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IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
MEJORAMIENTO DE UN PROTOTIPO DE
ANEMOMETRO POR ULTRASONIDO
LINA PAOLA JIMENEZ LIZARAZO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA
BOGOTA
2005
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
2
MEJORAMIENTO DE UN PROTOTIPO DE
ANEMOMETRO POR ULTRASONIDO
LINA PAOLA JIMENEZ LIZARAZO
Proyecto de Grado para optar al Título de
Ingeniero Electrónico
Asesores
MAURICIO GUERRERO
Ingeniero Eléctrico, MSc
ALVARO PINILLA
Ingeniero Mecánico, MSc, Phd
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA
BOGOTA
2005
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
3
A Mi Familia,
Por su total confianza y permanente apoyo a lo largo de
mis estudios y en la realización de este proyecto
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
4
AGRADECIMIENTOS
A mis asesores los Ingenieros Álvaro Pinilla y Mauricio Guerrero por su desinteresada y
oportuna colaboración, así como los comentarios acertados y necesarios que me hicieron
en los momentos precisos.
A todo el personal que trabaja en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica e Ingeniería
Electrónica por su apreciable colaboración y apoyo a lo largo del desarrollo de este
Proyecto.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
5
TABLA DE CONTENIDOS
0 INTRODUCCION ...................................................................................................... 12
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................. 13
2 METODOLOGIA DE MEDICION POR ULTRASONIDO.................................. 14
2.1 Teoría de Medición de la Velocidad del Viento ............................................... 14
3 TRANSDUCTORES ULTRASONICOS.................................................................. 16
3.1 Respuesta en Tiempo.......................................................................................... 17
3.2 Atenuación por Distancia................................................................................... 17
3.3 Consideraciones de Montaje.............................................................................. 17
4 DISEÑO DEL DISPOSITIVO................................................................................... 17
4.1 Prototipo Anterior .............................................................................................. 18
4.1.1 Estructura Física......................................................................................... 18
4.1.2 Diseño Electrónico ...................................................................................... 20
4.2 Prototipo Desarrollado....................................................................................... 20
4.2.1 Diseño Mecánico ......................................................................................... 20
4.2.1.1 Anemómetros Comerciales .................................................................... 21
4.2.1.2 Requerimientos del Nuevo Prototipo .................................................... 23
4.2.1.3 Selección del Material............................................................................. 24
4.2.1.4 Estructura Física del Anemómetro ....................................................... 25
4.2.1.5 Mecanizado del Prototipo ...................................................................... 26
4.2.2 Diseño Electrónico ...................................................................................... 26
4.2.2.1 Arquitectura General............................................................................. 26
4.2.2.2 Especificación por Bloques .................................................................... 27
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
6
4.2.2.2.1 Módulo Remoto................................................................................. 30
4.2.2.2.1.1 Bloque de Generación de Señal ................................................ 31
4.2.2.2.1.2 Bloque de Selección.................................................................... 32
4.2.2.2.1.3 Conteo de Tiempo ...................................................................... 33
4.2.2.2.1.4 Bloque Conversión Análogo / Digital....................................... 34
4.2.2.2.1.5 Bloque Acondicionamiento de Señal........................................ 34
4.2.2.2.1.6 Bloque Tiempo Real .................................................................. 35
4.2.2.2.1.7 Bloque Memoria......................................................................... 36
4.2.2.2.1.8 Bloque de Control...................................................................... 37
4.2.2.2.2 Módulo Base...................................................................................... 39
4.2.2.2.2.1 Visualización .............................................................................. 40
4.2.2.2.3 Bloque Comunicaciones ................................................................... 42
4.2.2.2.3.1 Alternativas de Comunicación Inalámbrica ........................... 43
4.2.2.2.3.2 Protocolo de Comunicación ...................................................... 45
4.2.2.2.4 Bloque Alimentación Eléctrica ........................................................ 48
4.2.2.2.4.1 Requerimiento de Potencia....................................................... 48
4.2.2.2.4.2 Alternativas de Alimentación Eléctrica................................... 49
4.2.2.2.4.2.1 Teoría sobre un Panel Solar............................................... 50
4.2.2.2.4.2.2 Dimensionamiento y Selección de un Panel Solar ........... 56
5 IMPLEMENTACION Y VALIDACION................................................................. 58
5.1 Hardware ............................................................................................................. 58
5.1.1 Módulo de Selección ................................................................................... 59
5.1.2 Módulo de Conversión A/D........................................................................ 59
5.1.3 Módulo de Acondicionamiento de la Señal .............................................. 60
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
7
5.1.4 Módulo de RTC........................................................................................... 61
5.1.5 Módulo de Almacenamiento...................................................................... 62
5.1.6 Módulo de Comunicaciones....................................................................... 62
5.1.7 Módulo de Alimentación Eléctrica............................................................ 64
5.2 Software............................................................................................................... 65
5.2.1 Módulo de Generación de Señal................................................................ 65
5.2.2 Módulo de Conteo de Tiempo.................................................................... 66
5.2.3 Módulo de Control...................................................................................... 66
5.2.4 Módulo de RTC........................................................................................... 67
5.2.5 Módulo de Almacenamiento...................................................................... 67
5.2.6 Módulo de Visualización............................................................................ 68
5.2.7 Módulo de Comunicaciones....................................................................... 72
5.3 Costos del Material............................................................................................. 76
6 RESULTADOS OBTENIDOS .................................................................................. 77
6.1 Calibración de Cápsulas Ultrasónicas .............................................................. 77
6.2 Pruebas realizadas en el Túnel de Viento......................................................... 80
6.2.1 Prototipo Anterior ...................................................................................... 80
6.2.2 Prototipo Actual.......................................................................................... 81
6.3 Pruebas realizadas al aire libre ......................................................................... 82
6.3.1 Prototipo Anterior ...................................................................................... 84
6.3.2 Prototipo Actual.......................................................................................... 85
6.4 Consumo de Potencia ......................................................................................... 87
6.5 Transmisión de Datos......................................................................................... 88
6.6 Conclusiones........................................................................................................ 89
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
8
7 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS ................................................................... 89
8 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ....................................................................... 91
INDICE DE ANEXOS
ANEXO A. PLANOS MECANICOS …………………………………………………...92
ANEXO B. PLANOS ELECTRICOS…………………………………………………...94
ANEXO C. SELECCIÓN CONTROLADOR…………………………………………..97
ANEXO D. DISTRIBUIDORES PANELES SOLARES……………………………….99
ANEXO E. DISTRIBUIDORES REGULADORES PARA PANELES SOLARES….99
ANEXO F. DISTRIBUIDORES BATERIAS………………………………………….100
ANEXO G. TIPOS DE COMUNICACIÓN INALAMBRICA……………………….101
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Dirección y Magnitud de la Velocidad del viento……………………………14
Figura 2. Prototipo propuesto durante el semestre 2004-2…………………………….18
Figura 3. Prototipo propuesto en el semestre 2005-II…………………………………..24
Figura 4. Arquitectura General del S istema…………………………………………….26
Figura 5. Diagrama de Bloques de Alto Nivel…………………………………………..26
Figura 6. Módulo Anemómetro…………………………………………………………..27
Figura 7. Módulo Interfaz Usuario………………………………………………………28
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
9
Figura 8. Arquitectura Módulo Remoto………………………………………………...30
Figura 9. Alternativas de Sensores Ultrasónicos………………………………………..31
Figura 10. Características Cápsula 40CA-18SC………………………………………..31
Figura 11. Multiplexación de la señal……………………………………………………32
Figura 12. Bloque Conteo de Tiempo……………………………………………………32
Figura 13. Diagrama de Bloques para el Acondicionamiento de la Señal
Ultrasónica………………………………………………………………………………...34
Figura 14. Arquitectura Módulo Base…………………………………………………...39
Figura 15. Diagrama de Flujo para el cálculo del CRC8………………………………45
Figura 16. Construcción de un Panel Fotovoltaico……………………………………..50
Figura 17. Componentes de un Panel……………………………………………………51
Figura 18. Características Lumínicas……………………………………………………53
Figura 19. Conformación de un Panel Solar…………………………………………….55
Figura 20. Esquemático Módulo de Selección…………………………………………..58
Figura21. Esquemático Sensor de Temperatura……………………………………….59
Figura 22. Esquemático Módulo de Acondicionamiento………………………………59
Figura 23. Esquemático RTC…………………………………………………………….60
Figura 24. Esquemático memoria………………………………………………………..61
Figura 25. Esquemático Comunicaciones……………………………………………….62
Figura 26. S istema de Back- Up………………………………………………………….64
Figura 27. Direccionamiento de la Memoria……………………………………………67
Figura 28. Interfaz Gráfica de Visual Basic ……………………..……………………..68
Figura 29. Aviso de Notificación memoria llena………………………………………..69
Figura 30. Datos Descargados de la memoria…………………………………………..69
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
10
Figura 31. Datos tomados S imultáneamente……………………………………………70
Figura 32. Túnel de Viento……………………………………………………………….76
Figura 33. Izquierda: Tubo de Pitot. Derecha: Anemómetro de Cazoletas…………...77
Figura 34. Instalación en el Túnel de Viento……………………………………………77
Figura 35. Calibración Prototipo Anterior……………………………………………...78
Figura 36. Calibración Prototipo Actual………………………………………………...78
Figura 37. Mapa de Velocidades…………………………………………………………79
Figura 38. Mapa de Velocidades Proyecto 2004-II……………………………………..80
Figura 39. Mapa de Velocidades Prototipo 2005-II…………………………………….81
Figura 40. Calibración Anemómetro de Cazoletas……………………………………82
Figura 41. Instalación Anemómetro Proyecto realizado en 2004-II…………………..83
Figura 42. Datos Pruebas intemperie Proyecto 2004-II………………………………..84
Figura 43. Instalación prototipo 2005-II………………………………………………...85
Figura 44. Datos Pruebas intemperie Proyecto 2005-II………………………………...85
Figura 45. Consumo de Corriente……………………………………………………….87
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Anemómetros Comerciales …………………………………………………….21
Tabla 2. Comparación entre materiales…………………………………………………23
Tabla 3. Formato de datos para el DS1307……………………………………………...34
Tabla 4. Datos almacenados por medición………………………………………………35
Tabla 5. Señales Microcontrolador………………………………………………………37
Tabla 6. Alternativas de comunicación inalámbrica……………………………………42
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
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Tabla 7. Cálculo de Potencia Consumida Módulo Remoto…………………………….48
Tabla 8. Comparación Panel Solar vs Aerogenerador…………………………………48
Tabla 9. Componentes seleccionados para el Panel Solar……………………………...56
Tabla 10. Bits de control de las cápsulas ………………………………………………..65
Tabla 11. Organización de Datos en Memoria Externa………………………………..67
Tabla 12. Codificación órdenes…………………………………………………………..72
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
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0 INTRODUCCION
Teniendo en cuenta los altos costos que actualmente se pagan por concepto de energía y la
necesidad de reducirlos de manera considerable, se vio la importancia de recurrir a otros
medios para su obtención y es así como, nació la necesidad de utilizar las energías
renovables y el viento que es una de las grandes fuentes de energía.
Para la medición de las variables del viento se han usado instrumentos mecánicos por
muchos años que son relativamente económicos, los cuales están compuestos por varias
partes móviles que requieren un constante mantenimiento, por su acelerado desgaste entre
los que se encuentran el anemómetro de propela y el anemómetro de cazoleta, lo cual
origina altos costos por su reemplazo y mano de obra.
Por lo anterior, se vio la obligación de crear instrumentos que no sufran estos problemas y
de allí nace la producción de dispositivos electrónicos para medir el viento, los que tienen
una vida útil mucho mayor y su mantenimiento no es tan periódico y aunque el costo de
estos es mayor, sí se obtienen excelentes beneficios económicos y de precisión. Entre este
tipo de anemómetros se encuentran el de Hilo Caliente, los de Efecto Doppler y los
Ultrasónicos.
Con este proyecto se pretende desarrollar un anemómetro de tipo Ultrasónico que sea
competitivo a nivel comercial, tanto en costo como en funcionalidad, para lo cual
tomamos como base los trabajos realizados anteriormente acerca de la validación y el
diseño de anemómetros Ultrasónicos ([1],[2],[3],[4], [5]), con el fin de activar un sistema
que haga la medición de la velocidad del viento autónomamente y envíe los datos en forma
inalámbrica, ahorrándole incomodidades al usuario.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El Proyecto de Grado IEL2-II-04-11, IM-2004-II-15 planteó la medición del viento por
tiempo de vuelo y ahora se desea adoptar esta teoría y continuar el desarrollo de un sistema
que la implemente y permita su utilización en aplicaciones con características específicas;
autónomo (tome energía del medio, inalámbrico y soporte condiciones atmosféricas).
Anteriormente, se hicieron pruebas de este anemómetro en lugares cerrados, por lo cual no
se vio la necesidad de seleccionar unas cápsulas que resistieran condiciones ambientales
reales, pero como quiera que este Proyecto está dirigido a que el anemómetro sea un
Prototipo Pre-Industrial, es necesario que este instrumento este al aire libre, para lo cual se
debe hacer un cambio en los sensores que se tienen hasta el momento.
Los requerimientos del dispositivo son los siguientes:
• El instrumento debe ser capaz de adquirir, acondicionar y almacenar los datos de
velocidad, presión y temperatura de las condiciones ambientales a las que se
encuentra expuesto.
• Comunicarse inalámbrica y bidireccionalmente con un dispositivo de control que se
encuentra a 100m como máximo (el cual da las órdenes para que el anemómetro las
ejecute).
