesor, puesto que los gases que la componen se van haciendo menos
densos con la altura, hasta prácticamente desaparecer a unos pocos cientos
de kilómetros de la superficie. La atmósfera está formada por una mezcla de
gases, la mayor parte de los cuales se concentra en la denominada
homosfera, que se extiende desde el suelo hasta los 80-100 kilómetros de
altura. De hecho esta capa contiene el 99,9% de la masa total de la atmósfera.
Entre los gases que componen la atmósfera, hay que destacar el Nitrógeno
(N), el Oxígeno (O2), el Argón (Ar), el Dióxido de Carbono (CO) y el vapor de
agua. La siguiente tabla recoge el porcentaje de volumen de aire que cada
uno de ellos representa. Es importante recordar que la concentración de estos
gases varía con la altura, siendo especialmente acusadas las variaciones del
vapor de agua, que se concentra sobre todo en las capas próximas a la
superficie. En la atmósfera, además de la densidad y la composición del aire,
también la temperatura varía con la altura. De hecho, a partir de esta variación
térmica la atmósfera puede dividirse en capas como se muestra en la Figura
1. (Rodríguez, 2004)
2.1.1.1. Tropósfera:
Es la capa más baja, en la que se desarrolla la vida y la mayoría de los
fenómenos meteorológicos. Se extiende hasta una altura aproximada de 10
km en los polos y 18 km en el ecuador. En la tropósfera la temperatura
5
disminuye paulatinamente con la altura hasta alcanzar los -70º C. Su límite
superior es la tropopausa.
2.1.1.2. Estratosfera:
En esta capa, la temperatura se incrementa hasta alcanzar aproximadamente
los -10ºC a unos 50 km de altitud.
Es en esta capa donde se localiza la máxima concentración de ozono, “capa
de ozono”, gas que al absorber parte de la radiación ultravioleta e infrarroja
del Sol posibilita la existencia de condiciones adecuadas para la vida en la
superficie de la Tierra. El tope de esta capa se denomina estratopausa.
2.1.1.3. Mesosfera:
En ella, la temperatura vuelve a disminuir con la altura hasta los -140 ºC. Llega
a una altitud de 80 km, al final de los cuales se encuentra la mesopausa.
2.1.1.4. Termosfera:
Es la última capa, que se extiende hasta varios cientos de kilómetros de
altitud, presentando temperaturas crecientes hasta los 1000 ºC. Aquí los
gases presentan una densidad muy baja y se encuentran ionizados.
Figura 1: Capas de la atmosfera.
Fuente: (Escuelapedia, 2014).
6
2.1.2. Conceptos Meteorológicos:
Meteorología: es la ciencia que estudia la atmósfera y los meteoros o
fenómenos tales como el viento, la lluvia, etc., que en ella suceden. El estudio
de la atmosfera se basa en el conocimiento de una serie de magnitudes, o
variables meteorológicas las cuales varían en el tiempo y en el espacio.
2.1.2.1. Factores climáticos.
Viento.- se define como el movimiento de aire desde una zona hasta otra.
Existen diversas causas que pueden provocar la existencia del viento, pero
normalmente se origina cuando entre dos puntos se establece una cierta
diferencia de presión o de temperatura.
Para poder disponer de medidas directas de velocidad y dirección del viento,
los meteorólogos utilizan distintos instrumentos de medida:
Para la medida de la velocidad horizontal del viento el instrumento más
utilizado es el anemómetro de cazoletas mostrado en la Figura 2, en el que el
giro de las mismas es proporcional a la velocidad del viento. La unidad de
medida es el km/h o el m/s.(Zúñiga, 2013)
Figura 2: Anemómetro de Cazoletas.
Fuente: (Directindustry, 2014).
Para la Medida de la dirección del viento se utiliza la veleta mostrada en la
Figura 3, que indican la procedencia geográfica del viento.
Hablamos de viento norte, noreste, suroeste, etc. en función de dónde
provenga éste.
7
Figura 3: Veleta.
Fuente: (Directindustry, 2014).
Temperatura ambiental.- se define como la temperatura del aire registrada
en el instante de la lectura. Es una magnitud variable que depende de la
velocidad de las moléculas del aire. Estas moléculas son el oxígeno y el
nitrógeno. Esta magnitud nos permite expresar el grado de calentamiento o
enfriamiento de los cuerpos. El resultado se expresa en grados centígrados
(Celsius), o Fahrenheit. El termómetro mostrado en la Figura 4 se utiliza para
la medición de temperatura ambiental.
Figura 4: Termómetro ambiental.
Fuente: (SoloStocks, 2014) .
Temperatura de perfil del suelo.- se define como el calentamiento del suelo
atreves de las radiaciones provenientes del sol. Su temperatura depende de
cómo lleguen las radiaciones a la superficie (humedad atmosférica,
8
transparencia, nubosidad, precipitaciones, vientos, topografía, cobertera
vegetal, etc.) y de cómo el suelo las asimile (humedad, color, calor específico,
conductividad, etc.).
La temperatura del suelo es una medida de la que se dispone de muy pocos
datos. Se acepta que la temperatura del suelo a 50 centímetros de
profundidad es equivalente a la del aire atmosférico más 1 grado centígrado.
Figura 5: Termómetro de suelo.
Fuente: (Allafrance, 2014).
Humedad Relativa.- se define como la cantidad de vapor de agua que
contiene el aire. Esa cantidad no es constante, sino que dependerá de
diversos factores, como si ha llovido recientemente, si estamos cerca del mar,
si hay plantas, etc. De alguna forma, la humedad relativa nos da una idea de
lo cerca que está una masa de aire de alcanzar la saturación.
Una humedad relativa del 100% es indicativo de que esa masa de aire ya no
puede almacenar más vapor de agua en su seno, y a partir de ese momento,
cualquier cantidad extra de vapor se convertirá en agua líquida o en cristalitos
de hielo, según las condiciones ambientales. En la Figura 6 se muestra el
Higrómetro usado para medir la humedad relativa.
9
Figura 6: Higrómetro.
Fuente: (Arquys, 2014).
Presión Atmosférica.- se define como la fuerza que la atmósfera ejerce, en
razón de su peso, por unidad de superficie. Por consiguiente, es igual al peso
de una columna vertical de aire de base igual a la unidad de superficie que se
extiende desde la superficie considerada hasta el límite superior de la
atmósfera.
La presión atmosférica puede medirse de una manera sencilla usando el
experimento de Torricelli usando un tubo de vidrio vacío, una cubeta y
mercurio Figura 7.
Figura 7: Experimento de Torricelli.
Fuente: (Andalucia, 2014).
10
Radiación Solar.- se define como la energía radiante producida en el Sol
como resultado de reacciones nucleares de fusión; llega a la Tierra a través
del espacio en fotones asociadas a una determinada cantidad de energía.
Según el nivel de energía que lleven estas ondas se clasifican en lo que se
conoce como espectro electromagnético Figura 8.
Figura 8: Espectro Electromagnético.
Fuente: (Artinaid, 2014).
