Post on 08-Jul-2015
5/10/2018 Monitoreo Metereologico Con Labview - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/monitoreo-metereologico-con-labview 1/6
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: ilazaro@zeus.ccu.umich.mx
RESUMEN. El presente trabajo muestra el diseño
e implementación de una estación meteorológica
usando instrumentación virtual, que permita
monitorear variables físicas tales como: radiación
solar, temperatura, velocidad y dirección de viento.
El instrumento virtual sensa las variables a través
de una tarjeta de adquisición de datos para
posteriormente ser analizadas y visualizadas en una
computadora personal, el lenguaje de
programación empleado para realizar estas tareas
es LabVIEW, el cual proporciona una 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.
5/10/2018 Monitoreo Metereologico Con Labview - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/monitoreo-metereologico-con-labview 2/6
Instituto Tecnológico de Chihuahua ELECTRO 2001
220
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.
5/10/2018 Monitoreo Metereologico Con Labview - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/monitoreo-metereologico-con-labview 3/6
Instituto Tecnológico de Chihuahua ELECTRO 2001
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.
5/10/2018 Monitoreo Metereologico Con Labview - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/monitoreo-metereologico-con-labview 4/6
Instituto Tecnológico de Chihuahua ELECTRO 2001
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
5/10/2018 Monitoreo Metereologico Con Labview - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/monitoreo-metereologico-con-labview 5/6
Instituto Tecnológico de Chihuahua ELECTRO 2001
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.
5/10/2018 Monitoreo Metereologico Con Labview - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/monitoreo-metereologico-con-labview 6/6
Instituto Tecnológico de Chihuahua ELECTRO 2001
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.