• La alimentación eléctrica debe ser autónoma e integrada al sistema.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
14
• El instrumento debe ser autónomo en un período de un (1) mes como mínimo.
• Debe poseer componentes que soporten condiciones ambientales reales.
• Los materiales para su diseño y construcción deben ser de fácil adquisición.
• El primer mantenimiento debe hacerse por lo menos en el segundo año de
funcionamiento.
2 METODOLOGIA DE MEDICION POR ULTRASONIDO
2.1 Teoría de Medición de la Velocidad del Viento
La teoría de medición de la velocidad por ultrasonido tiene su origen en las ondas del
sonido, pero estas dependen del medio en el que se propagan. Una componente del viento
que va en la misma dirección que la onda sonora, le ayuda a viajar más rápido en esa
dirección. Caso contrario, cuando el viento va en dirección opuesta a la dirección de la
onda, este hace que la onda viaje con menor velocidad.
Teniendo esto en cuenta, se puede medir el tiempo que tarda una onda en viajar de un lugar
a otro y con base en esto se puede calcular la magnitud de la velocidad del viento en esa
dirección.
Como se dijo anteriormente, las ondas dependen del medio en el cual se transportan, lo que
implica que también se vean afectadas por la temperatura y la presión, por lo tanto, es
necesario medir la onda en ambas direcciones de propagación con el fin de eliminar la
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
15
incidencia que tienen estas variables sobre la onda. Para obtener la magnitud y dirección del
viento, se hace este procedimiento en dos direcciones como se ilustra en la Figura 1.
Figura 1. Dirección y Magnitud de la Velocidad del viento
V : Vector Velocidad Viento θ: Dirección Velocidad Viento (con respecto a norte)
Para calcular la velocidad del viento se basa en la teoría de medición por tiempo de vuelo,
que es la más utilizada entre los anemómetros comerciales, la cual permite, como se dijo
anteriormente, calcular la magnitud y dirección de la corriente de aire, pero este modelo
asume que los dos transductores son idénticos, lo que no es del todo cierto, ya que los
transductores piezoeléctricos que se hacen a nivel micro son muy sensibles al proceso de
fabricación y esta diferencia hace que la incidencia del viento no sea eliminada. Esta teoría
dice lo siguiente:
VcD
t1 +=
VcD
t 2 −=
Ecuación 1 Ecuación 2
Donde,
t1 : Tiempo que tarda en llegar la onda cuando el viento va en la misma dirección
t2 : Tiempo que tarda en llegar la onda cuando el viento va en dirección contraria
D : Distancia entre transductores
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
16
c : Velocidad del Sonido
V: Velocidad del Viento
Como en las ecuaciones 1 y 2 las variables que se pueden medir son la distancia entre
transductores y el tiempo de paso, se puede partir de estas para despejar la velocidad de la
corriente de aire que está representada por la siguiente ecuación:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
21 t1
t1
2D
V
Ecuación 3
En esta última ecuación se ve claramente la NO dependencia de la velocidad del sonido, lo
que implica que se ha eliminado la dependencia de la temperatura del medio en la onda en
una dirección, como se explicó anteriormente.
3 TRANSDUCTORES ULTRASONICOS
La definición de transductor es convertir un tipo de energía en otra y el ultrasonido se
encuentra en un rango de frecuencia mayor a 20kHz que es la frecuencia máxima auditiva.
Un transductor ultrasónico consiste en una membrana de material piezoeléctrico, la cual al
ser excitada eléctricamente comienza a vibrar produciendo una onda mecánica y viceversa.
La membrana puede ser excitada físicamente produciendo una onda eléctrica que es
proporcional a la magnitud de la vibración y se denominan ultrasónicos debido a que la
frecuencia de excitación debe ser mayor a 20kHz.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
17
3.1 Respuesta en Tiempo
Los transductores ultrasónicos son sistemas mecánicos dinámicos que poseen inercias y
requieren de ciertas características para su estabilización. Estos transductores funcionan
como un circuito pasa-banda, donde al ser excitados por fuera de un rango específico no
generan respuesta alguna. También se comportan como sistemas de segundo orden, los
cuales requieren de un tiempo para estabilizase, lo que hace que la velocidad de trabajo sea
restringida. Este tiempo de estabilización sirve para saber por cuánto tiempo se debe enviar
la señal que se desea trasmitir, para que el sensor receptor se estabilice y se pueda hacer una
medición correcta.
3.2 Atenuación por Distancia
Esta característica es bastante importante ya que define la amplificación que se debe hacer a
la onda receptora, en función de la separación de los sensores, además, de la orientación de
los mismos, ya que algunos de estos sensores son diseñados para emitir la onda en todas las
direcciones y otros solo la emiten en una dirección.
3.3 Consideraciones de Montaje
El instrumento debe estar instalado a una distancia no mayor a 100m del módulo base.
4 DISEÑO DEL DISPOSITIVO
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
18
Para el diseño del dispositivo se partió de una especificación muy general de lo que se
deseaba hacer y a medida que se iban especificando funciones especiales que debía realizar
el dispositivo, se fueron creando bloques que realizaban estas funciones y es así como se
fue desenglosando el diseño. Para la descripción del dispositivo se utilizó la metodología
Top-Bottom, la cual se detalla a medida que se avanza en la descripción de los bloques
funcionales que componen el dispositivo.
4.1 Prototipo Anterior
En esta sección se hará una breve descripción del prototipo recibido, sobre el cual se partió
para continuar este proyecto.
Se recibió un dispositivo encargado de medir la velocidad del viento en dos direcciones
(Norte – Sur y Este - Oeste), Temperatura y Presión ambiente. La velocidad del viento se
medía por medio de un par de cápsulas ultrasónicas y la temperatura y presión por medio de
sensores análogos. Este prototipo tiene un módulo de comunicación con un computador y
los datos eran almacenados y visualizados en este. Aunque este dispositivo presentó buenos
resultados, tenía algunos problemas con respecto al montaje, los cuales se mencionan a
continuación.
4.1.1 Estructura Física
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
19
Figura 2. Prototipo propuesto durante el semestre 2004-2
En la Figura 2 se presenta el diseño mecánico de este prototipo, el cual presenta algunos
inconvenientes con respecto al ensamble de las partes. La base fue diseñada en SolidEdge y
está hecha en ABS en la máquina de prototipado rápido suministrada por el Laboratorio de
Ingeniería Mecánica de la Universidad. Los brazos están hechos de aluminio y están
empotrados en unas bases de ABS que se deslizan por medio de unos tornillos para
modificar la distancia entre las cápsulas en las dos direcciones. Esta movilidad presenta
poca precisión, ya que permite que los brazos vibren cuando una corriente de viento es
fuerte, además el ajuste entre los brazos y la base no es muy aceptable, porque se usaron
materiales diferentes.
También, se puede observar en la Figura que las cápsulas no están completamente
alineadas, lo que origina una medición errónea. Pero el hecho que las cápsulas sean de
tamaño considerablemente pequeño y gracias a la geometría de los brazos, el viento puede
seguir su camino sin que se presente una perturbación apreciable. El flujo de viento es
ordenado y laminar. Esto es lo que tratará de conservar en el nuevo modelo, haciendo las
mejoras respectivas a los problemas mencionados con anterioridad.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
20
4.1.2 Diseño Electrónico
Como se mencionó al comienzo de esta sección, este instrumento posee dos pares de
sensores ultrasónicos con la referencia 40T-10AW, un sensor de temperatura LM35 que es
de fácil adquisición comercial y un sensor de presión MPX5700. Estos dos últimos
presentaron muy buenos resultados, por lo tanto, se conservarán para el nuevo prototipo.
Se manejó un PIC18F8620 para controlar las señales hacia las cápsulas y generar la
frecuencia de 40kHz que requieren, este dispositivo también posee conversores análogo-
digitales para digitalizar la señal proveniente de los sensores de presión y temperatura.
Además, posee un módulo de comunicación serial con el cual se hizo la interfaz con el
computador. En el computador se diseñó un programa en Visual Basic para la toma de
datos, el cual es fácil de usar y llamativo para el usuario.
La multiplexación de las señales dirigidas a y provenientes de las cápsulas se hizo por
medio de switches análogos (ADG511) y amplificadores operacionales (LF353).
4.2 Prototipo Desarrollado
En esta sección se dará solución a los requerimientos del nuevo prototipo para realizar un
correcto diseño tanto a nivel mecánico como a nivel electrónico.
4.2.1 Diseño Mecánico
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
21
En esta parte del diseño se tratará todo lo relacionado a la parte física del dispositivo y su
importancia en las mediciones.
4.2.1.1 Anemómetros Comerciales
Con el fin de establecer las características de este anemómetro ultrasónico, se hizo un
estudio acerca de los anemómetros que se consiguen comercialmente y a continuación se
lista lo que se encontró.
Estructura Características
RISO P2546
Tipo: Anemómetro de Cazoletas Dimensiones: 285mm x 188mm x 188mm Material: Aluminio Anodizado Rango de Medición: 0-70 m/s Desviación: 0.014 m/s Rango de Temperatura: -35°C - 60°C Alimentación Eléctrica: No requiere energía externa
YOUNG 3-D Modelo 81000
Tipo: Anemómetro Ultrasónico en 3 – D Dimensiones: 550mm x 170mm x 170mm Rango de Medición: 0-30 m/s Precisión: ±3% Rango de Temperatura: -50°C - 50°C Alimentación Eléctrica: 12-24 VDC @ 100 mA Comunicación: RS-232 y RS-485 @ 9600 – 38400 bps
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
22
YOUNG 2-D Modelo 85000
Tipo: Anemómetro Ultrasónico en 2 – D Dimensiones: 340mm x 170mm x 170mm Rango de Medición: 0-60 m/s Precisión: ±3% Rango de Temperatura: -50°C - 50°C Alimentación Eléctrica: 9-16 VDC @ 400 mA Comunicación: RS-232 y RS-485 @ 9600 – 38400 bps
WIDNSONIC
Tipo: Anemómetro Ultrasónico en 2 – D Dimensiones: 142mm x 142mm x 160mm Rango de Medición: 0-60 m/s Precisión: ±2% Rango de Temperatura: -35°C - 70°C Alimentación Eléctrica: 9-24 VDC @ 14.5 mA Comunicación: RS-232, RS-422 y RS-485
WNT 918020
Tipo: Anemómetro Ultrasónico en 2 – D Dimensiones: 300mm x 290mm x 290mm Rango de Medición: 0-60 m/s Precisión: ±0.7m/s Rango de Temperatura: -20°C - 50°C Alimentación Eléctrica: 13.2 VDC @ 3000 mA Comunicación: RS-232
Tabla 1. Anemómetros Comerciales
De la tabla anterior se pueden tomar las características más importantes para tenerlas en
cuenta para el diseño del nuevo prototipo. Estas características se mencionan en la siguiente
sección.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
23
4.2.1.2 Requerimientos del Nuevo Prototipo
Después de mencionar los inconvenientes que tenía el anterior prototipo y el
funcionamiento que se espera del nuevo, se puede decir que a nivel mecánico se requiere
que el anemómetro sea principalmente muy robusto físicamente, lo que implica que no
debe tener parte móviles (ya que éstas hacen que el anemómetro pierda rigidez), sería
preferible que el material de cada parte que compone el anemómetro sea del mismo
material, esto, con el fin que el ajuste entre piezas tenga la menor tolerancia posible, ya que
si los materiales son diferentes, el material más duro puede deteriorar uno de menor dureza.
Igualmente, es necesario que el material con el cual va a ser construido el anemómetro sea
capaz de soportar condiciones de lluvia sin corroerse, toda vez que el instrumento estará
expuesto al aire libre. Al igual que el material, los componentes para medir la velocidad,
temperatura y presión deben soportar condiciones de intemperie, sin producir una
degradación temprana, tanto de la señal como de ellos mismos.
La estructura física del nuevo anemómetro debe ser llamativa y amigable a la vista de un
usuario, los soportes que contienen las cápsulas deben ser delgados, con cambios de
sección suaves y curvaturas no muy bruscas con el fin de NO distorsionar la línea de aire
que va hacia los sensores, produciendo turbulencia en el ambiente y la lectura errónea de
los datos.
Por último, se debe garantizar que los brazos que soportan los sensores ultrasónicos deben
estar muy bien alineados para hacer una correcta medición de los datos.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
24
4.2.1.3 Selección del Material
Como se dijo anteriormente, se requiere un material que permita que el instrumento sea
rígido y que soporte condiciones de intemperie, para lo cual se tomo como opción el
acero inoxidable, el aluminio y el ABS. En la tabla siguiente se presentan las ventajas y
desventajas de cada material.
Material Ventajas Desventajas
Acero Inoxidable
• Rígido • Alta dureza y resistencia • Es Inoxidable • Fácil montaje con partes
roscadas
• El mecanizado no es fácil. No se pueden hacer piezas muy complicadas
Aluminio
• Liviano • Anticorrosivo
• Alta ductilidad lo que hace que las partes roscadas se dañen por esta propiedad
• Se permite mecanizar con facilidad
• Es el menos costoso
ABS
• Liviano • No tiene problemas con el agua • Se pueden hacer formas
complicadas (máquina de prototipaje rápido)
• Alta tolerancia entre partes • Es el más costoso de los tres
Tabla 2. Comparación entre materiales
Con base en la Tabla 2, se seleccionó el Acero Inoxidable debido a que se ajusta a la
característica de rigidez, que es la más importante, permite un montaje sencillo y no se
degraden las roscas debido a su alta dureza. A pesar que el mecanizado no es sencillo, se
puede diseñar un anemómetro con partes fáciles de maquinar y montar, además que sea
llamativo para la empresa o persona interesada en adquirirlo.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
25
4.2.1.4 Estructura Física del Anemómetro
Después de seleccionar el material a trabajar, se procede con el diseño del instrumento.