Precipitación.- se define la precipitación como el producto líquido o sólido
de la condensación del vapor de agua que cae de las nubes y se deposita en
el terreno procedente del aire. Dicho término comprende la lluvia, llovizna, el
granizo, la nieve, el rocío, la escarcha y la precipitación de la neblina. El
instrumento usado para la medición de la precipitación es el pluviómetro
Figura 9.
Figura 9: Pluviómetro.
Fuente: (Agoterra, 2014).
11
2.1.2.2. Fenómenos Meteorológicos. (Rodríguez, 2004)
Hidrometeoros.- se define como un fenómeno meteorológico formado por un
conjunto de partículas acuosas, líquidas o sólidas que caen a través de la
atmósfera. Las partículas acuosas pueden estar en suspensión, ser
remontadas por el viento desde la superficie terrestre o ser depositadas sobre
objetos situados en la atmósfera libre. Entre los principales se encuentran la
lluvia (Figura 10), llovizna, nieve, granizo, niebla, neblina, rocío, escarcha,
chubasco y tromba.
Figura 10: Hidrometeoro.
Fuente: (Rumtor, 2014).
Fotometeoros.- se define como un fenómeno luminoso provocado por
reflexión, refracción, difracción o interferencias de la luz solar o lunar. Los
principales son el halo, arcoíris (Figura 11), corona, anillos de Ulloa,
espejismo, rayo verde y colores crepusculares.
Figura 11: Fotometeoro – arcoíris.
Fuente: (meteovargas, 2014).
12
Electrometeoros.- se define como la manifestación visible o audible de la
electricidad en la atmósfera. Los principales son el relámpago, el trueno y la
aurora boreal (Figura 12).
Figura 12: Electrometeoro – aurora boreal.
Fuente: (Rumtor, 2014).
Litometeoros.- se define como un fenómeno meteorológico relativo a la
suspensión de partículas sólidas no acuosas en la atmósfera o levantadas del
suelo por el viento. Por ejemplo la bruma, la calima o las tormentas de arena
(Figura 13).
Figura 13: Litometeoro – tormenta de arena.
Fuente: (recmountain, 2014).
Eolometeoros.- se define como la intervención del viento de una forma más
decisiva y directa.
Tromba: Fenómeno que consiste en un torbellino de viento, a menudo intenso,
cuya presencia se manifiesta por una columna nubosa o por un cono nuboso
invertido en forma de embudo (Figura 14).
13
Turbonada: Chubasco de viento. El aspecto del cielo es generalmente
aborrascado, pero no se descubren nubes sombrías. Se inicia con viento débil
o moderado, después el viento cesa para, luego, entrar el viento duro.
Figura 14: Eolometeoro – tornado.
Fuente: (Rumtor, 2014).
2.1.3. Adquisición de Señales.
2.1.3.1. Sensores.
Como menciona (Solé, 2012) en su trabajo, el uso del control y monitoreo en
los diferentes procesos industriales exigen la lectura y manipulación de las
diferentes magnitudes físicas encontradas en la naturaleza, de esta manera
se puede liberar a los operarios de su actuación física en una planta,
permitiendo una labor de supervisión y vigilancia del proceso desde centros
de control situados en el mismo lugar del proceso o de una manera remota en
un centro de control. Las variables a monitorear son de tipo físico la cual se
refiere la influencia que pueden presentar las mismas en un sistema físico, en
este caso el clima.
Sensor de humedad.- dependen del principio físico que siguen para realizar
la cuantificación de la misma:
14
1. Mecánicos: El método de elemento cabello (Figura 15) o nylon,
aprovecha los cambios de dimensiones que sufre cierto tipo de materiales
en presencia de la humedad.
El alargamiento de estos materiales es del 2.5% cuando la humedad
relativa pasa del 0% al 100%. Posee poca robustez. (Solé, 2012)
Figura 15: Elemento Cabello.
Fuente: (Solé, 2012).
2. Sensor polimérico : consiste en un condensador formado por un
polímero termoestable, electrodos de platino y una base de silicio Figura
16. Su funcionamiento se basa en la variación de su constante dieléctrica
según la humedad del ambiente proporcionando una respuesta a la
humedad relativa dada por la ecuación 1. (Yeow & She, 2006)
𝐺 = 𝑅𝑇 × ln (𝑃
𝑃𝑜)
[1]
En la que:
G = fuerza de absorción de humedad
R = constante de los gases perfectos
T = temperatura absoluta
P = presión parcial del vapor de agua
P0 = presión de saturación del vapor de agua
15
Figura 16: Sensor de condensador Polimérico.
Fuente: (Yeow & She, 2006).
3. Inductivos: se basa en la medida de la conductividad de un elemento al
pasar una corriente atreves de los electrodos en contacto con la misma
formando un puente de Wheatstone Figura 17. (Bolton, 2001)
Figura 17: Puente de Wheatstone método de conductividad.
Fuente: (Bolton, 2001).
16
4. Capacitivos: se basan sencillamente en el cambio de la constante
dieléctrica que el material experimenta entre el estado húmedo y el estado
totalmente seco en presencia de humedad Figura 18. (Frey & Gotz, 1999)
Figura 18: Puente de capacidades para medida de humedad.
Fuente: (Frey & Gotz, 1999).
5. Infrarrojos: estos disponen de 2 fuentes infrarrojas que lo que hacen es
absorber parte de la radiación que contiene el vapor de agua Figura 19.
(Glaría)
Figura 19: Sensor Infrarrojo de Humedad.
Fuente: (Glaría).
6. Resistivos: aplican un principio de conductividad de la tierra. Es decir,
cuanta más cantidad de agua hay en la muestra, más alta es la
17
conductividad de la tierra. A medida que la humedad pasa por la capa de
protección, el polímero resulta ionizado y estos iones se movilizan dentro
de la resina. Como se muestra en la Figura 20 cuando los electrodos son
excitados por una corriente, la impedancia del sensor se altera y se mide
para calcular la humedad relativa. (Bentley & Besley, 1990)
Figura 20: Sensor Resistivo.
Fuente: (Bentley & Besley, 1990).
Sensor de temperatura.- La temperatura es una medida del promedio de
energía cinética de las partículas en una unidad de masa, expresada en
unidades de grados en una escala estándar. Puede medir temperatura de
diferentes maneras que varían de acuerdo al costo del equipo y la precisión.
Los tipos de sensores más comunes son los termómetros de vidrio,
termómetro bimetálico, termopares, RTDs y termistores. (Bishop, 2007)
1. Termómetros de vidrio: consta de un depósito de vidrio que contiene
un fluido que al calentarse, se expande y sube por un tubo capilar Figura
21. (Solé, 2012)
Los fluidos empleados son:
18
Mercurio -35°C hasta +280°C
Pentano -200°C hasta +20°C
Alcohol -110°C hasta +50°C
Tolueno -70°C hasta +100°C
Figura 21: Termómetro de vidrio.
Fuente: (Solé, 2012).
2. Termómetro bimetálico: su principio de funcionamiento se basa en el
diferente coeficiente de dilatación que poseen dos metales diferentes, que
pueden ser latón, monel o acero junto a una aleación de ferroníquel o Invar
(contiene 35,5% de Níquel) laminados conjuntamente. Estas láminas
bimetálicas pueden ser rectas o curvas como se muestra en la Figura .