Como se dijo en la sección anterior, las partes diseñadas deben ser de fácil mecanizado, por
tanto deben tener superficies planas o cónicas o ser partes cilíndricas, las cuales son fáciles
de maquinar en torno o fresa. Las partes que componen el anemómetro físicamente son:
Cuatro (4) brazos que soportan los sensores ultrasónicos, una base donde van los brazos, un
soporte de todo el anemómetro.
El diseño de las partes se hizo en SolidEdge, un software de diseño en 3-D, se trató de
conservar las medidas del anterior prototipo, ya que eran bastante adecuadas (los planos se
presentan en el ANEXO A) resultando el prototipo mostrado en la Figura 3.
Figura 3. Prototipo propuesto en el semestre 2005-II
En la Figura 3 se puede ver que toda la estructura está hecha del mismo material (Acero
Inoxidable), las curvas son suaves y los cambios de sección no son bruscos, como es el caso
de las cápsulas que cargan los sensores ultrasónicos. Estas últimas tienen esta forma, con el
fin de que la línea de viento no se distorsione y produzca turbulencia. La base tiene
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26
superficies planas, aclarando que no fue fácil redondear las cuatro puntas, dada la dureza
del material.
4.2.1.5 Mecanizado del Prototipo
Todo el instrumento fue elaborado en el Laboratorio de Ingeniería Mecánica con las
máquinas suministradas allí, como son Tornos (para elaborar las partes cónicas y partes con
roscas), fresadora (para crear superficies planas como la base), taladros, esmeril para pulir
las piezas y darles un buen acabado. Pero a pesar de esto, el acabado no fue el más óptimo,
por lo que fue necesario que todas las piezas fueran pulidas para darles un acabado fino.
4.2.2 Diseño Electrónico
Para esta etapa del diseño del Anemómetro se describe el problema general y más adelante
se va detallando en cada etapa sus características, con el fin de dar una visión general del
problema, para posteriormente ir especificando cada parte con su solución respectiva.
4.2.2.1 Arquitectura General
La Arquitectura del Sistema se basa en los requerimientos del Prototipo, los cuales se
especificaron en la Sección 1 (Planteamiento del Problema). Esta Arquitectura se muestra
en la Figura 4.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
27
Figura 4. Arquitectura General del S istema
En la Figura 4 se presentan los bloques generales y funcionales del prototipo, los cuales
serán explicados con detalle más adelante.
4.2.2.2 Especificación por Bloques
A continuación se presenta el dispositivo por medio de un diagrama de bloques de alto nivel (Figura 5).
Figura 5. Diagrama de Bloques de Alto Nivel
AMBIENTE SISTEMA ANEMOMETRO
INTERFAZ USUARIO USUARIO
RX - Datos
TX - Ordenes
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28
Para entender el comportamiento general del dispositivo es necesario especificar cada uno
de los bloques de la Figura 5.
Ambiente: El anemómetro va a trabajar bajo condiciones ambientales a campo abierto, de
lo cual se concluye que el fluido con el que se va a trabajar es aire.
Anemómetro: El anemómetro debe ser capaz de medir seis (6) variables: Temperatura,
Presión, Velocidad N-S, Velocidad S-N, Velocidad E-O y Velocidad O-E. Para realizar
estas funciones se deben especificar varios bloques (Ver Figura 6), los cuales se describen
en las siguientes secciones.
Figura 6. Módulo Anemómetro
Usuario: Es la persona que finalmente desea hacer las mediciones del viento por medio del
anemómetro.
Interfaz con el Usuario: Este módulo se encarga de crear un ambiente amigable (fácil de
manipular) entre el usuario y el sistema de medición. Además, cumple la función de
interpretar las órdenes del usuario para ser transmitidas hacia el anemómetro y la respuesta
de éste hacia el usuario. Esta comunicación entre el usuario y el anemómetro se hará de
forma inalámbrica (Ver Figura 7).
Cápsulas Ultrasónicas
N-S
Cápsulas Ultrasónicas
E-O
Sensor Temperatura
Sensor Presión
AMBIENTE
TVUELO NS TVUELO SN
TVUELO EO TVUELO OE
Temperatura
Presión
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29
Figura 7. Módulo Interfaz Usuario
En este último módulo se desencadenan varios módulos:
- Módulo Remoto: Este módulo se encarga hacer la comunicación entre el módulo
base y el anemómetro cumpliendo las siguientes funciones:
• Generar la señal de excitación hacia las cápsulas transmisoras y recibir el dato
captado por los sensores receptores.
• Seleccionar la cápsula que va a enviar la señal en la dirección que se desea medir
– Multiplexación.
• Realizar la calibración de los sensores en las dos direcciones – NS y OE.
• Recibir las señales análogas de los sensores de Presión y Temperatura y las
convierte en señales digitales.
• Realizar el conteo de tiempo que tarda la señal generada en viajar de una cápsula a
la otra, para el posterior cálculo de la velocidad.
• Realizar el muestreo de los sensores cada 2 segundos y almacena los datos
medidos en una memoria cada 10 minutos.
• Poseer un reloj autónomo con el cual se sabe la hora exacta en la que se hizo una
medición.
- Módulo Base: Este módulo controla el flujo de datos desde y hacia el usuario
provenientes del módulo remoto, entre los cuales está el envío de órdenes hacia el
anemómetro y su respectiva respuesta.
MODULOBASE TX/RX
MODULOREMOTO
TX/RX USUARIO ANEMOMETRO
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
30
Todos estos módulos requieren de alimentación eléctrica para su funcionamiento. Es por
esto que existe un módulo encargado de realizar esta función.
También existe un módulo que especifica el control del protocolo de la comunicación
inalámbrica.
Como se dijo al comienzo de este documento, se desea que todos los componentes sean de
fácil adquisición en Colombia, por tanto, se van a utilizar componentes que funcionen entre
los niveles lógicos de 0 y 5V.
4.2.2.2.1 Módulo Remoto
Como se dijo anteriormente, este módulo se encarga de recibir los datos provenientes del
módulo base, garantizar que son correctos (decodificación – ver Sección Bloque de
Comunicaciones) y ejecutar la orden que se está solicitando. Para realizar cada tarea, a
continuación se especifica cada uno de los bloques que compone el sistema y se ilustran en
la Figura 8.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
31
Figura 8. Arquitectura Módulo Remoto
4.2.2.2.1.1 Bloque de Generación de Señal
Lo primero que se debe hacer es la selección de los sensores ultrasónicos. En los Proyectos
de Grado IM-2004-II-15 e IEL2-II-04-11 [4] se utilizaron los sensores de referencia 40T-
10AW (ver Figura 9 (a)) con los cuales se obtuvo muy buenos resultados, pero estas
cápsulas no poseen ningún tipo de protección para intemperie, por tanto, fue necesario
reemplazarlas. Después de analizar algunos modelos propuestos en el proyecto anterior, se
llegó a la conclusión de utilizar las cápsulas con referencia 40CA-18SC (Figura 9 (e)) de la
compañía APC, ya que soportan condiciones de intemperie y aunque son de mayor tamaño,
tienen buena respuesta tanto en tiempo como en ángulo de incidencia (Figura 10).
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
32
Figura 9. Alternativas de Sensores Ultrasónicos
Izquierda: (a) Cápsula 40T-10AW, (b) Cápsula de Alarmas Ultra, (c) Cápsula de Sigma Electrónica
Derecha: Cápsula 40CA-18SC
Figura 10. Características Cápsula 40CA-18SC [14]
Como se puede ver en la Figura 10, las cápsulas seleccionadas trabajan a una frecuencia de
40kHz, entonces, el Bloque de Generación de Señal cumple la función de generar una señal
cuadrada de 40kHz entre 0 y 5V.
4.2.2.2.1.2 Bloque de Selección
Este bloque se encarga de recibir la señal de 40 kHz y la dirección en la cual se desea medir para seleccionar la cápsula que se va a activar, para esto, se requiere hacer un sistema de multiplexación (o selección) que determina la cápsula que va a enviar la señal y la
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
33
cápsula que va a recibir su respuesta (ver Figura 11). Este bloque se conserva del prototipo anterior y se hace por medio de switches análogos con referencia ADG511 [17].
Figura 11. Multiplexación de la señal
4.2.2.2.1.3 Conteo de Tiempo
Este bloque se encarga de contabilizar el tiempo que tarda la señal generada en llegar a la
cápsula correspondiente, por ejemplo, si la señal se envió por la cápsula NS, ésta será
recibida por la cápsula SN (Ver Figura 12). Este tiempo se mide por medio de un
contabilizador de pulsos, el cual cuenta los pulsos recibidos por la cápsula receptora y este
número de pulsos está relacionado con el tiempo que tardó la onda en llegar y
consecuentemente con la velocidad del viento.
Figura 12. Bloque Conteo de Tiempo
Dirección Velocidad
Multiplexación (Habilitador)
1
Cápsula NS
Cápsula SN
Cápsula OE
Cápsula EO
Demultiplexación (Habilitador)
Acondicionamient
4
Generador de Frecuencia
14
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
34
4.2.2.2.1.4 Bloque Conversión Análogo / Digital
Este módulo se encarga de recibir las señales análogas provenientes de los sensores de
Temperatura y Presión que se encuentran entre 0 y 5V para ser posteriormente
digitalizadas. La resolución de estos conversores se establece en 8 bits, lo que da una
resolución en voltaje de 0.02V.
Para cumplir con este objetivo, se debe tener en cuenta los sensores que se van a utilizar.
Para medir la temperatura se conservará el sensor usado en el Proyecto anterior con
referencia LM35 [15], que posee una resolución de 10mV/°C y funciona entre 0°C-50°C, al
cual se le debe hacer una etapa de amplificación con ganancia de 10, para poder enviar la
señal al conversor. Se va a utilizar el amplificador operacional LF 353 [18].
También, se conservará el sensor de Presión del Proyecto anterior con referencia
MPX5700-AP [16] que funciona entre 0kPa-700kPa y la salida es entre 0 y 5V, por tanto,
no requiere ninguna etapa de amplificación.
4.2.2.2.1.5 Bloque Acondicionamiento de Señal
Este bloque tiene varias funciones. Recibe la señal percibida por la cápsula receptora y
realiza algunas etapas de amplificación y filtrado (ver Figura 13). Esto se debe hacer porque
la señal que reciben las cápsulas es de muy baja potencia y se encuentra en el rango de los
milivoltios. Además, debido al principio de funcionamiento de los sensores ultrasónicos
(explicado en la sección 3), estos pueden percibir frecuencias o vibraciones de otros
equipos, por lo que es necesario dejar pasar solo las señales que se encuentran alrededor de
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
35
40 kHz. El filtro que cumple esta función se diseñará con un ancho de banda de 20 kHz y se
utilizarán los amplificadores LF 353.
Figura 13. Diagrama de Bloques para el Acondicionamiento de la Señal Ultrasónica
4.2.2.2.1.6 Bloque Tiempo Real
Tomando como base las especificaciones dadas inicialmente, se requiere guardar los datos
cada 10 minutos, por lo cual, es indispensable saber la hora exacta en la cual se hizo la
medición y almacenarla junto con los demás datos tomados. Para esto, se hizo la selección
de un Reloj de Tiempo Real (RTC-Real Time Clock) DS1307 [10] que funciona con el
protocolo I2C (dos líneas) y ocupa poco espacio (8-pin DIP). Para un funcionamiento
autónomo, este dispositivo requiere de una pila de 3V y que solo se calibre una vez. En la
Tabla 3 se presenta el formato con el cual se escriben y leen los datos para el RTC.
Dato Rango Decenas Unidades Bits Decenas
Bits Unidades
Bits Total
Año 0-99 0-9 0-9 4 4 8 Mes 01-12 0-1 0-9 1 4 5 Día 01-31 0-3 0-9 2 4 6 Hora 00-23 0-2 0-9 2 4 6 Minuto 00-59 0-5 0-9 3 4 7 Total 12 20 32
Tabla 3. Formato de datos para el DS1307
Señal Recibida
AmplificaciónETAPA I Filtro Amplificación
ETAPA II Señal Acondicionada
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
36
4.2.2.2.1.7 Bloque Memoria
Este módulo se encarga de hacer el almacenamiento de datos, por un intervalo de tiempo de
máximo 1 mes en una memoria externa. Para saber el tamaño de la memoria, primero se
debía saber la cantidad de datos por medición, por lo cual se hizo el siguiente análisis:
Dato Cantidad Bits Tiempo NS 16 Tiempo SN 16 Tiempo OE 16 Tiempo EO 16 Temperatura 8
Presión 8 RTC 32
Total 112 Tabla 4. Datos almacenados por medición
En la tabla 4 se puede ver que los datos de Velocidad (Tiempo NS, SN, OE, EO) son de 16
bits, esto se explicará en el Bloque de Control. Para determinar el tamaño de la memoria se
hizo el siguiente cálculo:
mesbits438840
Hr1Min60x
Dia1Hr24x
Mes1Dias30x
Min10bits112 =
Este valor se acerca a una memoria comercial de 512 kbits, pero sería preciso
sobredimensionar el tamaño en caso que el usuario no descargue la memoria exactamente al
mes, es por esto que se escoge la memoria inmediatamente siguiente en tamaño que es de
1024 kbits, lo que arroja el siguiente cálculo:
Dias36Hr24
Dia1xMediciones6
Hr1xBits112
Medicion1xMemoria
Bits1024000 ≈
Este tamaño permite mantener una memoria durante aproximadamente 2 meses en
funcionamiento continuo, es decir, almacenando datos cada 10 min.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
37
En el Proyecto anterior, se planteó usar la memoria flash M58LW032D [9] de
STMicroelectronics de 32MBits, la cual permitía almacenar datos durante 2 años, lo que era
demasiado tiempo para esta aplicación. Además, es una memoria de tipo paralelo de 56
pines que ocupa bastante espacio. Por esta razón, se tomó la decisión de utilizar una
memoria de tipo I2C (solo requiere 2 pines) de 1024 kBits que puede ser de tipo Flash o
EEPROM. Después de hacer un estudio detallado de las memorias de este tipo que se
consiguen comercialmente, se encontró que las más apropiadas eran las de las marcas
ATMEL y MICROCHIP, las cuales tienen características muy similares, son de tipo
EEPROM, funcionan en un rango entre 3V y 5V y tienen bajo consumo de potencia.