(Solé, 2012)
Figura 22: Termómetro bimetálico.
Fuente: (Solé, 2012).
19
3. Los termopares: son los sensores de temperatura utilizados con mayor
frecuencia ya que son precisos, relativamente económicos y pueden operar
en un amplio rango de temperaturas.
Un termopar se crea cuando dos metales diferentes se juntan Figura 23 y
el punto de contacto produce un pequeño voltaje de circuito abierto como
una función de temperatura.
Puede usar este voltaje termoeléctrico, conocido como voltaje Seebeck
para calcular la temperatura, para variaciones pequeñas de temperatura el
voltaje es aproximadamente lineal.
Figura 23: Termopar.
Fuente: (Bolton, 2001).
Existen diferentes tipos de termopares asignados con letras mayúsculas
que indican su composición de acuerdo al American National Standards
Institute (ANSI). Como se muestra en la Tabla 1 los tipos de termopares
más comunes son B, E, K, N, R, S y T. (Bolton, 2001)
Tabla 1: Termopares.
Fuente: (Bolton, 2001).
Ref. Materiales Intervalo °C uV/C°
B Rodio/platino,
platino 30%, rodio
6%.
0 a 1800 3
E Cromel/Constantán -200 a 1000 63
J Hierro/Constantán -200 a 900 53
20
K Cromel/Alumel -200 a 1300 41
N Nirosil/Nisil -200 a 1300 28
R Platino/platino con
13% rodio
0 a 1400 6
S Platino/platino con
10% rodio
0 a 1400 6
T Cobre/Constantán -200 a 400 43
4. RTD: son elementos resistivos que adoptan la forma de bobinas de
alambre o películas de metal como platino (generalmente el más usado),
níquel o aleaciones níquel - cobre. Al calentarse, la resistencia del metal
aumenta; al enfriarse, la resistencia disminuye. Al pasar corriente a través
de un RTD se genera un voltaje que al medirlo se puede determinar su
resistencia y por lo tanto, su temperatura. La relación entre la resistencia y
la temperatura es relativamente lineal como se muestra en la ecuación 2.
Generalmente, los RTDs tienen una resistencia de 100 Ω a 0 °C y pueden
medir temperaturas hasta 850 °C. (Solé, 2012)
𝑅𝑡 = 𝑅0(1+∝ 𝑡) [2]
5. El termistor: es una pieza de semiconductor hecha de óxidos de
metálicos, por ejemplo, cromo, cobalto, hierro, manganeso y níquel. Todos
estos óxidos son semiconductores y se encuentran comprimidos en una
pieza, disco, oblea u otra forma y son sometidos a altas temperaturas. Por
último son cubiertos con epoxi o vidrio.
Al igual que con los RTDs, se puede pasar una corriente a través de un
termistor para leer el voltaje en el termistor y determinar su temperatura
como se muestra en la relación de la . Sin embargo, a diferencia de los
RTDs, los termistores tienen más alta resistencia (2,000 a 10,000 Ω) y una
sensibilidad mucho más alta (~200 Ω/°C), permitiéndoles alcanzar más alta
sensibilidad en un rango de temperatura limitado (hasta 300 °C). (Bolton,
2001)
21
𝑅𝑡 = 𝐾𝑒𝛽
𝑡 [3]
Figura 24: Termistor.
Fuente: (Bolton, 2001).
Barómetro.- la presión atmosférica puede ser equilibrada en relación a una
membrana a resorte de una cápsula metálica evacuada. Cuando existe
variación de la presión atmosférica la membrana se deforma la cual puede ser
amplificada y representada en una escala graduada en unidades de presión.
En la Figura 25 podemos ver el funcionamiento de un extensómetro con
diafragma para medir la presión atmosférica absoluta. (Bolton, 2001)
Figura 25: Extensómetro de diafragma.
Fuente: (Bolton, 2001).
22
Piranómetro.- es un instrumento meteorológico utilizado para medir de
manera muy precisa la radiación solar incidente sobre la superficie de la tierra.
Consiste en un detector provisto de placas blancas y negras que reflejan y
absorben respectivamente la energía solar radiada. Una termopila de Cobre
– Constantán recoge en forma de corriente continua la energía recibida en un
periodo de tiempo. La señal de salida normalmente va en el orden de 10mV.
Como se muestra en la Figura 26 se trata de un sensor diseñado para medir
la densidad del flujo de radiación solar (kilovatios por metro cuadrado) en un
campo de 180 grados. (Solé, 2012)
Figura 26: Piranómetro.
Fuente: (Solé, 2012).
Pluviómetro.- es un dispositivo que se emplea para calcular las
precipitaciones que caen en un cierto lugar durante una determinada cantidad
de tiempo. La función de este instrumento es recoger la lluvia caída y
determinar cuántos milímetros de altura alcanza lo recolectado. (Rodríguez,
2004)
Pluviógrafo de Cangilón: su funcionamiento se basa en la utilización
de dos compartimentos que se hallan en equilibrio inestable con respecto
al eje horizontal Figura 27; en su posición normal el recipiente se apoya en
uno de los topes impidiendo que se incline completamente.
El embudo colector de la precipitación se encuentra instalado por arriba del
cangilón basculante que mientras está vacío tiene dos posiciones estables,
23
cada una cae justo debajo del orificio de salida del embudo. El centro de
gravedad de la mitad llena del depósito cae fuera del punto de apoyo
provocando que el deposito se vuelque tan pronto como se haya llenado
con una cantidad determinada de agua, esto expone la otra mitad vacía al
orificio del embudo y el ciclo se repite de nuevo.
En cada movimiento realizado por el basculante un relé de láminas
acondicionado por un imán envía un impulso eléctrico que el sistema de
control reconocerá como una cantidad de agua de precipitación. (Potter &
Colman, 2003), (Zúñiga, 2013)
Figura 27: Pluviógrafo de cangilones.
Fuente: (Zúñiga, 2013).
Sensor Ultrasónico de viento.- se encuentran basados en el hecho de que
la velocidad de propagación del sonido depende de la velocidad del viento.
Utiliza las ondas ultrasónicas proporcionando la medida del vector del viento
en 3D Figura 28, obteniendo la velocidad del viento y su dirección. Entre sus
principales ventajas tenemos que son muy precisos debido a que no poseen
piezas móviles, no requiere mantenimiento mecánico, capaz de proveer
excelentes mediciones de los ángulos del flujo incidente, muy adecuado para
medir estructura de la turbulencia. (Zúñiga, 2013)
24
Figura 28: Anemómetro ultrasónico 3 dimensiones.
Fuente: (Zúñiga, 2013).
Torre Meteorológica (mástil): Estructura vertical, normalmente metálica, que
sirve de soporte para la instalación de algunos sensores meteorológicos o
también como mástil anemométrico. Las medidas del mástil meteorológico
mostradas en la Tabla 2 se encuentran basadas en las recomendaciones que
se dictan en la Norma UNE 50051 IN (Álvarez Salvador, 2009).