Finalmente, se decidió utilizar la memoria 24LC1025 de Microchip [19] debido a que su
velocidad de lectura y escritura es un poco mayor a la de ATMEL.
Para la descarga de la memoria, el diseño se hará de la siguiente forma: Cuando se enciende
el módulo remoto la memoria se inicializa (se borra), cada 10 minutos se guardará 1 dato y
cada vez que la memoria sea descargada será borrada.
4.2.2.2.1.8 Bloque de Control
Después de especificar los bloques y componentes que conforman el módulo Remoto, solo
falta seleccionar el dispositivo que se encargará de controlar el flujo de señales.
El controlador tiene las siguientes funciones:
• Dependiendo de la dirección de la velocidad a medir, hará la selección de la cápsula que
se activará para enviar la señal.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
38
• Debido a que también hay muchos controladores que poseen ADC (conversores
Análogo/Digitales), este dispositivo también puede hacer la función del bloque
conversor.
• Puede hacer la función de Generación de la Señal de 40 kHz, ya que se debe activar una
señal en alto durante 12.5 µs y luego en bajo 12.5 µs.
• Realizará la función de conteo de tiempo por medio de un contador interno (Timer), ya
que la mayoría de Microcontroladores poseen por lo menos uno. Después de comenzar
a enviar la señal de 40 kHz, se activa el Timer y se cuentan los pulsos obteniendo el
tiempo de vuelo.
• Se debe seleccionar un dispositivo que maneje el protocolo de I2C para controlar el
flujo de datos desde y hacia la memoria y el RTC.
En el Proyecto anterior se utilizó el Microcontrolador PIC18F8620 de Microchip, el cual es
muy completo, pero posee demasiados pines (40 pines), lo que lo hace bastante grande para
la aplicación. Se decidió mantenerse dentro de la gama de Microchip, pero para seleccionar
el Microcontrolador más apropiado se debía saber el tipo y la cantidad de señales a
manejar:
Descripción Tipo de Señal Memoria y RTC I2C Conexión al computador USART Selección de Cápsulas 4 canales digitales Generación de Señal 1 canal digital Conversión A/D 2 canales análogos
Tabla 5. Señales Microcontrolador
Basándose en la Tabla 5 y después de hacer un estudio exhaustivo de los
Microcontroladores que se consiguen comercialmente, analizando costos y funcionalidad y
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
39
tamaño (ver Anexo C), se llegó a la conclusión de utilizar el PIC16F873 [7] que posee 28
pines y las funciones que se especificaron en la Tabla 5.
4.2.2.2.2 Módulo Base
Este módulo se encarga de interactuar con el usuario, interpretar sus órdenes y enviarlas al
Módulo Remoto. La Arquitectura que representa este módulo se presenta en la Figura 14.
Esta parte está compuesta básicamente por un módulo de Comunicaciones que se explicará
en la Sección 4.2.2.2.3 Bloque de Comunicaciones, un Controlador y un módulo de
Visualización.
El Bloque de comunicaciones se encarga de enviar las órdenes del usuario desde un
computador hacia el anemómetro. El bloque de Visualización es la interacción con el
Usuario, el cual es bastante llamativo y fácil de manejar para el usuario. Y por último, el
controlador maneja el flujo de datos desde el computador hacia el módulo de
Comunicaciones y viceversa.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
40
Figura 14. Arquitectura Módulo Base
Como se dijo anteriormente, el controlador maneja el flujo de datos y también se encarga
de hacer el protocolo de seguridad, codificación de los datos provenientes del computador
que van hacia el anemómetro y decodificación de los datos que llegan al computador. Pero
este proceso se explica con detalle en la Sección de Comunicaciones.
4.2.2.2.2.1 Visualización
En esta parte se hace la interfaz gráfica con el usuario, la cual debe ser fácil de manejar.
Aquí se desarrolla un software en el cual se presentan varias opciones que el usuario puede
elegir y que son interpretadas como órdenes para el anemómetro. El programa se encarga
de interpretar estas órdenes para ser enviadas por el puerto serial o USB hacia el
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
41
controlador, el cual, las codifica y posteriormente las envía al Módulo de Comunicaciones.
Las órdenes que debe realizar el anemómetro son:
• Toma de Datos de Referencia: Esta orden la puede hacer el usuario las veces que
quiera, pero se debe tener en cuenta que la toma de los datos de referencia de debe
hacer en un ambiente bajo condiciones controladas, es decir, velocidad nula (0 m/s),
temperatura y presión ambiente.
Los datos de referencia se almacenarán en la memoria EEPROM del Microcontrolador,
debido a que estos datos no se tomarán cada vez que se haga una medición o cada vez
que se encienda el módulo remoto. Además, se aclara que la memoria externa se
inicializa cuando se descargan los datos.
• Descargar Memoria: Como se dijo con anterioridad, la memoria guardará datos cada 10
minutos y en caso de que la memoria esté vacía o llena el programa mostrará un aviso
notificando esta información.
Los datos almacenados en la memoria no serán mostrados en la pantalla del
computador, sino que serán guardados en un archivo de Excel para su posterior
tratamiento.
• Toma de Datos Simultáneamente: Si el usuario desea ver lo que está midiendo el
anemómetro en tiempo real, se tiene esta opción. Esta opción iniciara la Toma de Datos,
la cual envía la orden de hacer el muestreo de los sensores y enviarlos al PC, los que
serán visualizaos en la pantalla del computador, estos datos serán: Velocidad NS,
Velocidad OE, Dirección Neta de la Velocidad, Magnitud de la Velocidad, Temperatura
y Presión. Además, se tendrá un espacio para indicar el nivel de la batería. Así mismo,
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
42
los datos de la memoria y los datos visualizados son guardados en un archivo de Excel
para que el usuario los manipule.
• Borrar Memoria: Esta orden le dice al anemómetro que debe inicializar (borrar) la
memoria externa.
• Calibración: Existen dos tipos de calibraciones: NS (Norte-Sur) y OE (Oeste-Este).
Estas envían la orden al anemómetro de hacer un muestro de la dirección NS ó EO,
respectivamente, durante 2 segundos, esto, con el fin de que el usuario tenga la
posibilidad de ver si las señales enviadas y recibidas son correctas y en caso necesario,
hacer las modificaciones pertinentes. Estas modificaciones simplemente consisten en
variar un par de potenciómetros, los cuales determinan la ganancia de las etapas de
amplificación.
• Calibrar RTC: Aprovechando que el computador posee un reloj interno y esta hora se
puede leer, cuando el usuario lo estime conveniente, el programa lee la hora actual y la
envía al módulo remoto para que este a su vez la envíe al reloj (RTC) con el fin de
garantizar que los datos se tomarán en la hora correcta.
4.2.2.2.3 Bloque Comunicaciones
Este módulo es el encargado de hacer toda la parte de comunicación inalámbrica. Los
módulos de comunicación tanto para la base como para el remoto tienen las mismas
conexiones y su funcionamiento es exactamente igual.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
43
Dentro de las características de este nuevo prototipo se encuentra que la comunicación
inalámbrica debe ser de un alcance mayor a 100m. Se realizó un estudio de algunos tipos de
comunicación inalámbrica y los resultados se presentan en la siguiente sección.
4.2.2.2.3.1 Alternativas de Comunicación Inalámbrica
Existen varias formas de hacer transmisión de datos inalámbricamente, pero no todas
presentan las mismas ventajas. Se desea seleccionar un tipo de comunicación de fácil
adquisición, que tenga un alcance de 100m como mínimo, permita una alimentación de 5V
ó 3V (para tener compatibilidad con los demás dispositivos) y tenga un bajo consumo de
potencia. Las alternativas analizadas se presentan en la Tabla 6.
Tipo Características Aplicación Infrarrojo Alcance: máx. 3m
Fácil montaje Seguridad: baja
Costo: muy bajo
Control remoto
RF Alcance: Hasta dos (2) kilómetros Facilidad en montaje: Depende de la
complejidad del dispositivo Seguridad en los datos depende del
medio donde se realice la transmisión A mayor alcance, mayor es el costo
Telemetría
Comunicación vía celular
Alcance: Cientos de kilómetros (ya que se tienen antenas repetidoras de la
señal) Facilidad en montaje: Complejo
Seguridad: Alta Costo: El más alto de estas opciones
Celulares
Tabla 6. Alternativas de comunicación inalámbrica
Con base en la Tabla 6, se descartó por completo la alternativa de transmisión de datos por
vía infrarrojo ya que el alcance es mínimo y no sirve para nuestra aplicación. Entonces,
quedan como posibles alternativas la comunicación por Radio Frecuencia y por vía celular.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
44
En el ANEXO F se puede encontrar una tabla comparativa de algunas empresas que
suministran dispositivos de Radio Frecuencia con sus principales características. También
en este anexo se presentan dos empresas que prestan el servicio de transmisión por vía
celular en Colombia.
Como conclusión, se puede decir lo siguiente: La comunicación vía celular es la alternativa
perfecta, ya que tiene un alcance bastante amplio y la seguridad en la transmisión es
bastante buena, ya que estos equipos poseen sistemas de filtrado de señales para evitar
interferencia con otras señales. Pero su desventaja es el alto costo de los equipos y la
mensualidad que se debe pagar y la dependencia de una empresa para la comunicación.
Esto es un factor muy importante porque si se presenta una persona que desea utilizar este
dispositivo en otro país es posible que la empresa con la cual se hizo la comunicación no
preste el servicio, entonces el instrumento quedará incompleto y el usuario tendrá que
descartar la opción de usar este Anemómetro ó pensar e implementar otra forma de acceder
a los datos tomados.
Por último está por analizar la comunicación por radio frecuencia. Este tipo de
comunicación es muy común en los sistemas de transmisión inalámbrica y permite un
alcance relativamente amplio, permite utilizar el protocolo de seguridad que se desee para
la transmisión de los datos e igualmente, se puede hacer la transmisión a tasas bastante
altas, dependiendo de la calidad del dispositivo. Se hizo un estudio de las alternativas de
comunicación por radiofrecuencia (ver ANEXO F y se encontró que trabajan en general
bajo las frecuencias de 315 MHz, 418 MHz, 433 MHz, 916 MHz y 2400 MHz, entre otras,
pero estas son las permitidas por el Ministerio de Comunicaciones de Colombia. Con base
en el estudio realizado, se decidió seleccionar unos módulos de la empresa LINX que son
los últimos y mejores dispositivos que se fabrican actualmente. Como se desea una
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
45
comunicación bi-direccional, se tenía la opción se seleccionar un transreceptor (transmisor
– receptor en un solo dispositivo) o un transmisor y un receptor tanto en la base como el
remoto. Se había decidido seleccionar un transreceptor de esta marca, pero debido a que ya
no están disponibles en el mercado no fue posible adquirirlo, es por esto, que se
seleccionaron un par de transmisores y uno de receptores con el fin de hacer la transmisión
bidireccional. En el Módulo Base se implementará un receptor de 315 MHz y un
transmisor de 433 MHz y en el módulo remoto se implementará un transmisor de 315 MHz
y un receptor de 433 MHz, esto se hizo de esta manera con el fin de eliminar el efecto de
interferencia entre los dos dispositivos, ya que los anchos de banda de estos son de 10.7
MHz. Las referencias seleccionadas son: TXM 433, RMX 433, TXM 315, RMX 315. [23],
[24]
4.2.2.2.3.2 Protocolo de Comunicación
Los dispositivos seleccionados están diseñados con un ancho de banda muy pequeño, lo
que hace que la transmisión de datos tenga una probabilidad de un menor error, ya que el
nivel de interferencia se puede ver reducido.
Por lo mencionado anteriormente, se decidió solamente implementar un protocolo de
chequeo de error así como funcionan muchos sistemas de comunicación como lo es
MODBUS. Como todos los datos son múltiplos de 8 (ver Tabla 4), se decidió implementar
un CRC8 (Check Redundancy Cycle) el cual es un protocolo de comunicación para tramas
de 8 bits. Por cada trama de datos se debe calcular su correspondiente CRC como se explica
a continuación.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
46
El CRC8 tiene el polinomio característico: X8+ X2 +X1+1 que se simboliza como 1 1110
0000 (0xE0) y lo que se debe hacer es una OR – Exclusiva consecutiva con este polinomio,
como se explica en el siguiente diagrama de flujo:
Figura 15. Diagrama de Flujo para el cálculo del CRC8
Ejemplo: DATO=0010 0111
CRC = 1111 1111
CRC = 0xFF XOR 0x27 = 1101 1000
Corrimiento 1: 0110 1100 ¬ 0
Corrimiento 2: 0011 0110 ¬ 0
CRC8=0xFF
CRC8=CRC8 XOR DATO
N=0
1 Corrimiento a la derecha
Bit 0=1?