Tabla 2: Medidas del mástil.
Largo del mástil. 9,2m. 5 secciones de 1,82m y una de 1m.
Diámetro mayor del mástil. 48,26mm
Diámetro de la sección
superior del mástil.
44,2mm
Radio de la base. 6m para realizar el anclaje de los 3 tensores
dividiendo en partes de 120°.
Tensión recomendada de
los tensores.
100 lb en cada uno.
25
Figura 29: Mástil portátil telescópico 10m.
Fuente: (Scientific, 2014).
2.1.3.2. Sistema Embebido de Adquisición de Datos.
Sistemas embebidos: Son sistemas que se encuentran diseñados para
cumplir una o pocas funciones específicas de automatización dedicadas, los
cuales se basan en CPU programables. En un sistema embebido la mayoría
de los componentes se encuentran incluidos en la placa base de la tarjeta
principal, generalmente estos dispositivos no lucen como computadoras
(Bishop, 2007).
La programación de estos sistemas se la puede realizar con algún compilador
específico; se suele utilizar lenguajes como C, C++, en algunos casos BASIC.
La configuración de un sistema embebido puede variar de acuerdo a la
aplicación que se realice. Como se muestra en la Figura 30 un sistema
embebido puede constar en la parte central de un microprocesador, micro-
controlador, DSP, además de memoria interna, externa y de sistemas de
conversión Analógicas – Digitales (A/D) y Digitales – Análogas (A/D) (Caldas
Flautero, 2013).
26
Figura 30: Sistema Embebido.
Fuente: (Espín, 2012).
Arreglo de compuertas lógicas programables en campo (FPGA): consiste
de un arreglo combinacional de compuertas lógicas interconectadas entre si
pudiendo ser programadas en campo. El término programable se refiere al
cambio entre las interconexiones internas de las compuertas lógicas (Altera,
2014; Xilinx, 2014b).
La configuración de una FPGA comúnmente es realizada atreves del lenguaje
de descripción de hardware (HDL), que es similar al usado en los circuitos
integrados de aplicación específica (ASIC). Una vez que el programa se ha
compilado el código digital ordena físicamente las conexiones de entrada y
salida de las compuertas lógicas.
Las FPGAs más modernas contienen celdas dedicadas como bloques de
memoria RAM, bloques de procesamiento de señales digitales de alto
rendimiento, interface de memoria de alta velocidad y bloques lógicos con
funciones específicas aritméticas y de control (Xilinx, 2014b).
El desarrollo de sistemas que operan en tiempo real permite manejar gran
cantidad de datos con alta velocidad en el procesamiento de información y en
la respuesta del sistema de control y resolución de problemas (Giannone et
al., 2011).
27
Los procesadores en tiempo real (RT) se apoyan en un controlador de alta
velocidad como el FPGA para realizar la adquisición de sensores. Estos
procesadores RT pueden utilizar todos sus recursos en el tratamiento de los
datos que paralelamente el FPGA adquiere y envía (Zheng, Liu, Zhang,
Zhuang, & Yuan, 2014). La configuración del sistema se la hace una sola vez
a través de la programación.
Figura 31: FPGA Artix-7.
Fuente: (Xilinx, 2014a).
Sistemas de control en tiempo real (RT): el desarrollo de sistemas que
operan en tiempo real permite manejar gran cantidad de datos con alta
velocidad en el procesamiento de información y en la respuesta del sistema
para control y resolución de problemas. (Giannone et al., 2011)
El procesador de tiempo real entrega al sistema determinismo, esto significa
que se puede determinar o predecir con precisión cuando se ejecutaran
bloques del programa, obteniendo como resultado un sistema dedicado para
aplicaciones específicas. (Salzmann, Gillet, & Huguenin, 2000). Los
procesadores en tiempo real (RT) utilizan la programación FPGA para realizar
la adquisición de datos. Como se observa en la Figura 32, el procesador RT
utiliza todos sus recursos en el tratamiento de datos por la configuración de
cada una de las entradas de la FPGA, creando buffers de datos que
almacenan la información y la transmiten a la memoria del procesador por
medio del sistema First In First Out (FIFO), de donde los datos son leídos y
procesados. (Zheng et al., 2014)
28
Figura 32: Sistema embebido para adquisición de datos con FPGA y RT.
Fuente: (A. Montero, 2014).
Filtrado de señales: según (Bishop, 2007) la palabra filtrado, se refiere al
proceso de eliminación de cierta banda de frecuencias que posee una señal,
esto permite que solo se transmitan las señales deseadas. El rango de
frecuencias que permite pasar un filtro se denomina banda de paso, y el que
no pasa se llama banda de supresión; la frontera entre lo que se corta y lo que
pasa se la conoce como frecuencia de corte. Existen varias clasificaciones de
los filtros de acuerdo a los rangos de frecuencias que transmiten o que
rechazan. Como se muestra en Figura 33.a, un filtro pasa bajas permite la
transmisión de todas las frecuencias desde 0 hasta el valor deseado o
necesario. El filtro mostrado en la Figura 33.b, es un pasa altas que transmite
todas las frecuencias desde el valor deseado hasta el infinito. El filtro pasa
bandas permite la transmisión de las frecuencias que están dentro de una
banda especifica como se muestra en la Figura 33.c. En la Figura 33.d se
muestra un filtro supresor de banda que rechaza la transmisión de las
frecuencias de una banda específica (Solé, 2012).
29
Figura 33: Filtros ideales.
Fuente: (Solé, 2012).
Aproximación de Butterworth:
En la Figura 34, se muestran las diferentes curvas de atenuación en
función de n (orden del filtro).
Figura 34: Curvas de atenuación filtro Butterworth.
Fuente: (Friedrich, 2002).
30
Como resultado del desarrollo del filtro butterworth para n=4 se
obtiene la función de transferencia expresada en la ecuación 4;
siendo esta ecuación la que se aplicara para filtrar las señales de los
sensores de temperatura. (Paarmann, 2001)
𝑯(𝒔) =𝟏
𝒔𝟒+𝟐.𝟔𝟏𝟑𝟏𝟐𝟔𝒔𝟑+𝟑.𝟒𝟏𝟒𝟐𝟏𝟑𝒔𝟐+𝟐.𝟔𝟏𝟑𝟏𝟐𝟔𝒔+𝟏 [4]
3. METODOLOGIA
31
El sistema mecatrónico se enfoca en la interacción que existe entre la
electrónica, control, comunicaciones, instrumentación e inteligencia artificial
en procesos y sistemas industriales. Todos estos sistemas se encuentran muy
íntimamente relacionados y en perfecta sincronía. Fuente: (NI, 2013)
Figura 35: Metodológica Mecatrónica.
Fuente: (NI, 2013).
3.1. METODOLÓGIA MECATRÓNICA.
En la Figura 35, se muestra el funcionamiento de un sistema mecatrónico
usando como partida las especificaciones del sistema a desarrollar como
menciona (Braga, 2005), el desarrollo del software embebido, el prototipado
virtual y la fabricación de los componentes para realizar un proceso especifico.
El desarrollo del proyecto de tesis comenzara con el diseño electrónico
basado en los diferentes tipos de sensores que se utilizara para adquirir
variables meteorológicas como temperatura ambiental, temperatura de perfil
de suelo, presión atmosférica, humedad relativa, radiación global y difusa,
velocidad, dirección del viento y precipitación; Sistema FPGA, se encargara
de adquirir y filtrar los datos; El procesador en tiempo real realizará el
procesamiento y almacenamiento de los datos obtenidos cumpliendo las
normas para medición de datos meteorológicos emitidos por la Organización
Mundial de Meteorológica.
32
3.1.1. Diseño de Hardware.
A continuación, se describirá las especificaciones técnicas para el diseño del
proyecto, según se ha establecido en el Capítulo 1.
El sistema embebido utilizara un cRIO-9068 mostrada en la Figura 36, el
cual contara con un procesador dual Cortex A9 de 667 MHz, 1GB de
almacenamiento interno, 512MB de memoria RAM, FPGA Artix-7, 1 puerto
USB, 3 puertos seriales para conectividad.
Figura 36: cRIO-9068.
Fuente: (NI, 2013).
Un módulo NI 9205 mostrado en la Figura 37 de 32 entradas analógicas de
una sola terminal o 16 diferenciales. Resolución de 16 bits, rango de
muestreo acumulado de 250 kS/s. Rangos de entrada programables de
±200 mV, ±1, ±5 y ±10 V. El cual realizará la conversión análoga digital de
las señales medidas.
Figura 37: NI 9205.
Fuente: (NI, 2013).
33
Un módulo NI 9401 mostrado en la Figura 38 de 8 canales, E/S digitales de
100 ns de alta velocidad. E/S digital de 5 V/TTL. Este módulo se encargara
de registrar las señales digitales enviadas por los sensores, en este caso
solo el pluviómetro ya que utiliza una salida digital.
Figura 38: NI 9401.
Fuente: (NI, 2013).
Los sensores a utilizar son:
Un HC2S3 que consta de un sensor de temperatura con rango de -
50°C a 100°C y un sensor de humedad relativa con rango de 0 a
100%.
Figura 39: HC2S3 Sensor de Temperatura y Humedad.
Fuente: (Scientific, 2014).
Cuatro 108-L sondas de temperatura que pueden ser usadas para
medición de temperatura de aire, suelo y agua con un rango de -50 a
95°C.
34
Figura 40: 108-L Sensor Temperatura.
Fuente: (Scientific, 2014).
Un CS100 sensor de presión barométrica para rangos de 600 a 1100
mb.
Figura 41: CS100 Sensor Presión Barométrica.
Fuente: (Scientific, 2014).
Un Piranómetro LP Pyra02 para medir radiación directa con un rango
de medición de 0-2000W/m2 y otro LP Pyra02 con anillo de sombra
para la medición de la radiación difusa con un rango de medición de
0-2000w/m2
35
Figura 42: LP Pyra02 Piranómetro.
Fuente: (Scientific, 2014).
Figura 43: LP Pyra02 Piranómetro y anillo de sombra.
Fuente: (Scientific, 2014).
Un WindSonic1 sensor ultrasónico de viento que puede medir la
dirección del viento con un rango de 0 a 359° y la velocidad de viento
con un rango de 0 a 60 m/s.
Figura 44: WindSonic1 Sensor Ultrasónica de Viento.
Fuente: (Scientific, 2014).
36
Un Pluviómetro TB4 con un rango de medición de 0 a 500mm/hr.
Figura 45: TB4 Pluviómetro.
Fuente: (Scientific, 2014).
El sistema de alimentación se encuentra formado por un panel solar
fotovoltaico de 50W mostrado en la Figura 46 con una generación de
voltaje de 17,9V y de corriente de 2,79A.
Figura 46: Panel Solar 50W.
El panel solar se conecta al controlador de carga SunSaver-10 de 10A
y 12V mostrado en la Figura 47, este controlador se lo conecta a la
Batería Sun Xtender de 12V, 34Ah, 25lbs de peso mostrado en la
Figura 48 y con sus dimensiones mostradas en la Figura 49.
37
Figura 47: SunSaver-10.
Figura 48: Bateria Sun Xtender.
Figura 49: Dimensiones Bateria Sun Xtender.
Este arreglo de panel solar y batería es capaz de suplir el
funcionamiento de la cRIO 9068 q tiene un consumo máximo de 25W
según su manual de operación, este consumo disminuye a 10W
debido a la configuración de los sensores y los lazos de programación
de la estación meteorológica portátil.
38
Para la alimentación de los sensores se diseñó (Figura 51 y Figura
52) un regulador de voltaje de 1V, 5V y 12V mostrado en la Figura 50
usando los materiales de la Tabla 3.
Figura 50: Pruebas Regulador de Voltaje.
Figura 51: Diseño placa vista superior.
39
Figura 52: Diseño placa vista inferior.
Tabla 3: Materiales Usados regulador de voltaje.
Resistencias R1 10k
Circuitos integrados U1, U2 7812, 7805
Diodos D3, D6 1N4007
Diodos D1, D2, D4, D5, D7 1N4005
Todos estos instrumentos se encuentran sobre un mástil de 10m, los
cuales han sido ubicados como se recomienda en el reglamento
técnico de normas meteorológicas de carácter general y prácticas
recomendadas según la organización meteorológica mundial (OMM).
40
Figura 53: Diagrama de bloques del Hardware de la estación meteorológica portátil.
Fuente: (A. Montero, 2014).
En la Figura 53, se observa la configuración del hardware del sistema el cual
está constituido principalmente por un sistema embebido basado en dos
tecnologías. Para la adquisición de datos de alta velocidad se utilizó un
controlador Field Programmable Gate Array (FPGA), y para la administración
y almacenamiento de los datos un procesador de Tiempo Real (RT).
La adquisición de los datos analógicos se realiza con el módulo NI 9205 32
CH AI, se utilizan 6 entradas, una por sensor. La adquisición del dato digital
se hace mediante el modulo NI 9401 8CH DI/DO el cual posee 8 canales y
solamente se utiliza un canal como entrada.
Para la implementación de los filtros de supresión de ruido, se configuran las
compuertas lógicas del Field Programmable Gate Array (FPGA) a través de
41
una plataforma de software logrando que el sistema posea una alta velocidad
y alta precisión de adquisición y transmisión de datos minimizando las fallas
(Cheng Qiong, Wang Zhao-Hui 2011).
Mediante un bus de datos Peripheral Component Interconnect (PCI) se
comunica con el procesador Real Time (RT), este adquiere los datos del
FPGA y los convierte en enteros dobles logrando obtener el formato para
realizar las operaciones lógicas en el Procesador de Tiempo Real (RT); el
sensor ultrasónico de viento se conecta al RT mediante protocolo RS-232, el
muestreo se lo realizará cada segundo y se lo promediara cada 10 minutos,
los datos transmitidos por el sensor ultrasónico de viento se encuentran en
una cadena de caracteres de los cuales se toma solamente la dirección y la
velocidad de viento.