CRC8=CRC8 XOR DATO
si no
N++
N>7? Enviar Mensaje si no
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
47
Corrimiento 3: 0001 1011 ¬ 0
Corrimiento 4: 0000 1101 ¬ 1
CRC = 0xE0 XOR 0x0D = 1110 1101
Corrimiento 5: 0000 0110 ¬ 1
CRC = 0xE0 XOR 0x06 = 1110 0110
Corrimiento 6: 0000 0011 ¬ 0
Corrimiento 7: 0000 0001 ¬ 1
CRC = 0xE0 XOR 0x01 = 1110 0001 = 0xE1
Mensaje total: 0x27E1
Los pasos que se describen en la Figura 14 se deben hacer cada vez que se desee enviar un
dato. Y para la recepción lo que se debe hacer es que por cada dato llegan dos bytes, el
primero es el dato y el segundo es su CRC, se debe calcular el CRC del dato recibido y
compararlo con el CRC recibido; si estos dos CRC (el recibido y el calculado) no
coinciden, se debe enviar una notificación anunciando la falla en la transmisión.
En conclusión, la comunicación se hace de la siguiente forma: Siempre la base va a
comunicarse con el remoto para enviar las órdenes. Entonces, cada vez que la base envíe un
dato con su respectivo CRC, ésta se quedará en un punto en el cual si se recibe un dato el
cual simboliza que el dato recibido por el remoto fue incorrecto (CRC no corresponde con
el verdadero), la base debe enviarlo nuevamente. Para el caso del remoto sucede lo mismo:
Pero si en el lugar donde se está haciendo la transmisión hay mucho ruido y/o interferencia
y la comunicación es muy pobre, tanto la base como el remoto tienen un número de
intentos máximo con el fin de que estos no se queden en un ciclo infinito, esperando el dato
correcto. Este número máximo de intentos es de 3 veces por transmisión.
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48
Se debe aclarar que esta codificación y decodificación la hacen los respectivos
microcontroladores. También, tanto en el programa base como en el remoto, si la
comunicación no fue exitosa, el programa debe volver al inicio a reanudar sus tareas
iniciales.
4.2.2.2.4 Bloque Alimentación Eléctrica
Debe haber un Bloque de Alimentación tanto para el Módulo Base como para el Remoto.
Módulo Base: Debido a que este módulo va unido al computador y este requiere de un
adaptador, se puede utilizar la alimentación AC y un conversor de Corriente Alterna a
Corriente Continua.
Módulo Remoto: Como este módulo soportará condiciones ambientales, se sobreentiende
que no tiene una fuente de corriente cerca, por tanto se pensó en varias alternativas, las
cuales se detallan a continuación.
4.2.2.2.4.1 Requerimiento de Potencia
Para saber cuanta potencia requiere el Módulo Remoto, es necesario conocer la cantidad
que consumen los componentes que lo conforman y que fueron seleccionados previamente.
En la Tabla 7 se presenta este cálculo.
Dispositivo
Voltaje [V]
Corriente Min [mA]
Corriente Max [mA]
Potencia Max [mW]
Memoria EEPROM
5 0.0001 5 25
PIC 16F873 5 0.001 25 125 ADG511 ±5 2.5x10-8 1 x10-3 0.01
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49
DS1307 5 5x10-5 1.5 7.5 LF353 ±5 1x10-7 6.5 65 LM35 5 0.056 114 x10-3 0.57 MPX5700 5 0.1 10 50 RXM 315 5 4 7 35 RXM 433 5 4 7 35 TXM 315 5 3 6 30 TXM 433 5 3 6 30 TOTAL 14.15 74 403.08
Tabla 7. Cálculo de Potencia Consumida Módulo Remoto
En la Tabla 7 se puede ver que el circuito requiere aproximadamente ½ Wattio. Además, es
necesario que el sistema de Potencia sea recargable y autónomo.
4.2.2.2.4.2 Alternativas de Alimentación Eléctrica
Teniendo en cuenta que este Proyecto trabajará con viento, se pensó en dos alternativas
básicamente: Un Aerogenerador y un Panel Solar. Se realizó un estudio sobre los dos y esto
fue lo que se obtuvo:
Ventajas Desventajas Aerogenerador - Compacto
- Eficiente - Robusto - Silencioso - Seguro - Fácil instalación - Robusto
- Mantenimiento periódico debido a la rodamientos
- Grande en Tamaño - En general, la garantía es por 2
años - Costoso - Potencia generada depende de
la intensidad del viento Panel Solar - Rápido y de fácil montar
- Reciclable - Diseño funcional - Duradero - Robusto - El mantenimiento no se hace muy
seguido - En general, la garantía es por 10 años
- Costoso - Potencia entregada depende de
la condición climática
Tabla 8. Comparación Panel Solar vs Aerogenerador
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
50
Después de analizar la tabla anterior se ve que la proporción entre ventajas y desventajas
para los dos productos es similar, pero la selección se inclinó por el Panel Solar debido a
que es de fácil adquisición, la garantía que ofrecen la mayoría de los distribuidores es por
10 años, no requiere de constante mantenimiento, es muy duradero, no posee partes
móviles, lo que lo hace más robusto, no contamina el medio ambiente, es reciclable debido
que algunos de las celdas se puede utilizar para otro panel y lo mejor es que su montaje es
muy sencillo (ver Anexo D). A continuación se hará la selección del Panel solar de acuerdo
a los requerimientos de Potencia.
4.2.2.2.4.2.1 Teoría sobre un Panel Solar
La producción de energía solar está basada en el fenómeno físico denominado “Efecto
Fotovoltaico”, que consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos
dispositivos semiconductores, denominados células fotovoltaicas. Estas células están
elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes en la Tierra y
componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos
como boro y fósforo, y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 amperios, a un
voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente la radiación luminosa. Las células se
montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte
de la radiación incidente se pierde por reflexión de las ondas luminosas y otra por
transmisión, ya que algunas ondas atraviesan las células. El resto es capaz de hacer saltar
electrones de una capa a la otra, creando una corriente proporcional a la radiación incidente.
Para aumentar la eficiencia de la célula se puede colocar una capa antirreflejo.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
51
Los paneles fotovoltaicos están compuestos por células fotovoltaicas de silicio
monocristalino o policristalino. La diferencia entre una y otra radica en el procedimiento de
fabricación. Las células de silicio monocristalino se obtienen a partir de silicio muy puro,
que se refunde en un crisol junto con una pequeña proporción de boro. Una vez que el
material se encuentra en estado líquido se le introduce una varilla con un 'cristal germen' de
silicio, que se va haciendo recrecer con nuevos átomos procedentes del líquido, que quedan
ordenados siguiendo la estructura del cristal. De esta forma se obtiene un monocristal
dopado, que luego se corta en obleas de aproximadamente 3 décimas de milímetro de
grosor. Posteriormente, y antes de realizar la serigrafía para las interconexiones
superficiales, se recubren con un tratamiento antireflexivo de bióxido de titanio o zirconio.
Existen dos tipos de Células: Policristalinas y Monocristlinas. En las células policristalinas,
en lugar de partir de un monocristal, se deja solidificar lentamente sobre un molde la pasta
de silicio, con lo cual se obtiene un sólido formado por muchos pequeños cristales de
silicio, que pueden cortarse luego en finas obleas policristalinas (ver Figura 16).
Figura 16. Construcción de un Panel Fotovoltaico
El sistema fotovoltaico consta de los siguientes elementos (Ver Figura 17):
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
52
Un generador solar: Compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos que perciben la
radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continua a baja tensión.
Un acumulador: Almacena la energía producida por el generador y permite disponer de
corriente eléctrica fuera de las horas de luz ó en días nublados.
Un regulador de carga: Evita sobrecargas o descargas excesivas en el acumulador, lo que
produciría daños irreversibles. Además, asegura que el sistema trabaje siempre en el punto
de máxima eficiencia.
Inversor (opcional): Transforma la corriente continua almacenada en el acumulador, en
corriente alterna.
(a) (b) (c)
Figura 17. Componentes de un Panel: (a) Panel Solar. (b) Batería. (c) Inversor
Como quiera que el panel carece de partes móviles y que las células y los contactos van
encapsulados en una robusta resina sintética, se consigue una muy buena fiabilidad junto
con una larga vida útil, del orden de 30 años o más.
Los paneles van protegidos en su cara exterior con vidrio templado, que permite soportar
condiciones meteorológicas muy duras tales como el hielo, la abrasión, cambios bruscos de
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
53
temperatura o los impactos producidos por el granizo. Una prueba estándar para su
homologación consiste en lanzar una bola de hielo de dimensiones y consistencia
preestablecidas al centro del cristal esperando que éste no se quiebre.
Las instalaciones fotovoltaicas requieren un mantenimiento mínimo y sencillo que se
reduce a lo siguiente:
Paneles: Requieren un mantenimiento nulo o muy escaso, debido a su propia
configuración: no tienen partes móviles y las células y sus conexiones internas están
encapsuladas en varias capas de material protector. Es conveniente hacer una inspección
general 1 ó 2 veces al año, asegurándose que las conexiones entre los paneles y el regulador
están bien ajustadas y libres de corrosión. En la mayoría de los casos, la acción de la lluvia
elimina la necesidad de limpieza de los paneles; en caso de ser necesario, simplemente se
utiliza agua.
Regulador: La simplicidad del equipo de regulación reduce sustancialmente el
mantenimiento y hace que las averías sean muy escasas. Las operaciones que se pueden
realizar son las siguientes: Observación visual del estado y funcionamiento del regulador;
comprobación de las conexiones y cableado del equipo.
Acumulador: Es el elemento de la instalación que requiere una mayor atención; de su uso
correcto y buen mantenimiento dependerá en gran medida su duración. Se debe hacer un
seguimiento al nivel del electrolito cada seis meses aproximadamente.
Los paneles fotovoltaicos generan electricidad incluso en días nublados, aunque su
rendimiento disminuye. La producción de electricidad varía linealmente con la luz que
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
54
incide sobre el panel; un día totalmente nublado equivale aproximadamente a un 10% de la
intensidad total del sol y el rendimiento del panel disminuye proporcionalmente a este valor
(ver Figura 18 (a)). Fundamentalmente de la intensidad de la radiación luminosa y de la
temperatura de las células solares, depende la producción de corriente y el nivel de voltaje
(Ver Figura 18 (b)).
La intensidad de corriente que genera el panel aumenta con la radiación, permaneciendo el
voltaje aproximadamente constante. En este sentido tiene mucha importancia la colocación
de los paneles (su orientación e inclinación respecto a la horizontal), ya que los valores de
la radiación varían a lo largo del día en función de la inclinación del sol respecto al
horizonte.
El aumento de temperatura en las células supone un incremento en la corriente, pero al
mismo tiempo una disminución mucho mayor, en proporción, de la tensión. El efecto
global es que la potencia del panel disminuye al aumentar la temperatura de trabajo del
mismo. Por ello es importante colocar los paneles en un lugar en el que estén bien aireados.
Figura 18. Características Lumínicas: (Izquierda) Luminosidad vs. Carga Batería.
(Derecha) Corriente vs. Voltaje
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
55
Batería: Para la selección de una Batería se deben tener en cuenta dos características
importantes: la capacidad en Amperios hora y la profundidad de la descarga.
Capacidad en Amperios hora: Los Amperios hora de una batería son simplemente el
número de Amperios que proporciona, multiplicado por el número de horas durante las que
circula esa corriente. Sirve para determinar en una instalación fotovoltaica, cuanto tiempo
puede funcionar el sistema sin radiación luminosa que recargue las baterías. Esta medida de
los días de autonomía es una de las partes importantes en el diseño de la instalación.
Ratios de carga y descarga: Si la batería es cargada o descargada a un ritmo diferente al
especificado, la capacidad disponible puede aumentar o disminuir. Generalmente, si la
batería se descarga a un ritmo más lento, su capacidad aumentará ligeramente. Si el ritmo es
más rápido, la capacidad se reducirá.
Temperatura: Otro factor que influye en la capacidad es la temperatura de la batería y la de
su ambiente. El comportamiento de una batería se cataloga a una temperatura de 27 grados.
Temperaturas más bajas reducen su capacidad significativamente. Temperaturas más altas
producen un ligero aumento de su capacidad, pero esto puede incrementar la pérdida de
agua y disminuir el número de ciclos de vida de la batería.
Profundidad de descarga: La profundidad de descarga es el porcentaje de la capacidad total
de la batería que es utilizada durante un ciclo de carga/descarga. Las baterías de “ciclo poco
profundo” se diseñan para descargas del 10 al 25% de su capacidad total en cada ciclo. La
mayoría de las baterías de ciclo profundo fabricadas para aplicaciones fotovoltaicas se
diseñan para descargas de hasta un 80% de su capacidad, sin dañarse.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
56
La profundidad de la descarga, no obstante, afecta incluso a las baterías de ciclo profundo.
Cuanto mayor es la descarga, menor es el número de ciclos de carga que la batería puede
tener. [21]
4.2.2.2.4.2.2 Dimensionamiento y Selección de un Panel Solar
Para aprovechar toda la potencia del Panel Solar, este debe ir acompañado de otros
componentes, lo cuales se presentan en la Figura 19. En esta Figura se presentan dos casos,
en los cuales se desea obtener potencia AC y DC a partir del Panel Solar, pero para la
aplicación del Anemómetro, solo se utilizará la parte en donde se obtiene potencia DC.