3.1.2. Diseño de Software.
El diseño del software propuesto se lo realizo en LabVIEW, en un entorno
gráfico bajo el lenguaje de programación “G” (Chouder, Silvestre, Taghezouit,
& Karatepe, 2013).
Esta programación se encuentra dividida en dos partes principales.
1. Programación del FPGA.
2. Programación del procesador en tiempo real (RT).
En la programación del FPGA se realizó la configuración de los canales
analógicos con sus niveles de voltaje y tipo de medición (referenciado a tierra,
no referenciado a tierra y diferencial), además del control del tiempo de
muestreo como se muestra en la Figura 54 y Figura 55.
42
Figura 54: Configuración sobre la FPGA de las propiedades del módulo analógico.
Figura 55: Configuración del tipo de medición.
43
Para iniciar la adquisición de los diferentes valores de voltaje se crean filtros
digitales pasa bajos butterworth explicados en (Bitter, Mohiuddin, & Nawrocki,
2006) con una frecuencia de corte de 400mHz logrando eliminar el ruido
existente en las señales de temperatura, en la Figura 56 se observa la
configuración cargada en el filtro digital. Estos filtros permiten eliminar del
sistema los filtros analógicos evitando un consumo extra de energía y una
mayor incertidumbre en la medición de las señales.
Figura 56: Configuración del filtro Butterworth.
En la Figura 57 se muestra la creación de un arreglo de elementos el cual
nos permite adquirir las señales por canal y enviarlas en un solo paquete de
datos, se puede observar que para los sensores de temperatura es necesario
utilizar los filtros butterworth anteriormente mencionados; los sensores de
radiación, humedad y de presión carecen de este filtro por tener una señal ya
acondicionada.
La adquisición de datos de cada elemento del arreglo se realizó atreves del
acceso directo a la memoria (DMA); para lograr la comunicación entre el
FPGA y el RT usamos la arquitectura de “First In First Out” (FIFO) esto nos
permite obtener una mayor velocidad en él envió de datos por la utilización de
la memoria FPGA y parte de la memoria RAM del host que en nuestro caso
es el procesador en tiempo Real (RT).
44
Figura 57: Configuración de la FIFO del canal analógico.
De la misma manera que en los canales analógicos se realiza un arreglo de
elementos y él envió de los datos atreves de la FIFO como se muestra en la
Figura 58; el control ON OFF del pluviómetro y barómetro se lo realizo con el
uso marcas (TAG id), logrando reducir el consumo de memoria y energía del
sistema.
Figura 58: Configuración de la FIFO del canal digital.
45
Como menciona (Ning, Guo, Shen, & Peng, 2012) el funcionamiento de la
FPGA se basa en bloques de entrada y salida de datos, también de bloques
lógicos configurables donde la personalización de las interconexiones nos
permite la creación de filtros digitales pasa bajos con una frecuencia de
muestreo de 35 muestras por segundo permitiéndonos adquirir valores las
señales reales y en tiempo real . De esta manera se ha desarrollado un
procesador especializado en adquisición y filtrado de señales sobre la FPGA
(Cantó Navarro, 2010). La siguiente parte del sistema consiste en la
programación del procesador en tiempo real (RT), para esto primero se tiene
que leer los datos enviados atreves de las FIFOs y realizar una conversión de
datos a entero doble, esto se debe a que la FPGA trabaja con datos de tipo
punto fijo. En la Figura 59 se realiza las conversiones de las señales de voltaje
a las unidades de medida que requiera cada sensor, para esto se utiliza las
ecuaciones dadas por los certificados de fábrica de cada sensor que se
muestran en el Anexo 1, Anexo 2 y Anexo 3 junto a los manuales de operación
y mantenimiento adjuntados en el Anexo 4. Posteriormente se realiza un
arreglo de elementos con los datos adquiridos cada segundo.
Figura 59: Lectura del FIFO del canal analógico en el RT y creación del arreglo de
datos recuperados cada segundo.
46
Para completar la adquisición de datos en la Figura 60 se muestra la
conversión de datos enviados por el puerto serial RS 232 del sensor
ultrasónico de viento, en donde configuramos el tiempo de muestreo a 1
segundo y seleccionamos los valores de dirección y velocidad de viento que
son enviados en una cadena de caracteres.
Figura 60: Comunicación serial con el sensor ultrasónico de viento.
En la Figura 61 se muestra la conversión de las señales digitales enviadas por
el pluviómetro, debido a esto se realizó un detector de flancos de subida
atreves de la configuración de una máquina de estados para poder reiniciar el
valor del contador de pulsos a 0 cada 10 minutos.
Figura 61: Lectura del FIFO del canal digital en el RT y detector de flancos de
subida.
Finalmente los arreglos almacenados son enviados a un ciclo de
programación “mientras que” (while) para poder realizar los promedios
diezminútales de cada variable meteorológica observada por la estación.
47
En la Figura 62, se observa como el dato adquirido se imprime en un archivo
plano con extensión .txt el cual corresponde a la base de datos que se
almacena en la memoria no volátil del dispositivo.
Figura 62: Creación de la base de datos observada por la estación.
En la Figura 63 se muestra la presentación de los datos que son guardados
en la memoria no volátil del dispositivo en formato .txt; la descarga y monitoreo
de los datos se la puede realizar en tiempo real sin interrumpir el
funcionamiento del sistema. Para el acceso a los datos se debe conectar la
cRIO-9068 a un puerto Ethernet e ingresar en un navegador la dirección
192.168.1.10/files/C/ni-rt/.
En la 1era columna se muestra la fecha, en la 2da la hora, en la 3era la
temperatura ambiente, en la 4ta, 5ta y 6ta temperaturas ambiente a diferentes
alturas, en la 7ma temperatura de perfil de suelo, 8va humedad relativa, 9na
presión atmosférica, 10ma radiación global, 11va radiación difusa, 12va
precipitación, 13va velocidad de viento y en la 14va dirección del viento.
48
Figura 63: Presentación de los datos atreves del servidor FTP.
3.1.3. Montaje.
Para poder realizar el montaje de la estación meteorológica portátil primero se
tuvo que realizar pruebas de funcionamiento y calibración de los sensores
como se puede ver en las Figura 64 y Figura 65.
Figura 64: Pruebas de funcionamiento y conexión módulos.
49
Figura 65: Calibración Sensores.
Luego de calibrar los sensores, se realizó el etiquetado, cableado de todos los
sensores y el montaje sobre el gabinete en donde fue colocado la cRIO-9068,
el controlador de carga SunSaver-10, el regulador de voltaje, el barómetro y
la batería. Este gabinete posteriormente será montado sobre el mástil de la
estación meteorológica portátil, sus dimensiones son 80x50x25cm.
Figura 66: Gabinete.
50
El ensamblaje del mástil se lo realizo conforme al manual de instalación que
se encuentra en el Anexo 4, realizando el montaje de cada sección como se
muestra en las Figura 67 y Figura 68.
Figura 67: Ensamblaje de Mástil sección 3 y 4.
Figura 68: Ensamblaje de Mástil sección 5 y 6.
51
En la Figura 69, Figura 70, Figura 71 se realizó el montaje de los sensores de
temperatura, humedad relativa, velocidad y dirección de viento conforme a las
distancias especificadas en el manual de instalación que se encuentra en el
Anexo 4.
Figura 69: Montaje de Sensores de temperatura y humedad relativa con escudos
de radiación.
Figura 70: Montaje Sensor ultrasónico de viento.
52
En la Figura 71 se muestra la conexión del pararrayos, esta conexión es muy
importante ya que al ser una estructura metálica que sobre sale en lugares
abiertos va a generar atracción hacia las descargas eléctricas atmosféricas,
por lo tanto se realiza la instalación de una antena de 1m en lo más alto del
mástil y en su base se instala una varilla de cobre enterrada 2m bajo la
superficie para dirigir cualquier descarga hacia la tierra. Se debe tomar en
cuenta que esta instalación debe ser hecha muy precisamente ya que un mal
ajuste puede provocar una falla en todo el sistema electrónico.
Figura 71: Montaje pararrayos.
Para el montaje del pluviómetro se realizó el ensamblaje del trípode como se
especifica en el manual de usuario mostrado en el Anexo 4, y se debe nivelar
el pluviómetro de acuerdo al lugar de la instalación como se muestra en la
Figura 72.
Figura 72: Montaje Pluviómetro.
53
En la Figura 73 y Figura 74, se muestra la instalación del Piranómetro utilizado
para medir la radiación global y el Piranómetro con anillo de sombra se utiliza
para medir la radiación difusa.
Figura 73: Montaje del Piranómetro.
Figura 74: Ensamblaje Piranómetro con anillo de sombra.
54
El montaje del gabinete se lo muestra en la Figura 75, luego de haber armado
todos los sensores y cableado correctamente como se muestra en la Figura
76, se procede a realizar el levantamiento del mástil con todos los sensores y
el resultado final es la estación meteorológica portátil mostrada en la Figura
77.
Figura 75: Montaje del gabinete.
Figura 76: Cableado de Sensores.
55
Figura 77: Estación Meteorológica Portátil.
4. ANÁLISIS DE
RESULTADOS
55
El producto final obtenido es una estación meteorológica portátil con un mástil
de 10m de alto, un grabador de datos que almacena alrededor de 30000 datos
de los promedios diezminutales de los valores enviados por los sensores de
temperatura ambiental, temperatura de perfil de suelo, humedad relativa,
radiación global, radiación difusa, precipitación, presión atmosférica,
velocidad y dirección de viento. La autonomía de la estación es de alrededor
de 1 semana sin radiación solar.
A continuación se muestra la Tabla 2, en la cual se encuentran los valores
diezminutales promediados por día. La campaña de medición se realizó del 4
de julio al 11 de julio del 2014 en el Campus Occidental de la Universidad
Tecnológica Equinoccial.
Tabla 4: Datos promedio diario.
FECHA T0 °C
AIRE
T1
°C
T2
°C
T3
°C
T4 °C
SUELO
HUMEDAD
%Rh
PRESIÓN
hPa
RADIACIÓN
GLOBAL
W/m^2
RADIACIÓN
DIFUSA
W/m^2
PRECIPIT
ACIÓN
mm
VELOCIDAD
DE VIENTO
m/s
DIRECCIÓN
DE VIENTO
deg
04/07/2014 12,94 13,28 12,78 13,35 20,09 69,39 717,08 158,12 5,08 0,00 1,05 203,15
05/07/2014 12,96 13,23 12,72 13,26 19,99 71,05 716,39 127,68 3,19 0,00 1,01 189,95
06/07/2014 13,53 13,73 13,41 13,79 20,11 66,84 716,08 155,95 5,06 0,00 1,32 161,42
07/07/2014 12,86 13,03 12,61 13,09 19,90 66,21 716,85 127,02 3,27 0,00 1,19 200,89
08/07/2014 13,51 13,63 13,36 13,65 19,68 53,79 717,35 159,21 5,47 0,00 1,93 228,17
09/07/2014 15,05 14,99 14,87 15,04 20,21 46,65 716,12 216,04 9,16 0,00 2,17 219,86
10/07/2014 14,28 14,14 13,86 14,23 19,46 45,78 715,43 163,96 5,82 0,00 1,69 223,62
11/07/2014 12,81 12,56 11,87 12,70 18,16 57,07 715,13 75,27 0,05 0,00 1,63 273,18
En la Figura 78 y Figura 81 se muestra gráficas de evolución diaria de las
variables meteorológicas medidas por la estación meteorológica portátil.
56
Figura 78: Evolución diaria de Temperatura, Humedad, Precipitación, Velocidad de
Viento.
Cabe recalcar que en la fase de pruebas y calibración de los sensores se
utilizó instrumentos especializados como son el Testo 512 mostrado en la
Figura 79 y el multímetro Fluke 87V mostrado en la Figura 80. El testo 512
tiene la capacidad de medir presión atmosférica, humedad relativa y velocidad
de viento. El Fluke 87V puede medir la temperatura ambiental o de un sólido.
Figura 79: Fluke 87V.
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
T0 °C AIRE
T4 °C SUELO
HUMEDAD %Rh
VELOCIDAD DE VIENTOm/s
57
Figura 80: Testo 512.
En la Figura 81 se muestra la dirección del viento, esta dirección se encuentra
referenciada con el norte geográfico de la tierra, esto quiere decir que a 0° y
a 360° la dirección predominante del viento será hacia el norte.
Figura 81: Evolución diaria de Presión, Radiación Global, Radiación Difusa,
Dirección de Viento.
En la Figura 82 se muestra las mediciones de temperatura, donde T0 se
encuentra a 3m de altura. Se puede ver claramente que los valores de
temperatura promedio diario se encuentran entre los 10° C y 15° C. La
temperatura de perfil de suelo se encuentra dada por T4 que se encuentra
enterrada a 30cm, y muestra valores entre 18°C y 20°C.
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
PRESIÓN hPa
RADIACIÓN GLOBALW/m^2
DIRECCIÓN DE VIENTOdeg
RADIACIÓN DIFUSAW/m^2
58
Figura 82: Temperaturas.
La Figura 83 muestra los promedios diarios de humedad relativa que se
encuentran entre 45% y 70%.
Figura 83: Humedad.
En la Figura 84 se puede ver las mediciones de radiación global expresada
en vatios por metro cuadrado, los promedios diarios se encuentran en rangos
de 70 a 210 W/m^2.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
TEMPERATURAS
T0 °C AIRE T4 °C SUELO
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
HUMEDAD %Rh
HUMEDAD %Rh
59
Figura 84: Radiación Global.
En la Figura 85 se puede ver las mediciones de radiación difusa expresada
en vatios por metro cuadrado, los promedios diarios de las mediciones se
encuentran en rangos de 0 a 10 W/m^2.
Figura 85: Radiación Difusa.
En la Figura 86 se presenta el promedio diario de velocidad de viento, donde
se puede ver que las mediciones van de 1 m/s hasta los 2,2 m/s.