Figura 19. Conformación de un Panel Solar
Al observar la Figura 19 en la parte de acondicionamiento DC, se puede ver claramente un
regulador de Carga y un acumulador (Batería), el cual toma la corriente entregada por el
panel y genera un voltaje constante a 6V, 9V, 12V ó 24V, dependiendo del tipo de
regulador.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
57
• Requerimientos: - Potencia Máxima: 500mW - Horas de Funcionamiento por Día: 24
• Nivel Promedio de Insolación1 en Colombia por Día: 4kWH/m2 [20] • Voltaje Nominal: 12V • Eficiencia Batería Estándar: 80% • Eficiencia Regulador Estándar: 90% • Máxima descarga de la Batería: 20% • Cálculos:
- Consumo de Energía: Wh12h24x)W5.0( =
- Carga del Panel: Dia/Wh66.169.0x8.0
Wh12=
- Tamaño del Panel: Wp9.4)85.0(x)h4(
Wh66.16= 2
cm7xcm7Am0049.0m/W1000
Wp9.4 22 ==>=
- Dimensionamiento de la Batería: AH5)V12(x)2.0(
Wh12=
Con base en los cálculos anteriores, se resume que se requiere un Panel Solar de 7cm x 7
cm de área con células de Silicio Policristalinas, un regulador de 12 voltios, una batería a
este mismo voltaje con una carga de 5 Amperios-Hora.
Después de analizar en el mercado, se escogieron los siguientes componentes:
Componente Empresa Referencia Batería (Ver Anexo E)
Hobbies Guinea CHVS-26190
Regulador (Ver Anexo D
TorreSolar Shell ST5
Panel Solar (Ver Anexo C
Sundance Solar MPT6-150
Tabla 9. Componentes seleccionados para el Panel Solar
1 El nivel de insolación es la energía radiada por el Sol sobre la Tierra 2 Watt- pico se define como la potencia de salida, en Wattios, que produce un módulo Foto Voltaico en condiciones de máxima iluminación solar, con una radiación de aproximadamente 1 kW/m2
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
58
5 IMPLEMENTACION Y VALIDACION
En esta sección se pasa del diseño a la implementación física de los bloques especificados
con anterioridad. Se hará un descripción detallada tanto a nivel Hardware como a Software
de las partes que componen el Sistema del Anemómetro Ultrasónico.
El circuito completo se hizo en PCB, pero se implementó por módulos con el fin de que
estos fueran intercambiables en caso de que alguien más desee seguir con este proyecto.
Se tienen 5 módulos distribuidos de la siguiente forma:
Módulo 1: Microcontrolador, memoria y RTC
Módulo 2: Sensado. Aquí se encuentran los switches análogos y llegan las conexiones de
los sensores ultrasónicos, de presión y temperatura.
Módulo 3: Filtro y amplificación
Módulo 4: Comunicación Inalámbrica
5.1 Hardware
En esta sección se describe la implementación de los circuitos que hacen funcionar el
Anemómetro. La implementación de los circuitos se hizo modularizada, ya que de esta
forma es más fácil detectar y corregir un error, además, si se desea cambiar la manera de
sensar, solo es cambiar el impreso donde se hace el sensado y no todo el impreso del
proyecto, lo mismo sucede en la parte del filtro, si alguien desea continuar este proyecto y
desea cambiar el filtro, solo debe cambiar ese impreso.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
59
5.1.1 Módulo de Selección
Como se dijo en la sección 4, este módulo se encarga de seleccionar la cápsula que va a enviar la señal. Está compuesto por switches análogos ADG511, que se presentan en la Figura 20. Pero el control de los bits de las cápsulas se hace en software por medio del Microcontrolador.
Figura 20. Esquemático Módulo de Selección
5.1.2 Módulo de Conversión A/D
Aunque la conversión Análogo/Digital la hace el Microcontrolador internamente, al sensor
de Temperatura se le debe hacer una etapa de pre-amplificación, ya que la señal generada
es muy baja (en el orden de los mV), esta etapa se hace con amplificadores LF 353 en una
configuración no inversora de ganancia 10 que se muestra en la Figura 21.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
60
Figura 21. Arriba: Esquemático Sensor de Temperatura
5.1.3 Módulo de Acondicionamiento de la Señal
Este módulo como ya se dijo se encarga de amplificar y filtrar la señal proveniente de la
cápsula receptora. Esta señal debe ser amplificada debido a que la señal generada por los
sensores ultrasónicos es demasiado baja. La configuración realizada se presenta en la
Figura 22.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
61
Figura 22. Arriba: Esquemático Módulo de Acondicionamiento
Abajo: S imulación del módulo del filtro
En la Figura que muestra la simulación del filtro, se ve que este desfasa la señal por 1us,
esto se toma en cuenta en el momento de la calibración para corregir este desafse en el
cálculo del tiempo de vuelo.
5.1.4 Módulo de RTC
El RTC es programado por el microcontrolador, pero necesita una configuración especial, ya que requiere de un cristal para llevar el conteo del tiempo y de una batería externa de 3V, en caso de que la alimentación eléctrica no se encuentre (ver Figura 23).
Figura 23. Izquierda: Esquemático RTC. Derecha: Diagrama de Tiempos [10]
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
62
5.1.5 Módulo de Almacenamiento
Al igual que el RTC, la memoria se programa serialmente por medo del protocolo I2C. Los
pines SDATA y SCLK son comunes para los dos dispositivos y van a los pines
correspondientes del Microcontrolador. Lo que hace que se diferencien es el número de
identificación de cada dispositivo que se explica en las secciones 5.2.4 y 5.2.5 para el RTC
y memoria, respectivamente. En la Figura 24 se presenta la conexión de la memoria.
Figura 24. Izquierda: Esquemático memoria. Derecha: Diagrama de Tiempos [19]
5.1.6 Módulo de Comunicaciones
Este módulo es común para la Base y el Remoto, es decir, el circuito impreso es el mismo,
ya que el tipo de comunicación es el mismo y ambas partes utilizan un Microcontrolador.
Su esquemático se presenta en la Figura 25.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
63
Figura 25. Esquemático Comunicaciones: (Izquierda). Base (Derecha) Remoto
En la Figura 25 se aprecian dos esquemáticos, la configuración es la misma, lo que cambia
son los módulo de recepción y transmisión. Para la Base, se tiene un Transmisor de
433MHz y un receptor de 315MHz y para el Remoto el Transmisor es de 315MHz y el
Receptor es de 433 MHz. Se recuerda que esto se hizo así para tener transmisión
inalámbrica Bi-direccional.
Para hacer este impreso se tuvieron en cuenta las características detalladas seguidamente:
- El voltaje de alimentación debe ser limpio, es decir, no debe tener ruido, ya que esto
afecta las señales tanto de recepción como de transmisión. Es por esto, que se
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
64
implementó un pequeño filtro RC a la entrada de la alimentación, para que suprimiera
los picos de voltaje y no atenuara el valor del mismo.
- Es necesario tener un plano de tierra el respaldo del impreso para evitar impedancias
parásitas que pueden modificar los datos.
- Los caminos que unen los componentes deben ser de un ancho considerable debido a la
alta frecuencia de operación (en el orden de los MHz) y para evitar la filtración de
impedancias.
- Los caminos entre las antenas y los integrados debían ser bastante anchos y de longitud
menor a 0.25 in para un correcto funcionamiento.
- A pesar que los dos dispositivos funcionan a frecuencias distintas, no es recomendable
dejarlos muy cerca para evitar interferencia.
5.1.7 Módulo de Alimentación Eléctrica
Como se explicó en la parte de diseño, se llegó a la conclusión que un Panel Solar es la
mejor alternativa de alimentación eléctrica para el Módulo Remoto, pero para la
implementación se emulará el Panel por medio de una batería de Plomo-Silicio, que como
se dijo en aquella sección, son las mejores para los paneles solares. Se implementó una
batería de 12V a 7AH que fue la dimensionada junto con el panel. Como todos los
dispositivos funcionan a 5V, fue necesario implementar una etapa de regulación por medio
de un regulador comercial de 5 V con referencia 7805, pero los que tienen capacidad de
entregar hasta 500mA de corriente, ya que se explicó que el circuito requiere cerca de
100mA.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
65
Cuando se implementa una batería se debe tener un sistema de Back-up en caso que la
batería principal se descargue. Este sistema se presenta en la Figura 26. Consiste
básicamente en dos diodos en serie, de tal forma que cuando la alimentación primaria falle,
la batería pasaría a ser fuente de alimentación y este switcheo se debe al voltaje de de
conmutación de los diodos (~0.7V).
Para el módulo Base, se implementó un regulador de 5V, pero la alimentación se puede
hacer también con un Conversor AC/DC de 12V ó 9V.
Figura 26. S istema de Back- Up
5.2 Software
En esta parte del proyecto se especificará todo lo que se hizo con respecto a la
programación de todos los dispositivos.
5.2.1 Módulo de Generación de Señal
La función de este módulo la realiza el microcontrolador por medio de un bit. Este bit se
pone en “1” (5V) durante 12.5 µs y luego en “0” durante 12.5 µs más (40 kHz : 1/25 µs),
estos tiempos se pueden medir mediante un Timer que posee el microcontrolador
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
66
internamente. Además, para lograr estos intervalos de tiempo tan pequeños, se decidió
utilizar un cristal de 20MHz para el microcontrolador, que da un tiempo de máquina de 200
ns (tciclo = 4/fosc).
5.2.2 Módulo de Conteo de Tiempo
Esta función también es realizada por el Microcontrolador y su labor es contar el tiempo
que se tardó la señal receptora en recibir 20 pulsos, después de haber mandado la señal de
40 kHz por 100 ms. Este procedimiento se hace para todas las direcciones (NS, SN, OE,
EO).
5.2.3 Módulo de Control
La función de este módulo al igual que los dos anteriores, la desempeña el
microcontrolador. Dependiendo de la velocidad en la cual se va a tomar el tiempo de vuelo,
genera 4 bits que determinan la cápsula que se va activar como se presenta en la Tabla 10.
Estos 4 bits van a los switches análogos que multiplexan la señal.
Bits de Control Dirección 1000 NS 0100 SN 0010 OE 0001 EO
Tabla 10. Bits de control de las cápsulas
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
67
5.2.4 Módulo de RTC
Se programa a través de los pines SDATA y SCLK, La señal El SCLK es el reloj del RTC,
funciona a una frecuencia de 400 kHz y esa es la tasa a la que lee y escribe los datos. Por el
pin SDATA, se leen y escriben los datos del RTC y dentro del módulo cada variable de
tiempo (segundo, minuto, hora, día, mes, año) posee una dirección específica que es
programada por el Microcontrolador. Cuando se envía un dato hacia el RTC, el
Microcontrolador debe esperar un Acknowledgement confirmando que recibió el dato
correctamente.
Como hay muchos dispositivos que funcionan con el protocolo I2C, cada uno de estos tiene
un número de reconocimiento. Siempre que se va a hablar con el RTC se debe enviar el
número 1101000, para que este identifique que es con él con quien se desea hablar.
5.2.5 Módulo de Almacenamiento
Similar al RTC, es el comportamiento de las memorias seriales. Estas también poseen un
número de reconocimiento, que en el caso de la memoria 24LC105 es 1010XXX, donde los
tres últimos bits dan el número de la memoria que se va a trabajar, esto se debe a que las
memorias seriales puede conectarse en cascada para formar una memoria de mayor tamaño
y es por esto que tienen un número asociado. En este caso, como solo se está utilizando una
memoria, estos bits serán 000. Esta memoria también está trabajando a una velocidad de
400 kHz al igual que el RTC y el protocolo es manejado por el módulo I2C del
Microcontrolador. Para leer o escribir en la memoria primero se debe enviar la dirección de
la posición en la que se va a trabajar (leer o escribir), esta memoria posee dos bytes que
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68
conforman las direcciones, entonces, primero se envía la parte alta de la dirección, luego
parte baja y posteriormente el dato de 8 bits (ver Figura 27).
Figura 27. Direccionamiento de la Memoria [19]
La organización en la memoria de los datos medidos por el anemómetro se hizo de la
siguiente manera:
Dato Pos. EEPROM Parte Alta Tiempo NS 0x00 Parte Baja Tiempo NS 0x01 Parte Alta Tiempo SN 0x02 Parte Baja Tiempo SN 0x03 Parte Alta Tiempo OE 0x04 Parte Baja Tiempo OE 0x05 Parte Alta Tiempo EO 0x06 Parte Baja Tiempo EO 0x07 Temperatura 0x08 Presión 0x09 RTC-Min 0x0A RTC-Hora 0x0B RTC-Dia 0x0C RTC-Mes 0x0D RTC-Año 0x0E
Tabla 11. Organización de Datos en Memoria Externa
5.2.6 Módulo de Visualización
Este módulo es la interacción que hay entre el usuario y el anemómetro. Este programa se
realizó en Visual Basic 6.0 (ver Figura 28) y el usuario tiene la opción de seleccionar las
siguientes órdenes:
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
69
• Iniciar Anemómetro: Esta operación se hace una sola vez, cuando el anemómetro el
puesto a funcionar por primera vez. Al oprimir esta opción el usuario debe esperar a que
aparezca en el recuadro de “Estado del Programa” la frase: “Anemómetro inicializado”
• Descargar Memoria: El usuario tiene la opción de descargar los datos que hay en la
memoria las veces que desee, pero estos no serán mostrados en pantalla y quedarán
guardados en un archivo de Excel, que será sobre-escrito cada vez que se descargue la
memoria. En caso de que la memoria esté llena, el programa muestra un aviso en la
pantalla notificando esta información (Ver Figura 29). Mientras la memoria está siendo
descargada en el cuadro de “Estado del Programa” saldrá un aviso que dice:
“Descargando memoria” y ningún otro comando puede ejecutarse hasta que se termine
esta operación (Ver Figura 30).