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
RADIACIÓN GLOBAL W/m^2
RADIACIÓN GLOBALW/m^2
0
2
4
6
8
10
RADIACIÓN DIFUSA W/m^2
RADIACIÓN DIFUSAW/m^2
60
Figura 86: Velocidad de Viento.
La Figura 87 nos muestra la rosa de los vientos donde la dirección
predominante del viento se encuentra en el Noroeste.
Figura 87: Rosa de los vientos.
Finalmente la Figura 88 presenta la presión registrada en la zona de medición
que se encuentra entre los 715 y 717 hPa.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
VELOCIDAD DE VIENTO
VELOCIDAD DE VIENTOm/s
61
Figura 88: Presión.
0,00100,00200,00300,00400,00500,00600,00700,00800,00
PRESIÓN hPa
PRESIÓN hPa
5. CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
61
5.1. CONCLUSIONES.
En el presente trabajo se ha presentado una estación meteorológica
portátil profesional que puede medir temperatura ambiental acompañada
del perfil del suelo, humedad relativa, presión, precipitación, velocidad y
dirección de viento, una de sus principales ventajas son su portabilidad y
su fácil montaje.
Luego de haber realizado un análisis completo de las variables
meteorológicas medidas, se consideraron diferentes estrategias de
programación para poder sincronizar la adquisición de datos llegando a
establecer los tiempos de adquisición cada segundo almacenarlos en un
clúster (usando la memoria volátil) y promediarlos cada 10 minutos, esto se
debía a que existen 3 tipos de comunicaciones las analógicas, las digitales
y las enviadas atreves del puerto RS 232.
Se implementó un sistema de almacenamiento de datos creando archivos
planos con extensión .txt que solo almacena los promedios calculados
cada 10 minutos, de esta manera se optimizo la memoria interna de la
cRIO-9068, obteniendo la capacidad de almacenar alrededor de 30.000
días de mediciones continuas.
El desarrollo de una estrategia de programación en paralelo permitió el uso
de los dos núcleos del procesador en tiempo real (RT) evitando que exista
perdidas de datos además el uso de las compuertas lógicas programables
en campo FPGA permite ahorrar recursos del sistema, y eliminar tiempos
de retardo ya que no se utiliza la conversión analógica-digital del
procesador.
La implementación de filtros digitales tipo Butterworth permite obtener
mediciones de mayor calidad sin necesidad de aumentar la complejidad del
sistema fabricando un filtro analógico.
62
El Proceso usado garantiza el funcionamiento constante del sistema
evitando fallos por falta de energía o reinicios inesperados. En comparación
con otros sistemas de monitorización del clima la estación meteorológica
portátil ofrece una mayor autonomía en su funcionamiento, los resultados
obtenidos proporcionan datos precisos y muy confiables correspondientes
a las variables meteorológicas medidas por la estación portátil, ya que
cumplen las especificaciones técnicas de calibración en lo concerniente a
rangos de medición, resolución, exactitud y precisión.
La velocidad de adquisición de datos que proporciona el sistema FPGA y
la programación en paralelo permitida por el procesador en tiempo real,
admite la configuración del sistema para el estudio de ráfagas viento, ya
que la FPGA puede adquirir señales hasta 250 muestras por segundo
permitiendo el monitoreo de cada perturbación del viento.
5.2. RECOMENDACIONES.
La selección de los sensores se debe realizar teniendo en cuenta los
rangos de medición y el tipo de señal de salida que envía cada sensor en
lo posible se debe tratar de adquirir sensores que posean un
acondicionamiento de su señal interno.
En el montaje del mástil es muy importante que se realice un circulo de 7m
de diámetro y se lo divida en ángulos de 120° de esta manera se distribuye
las cargas existentes sobre cada tensor ya que solo existen 3.
En el mástil es recomendable incrementar el número de estacas a 6 para
asegurar las secciones 3 y 4 en 3 estacas y la sección 5 y 6 en las 3 estacas
restantes, de esta manera distribuimos de mejor manera las cargas
existentes.
63
La batería de la estación se la debe mantener en otro gabinete en la base
del mástil de esta forma se podrá nivelar y elevar más fácilmente la estación
meteorológica portátil.
La instalación de la puesta a tierra de la estación meteorológica portátil se
la debe realizar de manera precisa junto con las conexiones a tierra de
todos los sensores, la cRIO-9068, el gabinete y toda la estructura metálica
de esta manera evitaremos cualquier incidente por descargas eléctricas
atmosféricas.
Para trabajos futuros se debe considerar la conexión de la estación
meteorológica portátil al internet atreves de un modem para poder visualizar
la información en cualquier momento y desde cualquier lugar ya que para
la descarga de los datos se realizó una configuración de un servidor FTP,
además se puede considerar la creación de una red de sensores para
monitorizar variables meteorológicas a diferentes distancias de la estación
central.
Con pequeñas mejoras es recomendable el uso de la estación
meteorológica portátil en estudios de investigación sobre ráfagas de viento.
Es recomendable que las campañas de medición de energía eólica sean
de 7 años debido a los cambios que existe por el efecto coriolis sobre la
tierra y para la energía solar se deben tomar como mínimo 2 años debido
a los cambios estacionales.
64
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ANEXOS
68
ANEXO 1
Ecuaciones de conversión temperatura y humedad.
Conversión de voltaje a Temperatura T0 en °C y Humedad en %RH.
Conversión de voltaje a °C para termistor de las sondas T1, T2, T3, T4.
69
ANEXO 2
Ecuaciones de conversión radiación global y difusa.
Conversión de voltaje a W/m^2 de Radiación Difusa.
Conversión de voltaje a W/m^2 de Radiación Global.
ANEXO 3
Ecuaciones de conversión de presión atmosférica y precipitación.
Conversión de voltaje a Presión Atmosférica en hPa, mmHg, atm.
Conversión de pulsos digitales enviados por el pluviómetro a mm de lluvia.
ANEXO 4
Diagrama eléctrico 108-L.
Ecuaciones para el cálculo de la temperatura enviada por el Termistor.
Therm108 instruction measures the ratio Vs/Vx, calculates the thermistor resistance Rs, and converts Rs to temperature using the Steinhart-Hart equation T = 1 / (A + (B • ln(Rs))) + (C • ((ln(Rs))) ^ 3) – 273.15 Where: T = temperature in degrees Celsius A = 8.271111E–4 B = 2.088020E–4 C = 8.059200E–8
AC Half Bridge (P5) instruction measures the ratio Vs/Vx. Polynomial (P55) instruction converts the measurement result Vs/Vx * 200 to temperature using a 5 order polynomial: T = C0 + C1•X + C2•X^2 + C3•X^3 + C4•X^4 + C5•X^5 Where: T = temperature in Celsius X = (Vs/Vx) • 200 C0 = –26.97 C1 = 69.635
Diagrama eléctrico barómetro.
Alturas de instalación de los sensores.
Ensamblaje del mástil.
Esquema eléctrico del controlador de carga.
Esquema eléctrico piranómetro LP PYRA 02 AV.
Calculo de la radiación global.
Calculo radiación difusa.
Esquema eléctrico pluviómetro.
Configuración WindSonic.