Figura 28. Interfaz Gráfica de Visual Basic
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Figura 29. Aviso de Notificación memoria llena
Figura 30. Datos Descargados de la memoria
• Borrar Memoria: Esta orden le dice al anemómetro que debe borrar la memoria
EEPROM y se puede ejecutar cada vez que se desee. Esta operación toma a lo sumo 1s.
y en el cuadro de “Estado del programa” aparece un aviso diciendo: “Memoria
borrada”.
• Calibración Norte-Sur / Calibración Este-Oeste: Esta opción envía la orden al
anemómetro de hacer un muestreo durante 3 segundos de la dirección NS / EO, para
que el usuario pueda ver si la señal enviada y la señal recibida son correctas. Estos datos
muestreados no se desplegarán en pantalla, sino que el usuario tendrá que verlos en el
módulo remoto. Esta operación es recomendable que la realice una persona de
mantenimiento y no el usuario directamente, ya que es posible que se deban variar
algunos potenciómetros.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
71
• Datos de Referencia: La toma de datos de referencia se debe hacer en un ambiente bajo
condiciones controladas, se almacenarán en la memoria EEPROM del Microcontrolador
del módulo remoto y no serán visibles para el usuario, ya que estos datos son tiempos
de vuelo que se requieren para el cálculo de la velocidad total del viento.
• Inicio Toma de Datos: Por medio de esta opción el usuario tiene la posibilidad de ver en
pantalla los datos que está midiendo el anemómetro, estos datos serán desplegados en
las casillas: Velocidad Norte-Sur en m/s, Velocidad Este-Oeste en m/s, Magnitud de la
Velocidad en m/s ( 22 OENSMAG += ), Dirección de la Velocidad en °
( ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= −
NSOETanDIR 1 ), Temperatura en °C y Presión en kPa. Los datos se muestrearán de
acuerdo al intervalo seleccionado por el usuario en el botón Muestreo, existen las
opciones de 1s, 10s y 1 min.
• Fin Toma de Datos: Mientras el Anemómetro está realizando el muestreo, el usuario
puede seleccionar esta opción para finalizar la toma de datos. Esta opción envía una
orden al anemómetro para que deje de enviar los datos que está midiendo. Los datos
que fueron mostrados en la pantalla se guardan en un archivo de Excel que será
sobrescrito cada vez que el usuario de Inicio de Toma de Datos (Ver Figura 31).
Figura 31. Datos tomados S imultáneamente
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
72
• Calibrar Reloj: Cuando el usuario presiona esta orden, el programa toma la hora del
computador y la enviar al módulo remoto para que este actualice el RTC. Los datos que
se envían son año, mes, día, hora y minuto.
• Ver Reporte en Excel: Con esta opción se abre un archivo de Excel llamado
DatosAnem.xls, donde la Hoja 1 muestra los datos tomados simultáneamente y la Hoja
2 muestra los datos guardados por la memoria.
• Abrir Puerto: La comunicación con el computador puede ser por puerto serial o USB
(por medio de un conversor Serial-USB) y el usuario tiene la opción de escoger por el
número del puerto por el que va a hacer la comunicación. Las opciones son: COM1,
COM2 y COM3.
• Cerrar Puerto: Si se oprime esta opción, se cerrará la comunicación con el anemómetro.
Es recomendable que el puerto se abra después de haber encendido el módulo base.
El cálculo de la velocidad en cada una de las direcciones se hace de la siguiente manera:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−−
−=
NSRSNNSRNS TT1
TT1*
2DVelNS , donde TR es el dato de referencia en esa dirección y
D es la distancia entre sensores.
5.2.7 Módulo de Comunicaciones
La implementación de este módulo se explicó en la sección 5.1. Todo el protocolo de
comunicación se hizo internamente en los Microcontroladores, tanto de la Base como del
Módulo Remoto, siguiendo los pasos que se presentaron en el diagrama de flujo de la
Figura 14.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
73
A cada orden recibida se le hace el protocolo de chequeo y si el dato llegó mal, se pide
volver a enviarlo hasta que llegue correctamente, esto se hace tanto en la base como en el
remoto. Lo mismo sucede con los datos de salida, cada dato tiene asociado un CRC de 8
bits con el cual el receptor puede confirmar que el dato es correcto y en caso de no serlo,
puede volver a pedirlo.
Las órdenes explicadas en la sección anterior tienen asociadas un dato y esta codificación
se presenta en la Tabla 12.
Orden Descripción A Toma Datos de Referencia B Inicio Toma Datos C Fin Toma Datos D Borrar Memoria E Inicializar Anemómetro F Descargar Memoria G Calibración NS H Calibración OE I Calibrar RTC
Tabla 12. Codificación órdenes
Módulo Base:
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
74
MóduloRemoto:
INICIO
Llego dato por PC? no
si
Codificar dato
Deshabilitar Receptor
Habilitar Transmisor
Habilitar Receptor
Decodificar Trama
Llegó dato por RF?
si
no
Enviar orden
Enviar al PC
Habilita receptor RF
Se espera dato? si
no
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
75
INICIO
Se había iniciado el anemómetro anteriormente?
si
no
Espera orden de inicio
Borrar Memoria externa
Recibe fecha actual
Generación de frecuencia de 40kHz
Envía frecuencia a cápsula i
Toma tiempo cápsula i
i=1
Guarda dato i
i++
i=4 no
si
Promediar datos tomados
Guarda dato i en EEPROM del PIC
Llegó dato por RF?
Decodifica dato
si
no
Han pasado 10 min?
Guardar datos en memoria externa
Leer RTC
Han pasado 2 seg?
si
no
sino
Dato = “A”?
Toma datos de referencia A
Dato = “B”?
si
no
Toma datos simultáneamente
Dato = “D”?
Borrar memoria externa
B
D
Dato = “F”?
Descargar memoria F
Dato = “G”?
Calibración NS G
Dato = “H”?
Calibración OE H
Dato = “I”?
Calibrar RTC I
Calibrar RTC I
D
Toma dato análogo de Presión
Toma dato análogo de Temperatura
no
no
no
no
no
no
si
si
si
si
si
si
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
76
5.3 Costos del Material
Costos de los componentes electrónicos:
Componente Descripción Cantidad Precio [$] 24LC1025 Memoria Serial 1 10.000 PIC 16F873A Microcontrolador 2 20.000 ADG511 Switch Análogo 2 6.500 DS1307 RTC 1 8.000 LF353 Amplificador Operacional 5 7.500 LM35 Sensor de Temperatura 1 2.000 MPX5700 Sensor de Presión 1 27.000 RXM-315 Receptor RF a 315MHz 1 40.000 RXM-433 Receptor RF a 433MHz 1 40.000 TXM-315 Transmisor RF a 315MHz 1 20.000 TXM-433 Transmisor RF a 433MHz 1 20.000 ANT-433 Antena a 433 MHz 2 15.000 ANT-315 Antena a 315 MHz 2 15.000 TOTAL 233.000
Costos Estructura Física:
Parte Cantidad Costo [$] Base Brazos 1 38,000 Brazos 4 20,000 Soporte Cápsulas 1 7,000 Tubo Soporte 1 6,000 Base 1 15,000 Doblado Tubos 24,000 Maquinado Gral 25 hrs 2,000,000 Pulido de Partes 10,000 TOTAL $2,120,000.00
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
77
6 RESULTADOS OBTENIDOS
En esta sección se presentan los resultados obtenidos con el Prototipo Anterior y con el
Nuevo.
6.1 Calibración de Cápsulas Ultrasónicas
Para comparar el comportamiento de las cápsulas ultrasónicas que se usaron en el Proyecto
anterior y en este, fue necesario realizar un protocolo de calibración. Esta calibración
consiste en instalar el anemómetro en el túnel de viento, que se encuentra en el Laboratorio
de Mecánica de la Universidad de Los Andes, junto con un anemómetro calibrado para
comparar los datos y por medio de un ajuste de datos se hace la curva de calibración. La
calibración se hace a distintas velocidades que pueden ser controladas por medio del túnel
(Ver Figura 32).
Figura 32. Túnel de Viento [22]
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
78
Para hacer esta calibración se puede implementar un Anemómetro de Cazoletas o un tubo
de Pitot (Ver Figura 33). El Anemómetro de Cazoletas está formado por 3 cazoletas
ubicadas alrededor de un eje, los cuales giran cuando llega una ráfaga de viento y la
velocidad de rotación de las cazoletas es proporcional a la velocidad del viento y el Tubo de
Pitot mide la diferencia de presión debida a la velocidad del viento y este valor es
equivalente a la velocidad del viento con la siguiente ecuación:
]OHin[P81.91000100
54,2]K[Temp
293]mBar[esionPr
1000291,1 2∆⋅⋅ .
Figura 33. Izquierda: Tubo de Pitot. Derecha: Anemómetro de Cazoletas
La Instalación del Anemómetro dentro del Túnel de Viento se presentan el la Figura 34.
Los datos de calibración se presentan en las Figuras 35 y 36.
Figura 34. Instalación en el Túnel de Viento
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
79
Calibración Tubo de Pitot Vs Anemómetro UltrasónicoP = 72 kPa T = 20.6 ºC
y = 0,7713x - 7E-05R2 = 0, 9992
y = 1,1097x + 0,3919R 2 = 0, 9892
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
0,00 2, 00 4, 00 6, 00 8, 00 10,00 12,00 14,00 16,00Vel. Pitot [m/s]
Vel.
Ultr
asón
ico
[m/s
]
Ultr ason icoCa zoleta sL in eal ( Ultra sonico )L in eal ( Cazo le tas)
Figura 35. Calibración Prototipo Anterior
Calibración Tubo de Pitot Vs Anemómetro UltrasónicoPresion = 73 kPa
Temperatura = 19.8 ºC
y = 0,7642x + 0,1274R 2 = 0, 9995
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
0,00 2, 00 4,00 6, 00 8,00 10,00 12,00 14, 00 16,00Vel . Pi tot [m/s]
Vel.
Ultra
sóni
co [m
/s]
Ultr aso nicoL inea l (Ultr aso nico)
Figura 36. Calibración Prototipo Actual
Al observar las anteriores gráficas se puede ver que el nuevo anemómetro tiene un
porcentaje de error un poco menor al del anemómetro anterior, lo que lo hace más preciso.
También se ve en la calibración que este tipo de anemómetro tiene datos más cercanos al
Tubo de Pitot y es debido a que tanto el tubo de Pitot, como el Anemómetro Ultrasónico no
tienen partes móviles ni grandes, lo que hace que no se produzca interferencia con la línea
de viento. La calibración del nuevo anemómetro se hizo solamente con el tubo de Pitot,
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
80
porque con el anterior anemómetro se concluyó que los datos eran más precisos con este
instrumento.
6.2 Pruebas realizadas en el Túnel de Viento
Se hicieron pruebas con los dos anemómetros, con el fin de observar el ángulo de
incidencia y cómo la estructura influía en esta lectura. Después de tomar los datos a
distintos ángulos, se hace un mapa de velocidades como se muestra en la siguiente figura.
Figura 37. Mapa de Velocidades
6.2.1 Prototipo Anterior
Se hicieron tomas a distintos ángulos y los resultados se presentan en la Figura 38.
N
S
E O
NE
SE SO
NO
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
81
Mapa de Velocidades (2.2- 2.6 m/s )
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Velocid ad Oeste-Este (m/s)
Vel
oci
dad
Nor
te-S
ur
(m/s
)
Mapa de Velocidade s (5,2 - 5,5 m/s)
-7-6-5-4-3-2-101234567
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
Velocid ad Oeste-Este (m/s)
Vel
oci
dad
No
rte-
Sur
(m
/s)
Mapa de Velocidades (8.4 - 8.9 m/s)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Ve lo cidad Oe ste-Este (m/s)
Vel
ocid
ad N
orte
-Su
r (m
/s)
Ma pa de Velocida des (11,4 - 11 ,9 m/s)
-14-12-10
-8-6-4-202468
101214
-14
-12
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14
Velocidad Oe ste-Este (m/s)
Vel
ocid
ad N
ort
e-S
ur (
m/s
)
Figura 38. Mapa de Velocidades Proyecto 2004-II. Tomado de [4]
6.2.2 Prototipo Actual
Los datos que se presentarán a continuación fueron tomados en el túnel de viento a una
temperatura de 19°C y una presión de 73kPa.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
82
Mapa de Velocidades (2 m/s-3 m/s)
-3
-2
-1
0
1
2
3
-3 -2 -1 0 1 2 3
Oeste - Este [m/s]
Norte
- Su
r [m
/s]
Mapa de Velocidades (5 m/s-6 m/s)
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
-6 - 5 - 4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
Oe ste - Este [m /s]
Nor
te -
Sur
[m/s
]
Mapa de Velocidades (8 m/s-9 m/s)
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
5
7
9
-9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9
Oe ste - Este [m/s]
Nor
te -
Su
r [m
/s]
Mapa de Velocidades (11 m/s-12 m/s)
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
Oe ste - Este [m/s]
No
rte
- S
ur [
m/s
]
Figura 39. Mapa de Velocidades Prototipo 2005-II
6.3 Pruebas realizadas al aire libre
Las pruebas al aire libre consisten en dejar el anemómetro a la intemperie por un tiempo y
hacer mediciones periódicamente. Se hicieron pruebas durante tres semanas
aproximadamente con el Anemómetro Anterior en la Universidad y durante dos semanas
con el nuevo prototipo ubicado en el techo de una casa, se obtuvieron los resultados que se
presentan a continuación.
Como se aprecia en la Figura 33, el tubo de Pitot no requiere de ningún tipo de calibración
para la corroboración de sus datos. Mientras que el anemómetro de cazoletas posee un
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
83
circuito que interpreta la velocidad de rotación en velocidad del viento, pero este no tiene
alguna salida digital o análoga, con la cual se pueda enviar a un computador por algún
medio, pues solamente posee un display con los datos medidos, es por esto que se requería
de una señal para hacer la toma de datos en paralelo entre el anemómetro ultrasónico y el de
cazoletas. Para lograr este fin, fue necesario tomar la señal que va del anemómetro de
cazoletas hacia el circuito - que es básicamente el voltaje que genera un motor al ser girado
- y se envió a una tarjeta de adquisición de datos de marca LabJack proporcionada por el
Laboratorio de Ingeniería Mecánica, con la cual se podían adquirir los datos por medio del
software LJStream que los almacena en un archivo de Excel. Con estos datos también se
hizo una curva de calibración para ver la equivalencia entre la velocidad del viento y el
voltaje generado por el instrumento, la cual se presenta a continuación (Ver Figura 40).
Datos Anemómetro de cazoletas
y = 0,375x + 0,6673R2 = 0, 9817
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30
Veloci dad [mph]
Rang
o de
Vol
taje
[V] 10H z-6mph
15H z-12mph20H z-17mph25H z-22mph30H z-27mphSerie6Lineal (Serie6)
Figura 40. Calibración Anemómetro de Cazoletas
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
84
6.3.1 Prototipo Anterior
En la Figura 41 se muestra la instalación realizada en el techo del segundo piso del Edificio
de Ingeniería de la Universidad, en esta se montan el anemómetro de cazoletas y el
anemómetro del prototipo anterior y se dejan por 3 semanas. Se analizan los datos y se ve si
las cápsulas perdieron sensibilidad después de este periodo (Figura 42: Datos Obtenidos)
Figura 41. Instalación Anemómetro Proyecto realizado en 2004-II
Prueba Intemperie Sep - 12 - 2005
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
0 500 1000 1500 2000 2500
Tiempo [s]
Velo
cida
d [m
/s]
Ultra sonidoCazolet as Tom a1_0Cazolet as Tom a 1_1Cazolet as Tom a2_0Cazolet as Tom a2_1
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
85
Toma I ntemperie Sep-9 - 8:54 AM
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
- 50 50 150 250 350 450 550 650S eg [s]
Velo
cida
d [
m/s
]
Ultr asonidoCazoletas
Prueba Intemperie 8-Sept-2005
-5,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
0 500 1000 1500 2000 2500
Tiempo [s]
Velo
cida
d [m
/s]
Ultrason id oCazoletas_ Tom a1_0Cazolteas_ Tom a2_0Cazoletas_ Tom a1_1Cazoletas_ Tom a1_2Cazolteas_ Tom a2_1
Figura 42. Datos Pruebas intemperie Proyecto 2004-II
Al analizar las gráficas de las pruebas de intemperie se pueden ver claramente unos picos,
esto se debe a la vibración de los brazos porque la estructura no es completamente rígida.
Además, al circuito de acople de este anemómetro era necesario implementarle un filtro
para que no permitiera el paso de otras frecuencias.
6.3.2 Prototipo Actual
Como el tiempo no fue suficiente para realizar las pruebas dentro de la Universidad, estas
debieron hacerse en otro lugar, el nuevo anemómetro fue instalado en el techo de una casa a
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
86
más o menos 3 m de altura del nivel del piso (ver Figura 43) y los datos obtenidos se
presentan en la Figura 44.
Figura 43. Instalación prototipo 2005-II
Prueba Intemperie 25/Dic/05
4
5
6
7
8
9
10
11
12
-100 100 300 500 700 900Tiempo [s]
Velo
cida
d [m
/s]
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
87
Prueba Intemperie 10/Ene/05
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
-100 100 300 500 700 900Tiempo [s]
Velo
cida
d [m
/s]
Figura 44. Datos Pruebas intemperie Proyecto 2005-II
En las gráficas anteriores se puede ver que se han eliminado los picos que presentaba el
anterior prototipo y esto es gracias al filtro y las etapas de amplificación implementados.
También, a la estructura de las nuevas cápsulas ultrasónicas que es más rígida.
6.4 Consumo de Potencia
Según el cálculo teórico del consumo de potencia presentado en la Tabla 7, se requiere un
máximo de 500mW aproximadamente, para corroborar estos datos se hizo un seguimiento
del consumo de corriente del circuito completo y se comparó con los valores teóricos
(calculado a partir de las hojas de datos de cada dispositivo). Esta comparación se presenta
en la Figura 45. En esta figura hace un seguimiento del consumo de corriente conectando
consecutivamente cada módulo. Como se explicó con anterioridad el circuito total está
implementado por módulo, de esta manera es más sencillo hacer la medición de la corriente
a medida que se añaden módulos al circuito.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
88
Consumo de Corriente
01020304050607080
hastamódulo 1
hastamódulo 2
hastamódulo 3
hastamódulo 4
Cor
rien
te [m
A]
ExperimentalTeórica
Figura 45. Consumo de Corriente
Para la figura anterior se calculó un error y se obtuvo que el error es en promedio del 22.8%
entre los datos tomados experimentalmente y los datos hallados teóricamente. Como
observación se puede decir que los módulos de comunicación RF son los que consumen
mayor cantidad de corriente, y esto se debe a la potencia que requieren para la transmisión.
6.5 Transmisión de Datos
Se realizaron varias pruebas de transmisión de datos y se logró un alcance de 10 metros,
que es mucho menos de lo que dice la hoja de datos de los dispositivos. Esto puede deberse
por una parte a que el circuito genera autónomamente una frecuencia de 40kHz con
amplitud suficiente para afectar la recepción de los dispositivos.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
89
6.6 Conclusiones
El hecho de implementar buenas etapas de amplificación y filtrado hace que mejore
notablemente el resultado de la velocidad, ya que las cápsulas no son tan sensibles a
cualquier tipo de señal.
Con respecto a la degradación de las cápsulas ultrasónicas, se puede decir que estas
cápsulas se mantendrán sin deteriorarse por mucho más tiempo frente a las anteriores,
gracias a su encapsulado.
A pesar que los nuevos sensores son de mayor tamaño, presentan buenos resultados en
cuanto a la medición de la velocidad.
7 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
Para concluir, es mi deseo dejar en claro que estoy muy satisfecha con este proyecto, ya que
se realizaron más tareas de las planteadas en los objetivos iniciales del proyecto.
Igualmente, se llegó a un dispositivo bastante completo que puede competir
comercialmente con otros anemómetros de esta clase.
Se logró el objetivo de mejorar la implementación tanto a nivel físico como a nivel
electrónico del anemómetro, acercándonos a pasos agigantados a un anemómetro
comercial.
La estructura del instrumento influye bastante en las mediciones, es por esto, que se diseñó
una estructura rígida, pero esbelta para que la línea de viento no se vea obstruida y los datos
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
90
tomados correspondan a los reales. También, por esta razón se decidió que aunque las
cápsulas eran grandes, la copa en la que van montadas tiene una figura en la que el cambio
de sección no es brusco y permite que el viento pase suavemente sin verse notoriamente
afectado.
Este es un instrumento bastante completo, ya que está diseñado para ser autónomo y
cumple con las especificaciones que poseen anemómetros comerciales. Además, tiene la
gran ventaja de no poseer partes móviles, lo que hace que la medición sea más precisa.
Lo que falta para este anemómetro es implementar una tercera dimensión, que le permita
cuantificar la dirección del viento vectorialmente en 3 direcciones y si se desea que el
anemómetro este a gran distancia de la base, podría implementarse otro tipo de
comunicación, pero esta depende en gran parte de la aplicación, del sitio donde se va a
instalar, de las condiciones ambientales y de la disponibilidad de los componentes para esta
comunicación.
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
91
8 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS
[1] The Influence of the Sensor Design on Wind Measurements with Sonic Anemometer
Systems, A Weiser, fiedler, F Corsmeier, Journal of Atmospheric & Oceanic
Technology, October 2001
[2] Validación y perfeccionamiento de un prototipo de anemómetro ultrasónico, Christian
Moreno, Proyecto de Grado 2003-I
[3] Desarrollo de una herramienta inteligente para limpieza de ductos y tuberías, Juan
David Chávez, Ismael Meléndez, Proyecto de grado 2004-I
[4] Validación y perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico, Andrea Carolina
Córdoba, Proyecto de Grado 2004-II
[5] PIC18F8620 Data Sheet, Microchip Inc.
[6] Mplab C18 C Compiler User´s Guide, Microchip Inc.
[7] PIC16F87x Data Sheet, Microchip Inc.
[8] PICC User’s Guide, HI-TECH Software
[9] M58LW032D Data Sheet, STMicroelectronics
[10] DS1307 64 X 8 Serial Alarm Real-Time Clock, Maxim [11] MPLABIDE Users Manual, Microchip Inc. [12] MPLINK Users Manual, Microchip Inc. [13] Microsoft Visual Basic 6.0 ReferenceGuide, MSDN Library
[14] 40CA-18SC Data Sheet, Amerinan Piezo Electric Company
[15] LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors, National Semiconductors
[16] MPX5700 Series, Motorola
[17] ADG511 Data Sheet, Analog Devices
[18] LF353, Fairchild Semiconductor
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
92
[19] 24LC1025 Cmos Serial Eeprom, Mircochip
[20] Principios de Aire Acondicionado, DEPARTAMENTO DE INGENIERIA
MECANICA. Rafael Beltrán.
[21] http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar
[22] http://www.mecanica.uniandes.edu.co
[23] Circiutos Integrados Lineales y Amplificadores Operacionales, Prentice Hall. 2da
Edición.
[24] TXM 433 & TXM 315, LINX
[25] RXM 433 & RXM 315, LINX
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
93
ANEXO A. PLANOS MECANICOS
Isométrico Del Anemómetro
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
94
Soporte Base
Isométrico Brazos
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
95
ANEXO B. PLANOS ELECTRICOS
Módulo Base
Módulo Remoto
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
96
Módulo Comunicación Inalámbrica
Módulo Filtro
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
97
Módulo Sensores
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
98
ANEXO C. COMPARACION MICROCONTROLADORES
Familia PIC18 - Para dispositivos de 18 pines
Dispositivo # ADC Timer Memoria
Flash Costo [$US]
Características Importantes
PIC18C1220 7 (10 bits) 1 de 1-8 bits 4Kb 3.71 Nanowatt – Encapsulado Superficial IC2 USART 10 canales análogos
PIC18C1320 7 (10 bits) 1 de 1-8 bits 4Kb 4.15 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART 10 canales análogos
Familia PIC18 - Para dispositivos de 28 pines
Dispositivo # ADC Timer Memoria
Flash Costo [$US]
Características Importantes
PIC18C2220 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8Kb 4.45 Nanowatt – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18C2320 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 3.15 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2410 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 3.86 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2420 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 4.58 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2431 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 5.38 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2455 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 5.13 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2480 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 5.43 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2510 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 4.39 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2525 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 4.94 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
99
USART PIC18F2520 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 5.11 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado
Superficial IC2 USART
PIC18F2525 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 5.59 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2550 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 5.47 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2580 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 5.96 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2585 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 6.44 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2610 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 5.47 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2620 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 6.13 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
PIC18F2680 10 (10 bits) 1 de 1-8 bits 8kB 6.98 Nanowatt – Oscilador interno – Encapsulado Superficial IC2 USART
Familia PIC16 - Para dispositivos de 18 pines
Dispositivo # ADC Timer Memoria
Flash Costo [$US]
Características Importantes
PIC16F88 5 (10 bits) 1 de 2-8 bits 4kB 2.78 Nanowatt – Encapsulado Superficial 7 canales análogos
Familia PIC16 - Para dispositivos de 28 pines
Dispositivo # ADC Timer Memoria
Flash Costo [$US]
Características Importantes
PIC16F870 5 (10 bits) 1 de 2-8 bits 2kB 2.71 Encapsulado Superficial 5 canales análogos USART
PIC16F873A 5 (10 bits) 1 de 2-8 bits 4kB 3.16 Encapsulado Superficial 5 canales análogos IC2 USART
PIC16F876A 5 (10 bits) 1 de 2-8 bits 4kB 3.98 Encapsulado Superficial 5 canales análogos IC2
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
100
USART
ANEXO D. DISTRIBUIDORES PANELES SOLARES
Empresa Referencia Costo [$US]
Voltaje Características
Sundance Solar MPT6-150 26.5 6 V - Flexible - Potencia: 10W - Dimensiones: 26 cm x 23 cm x 0.5 cm - Peso: 0.45 kg - Garantía: 5 años
Energy Development Co-operative Limited US05 59 9V - Potencia: 5W - Dimensiones: 28.6 cm x 20.5 cm x 2.2 cm - Peso: 0.77 kg - Garantía: 10 años
Energy Development Co-operative Limited US11 59 9V - Potencia: 10W - Dimensiones: 49.1cm x 20.5 cm x 2.2 cm - Peso: 1.33 kg - Garantía: 10 años
Energy Development Co-operative Limited USF5 103 9V - Flexible - Potencia: 5W - Dimensiones: 54 cm x 24.6 cm x 0.5 cm - Peso: 0.54 kg - Garantía: 5 años
Energy Development Co-operative Limited USF11 175.5 9V - Flexible - Potencia: 10W - Dimensiones: 54 cm x 4.24 cm x 0.5 cm - Peso: 0.91 kg - Garantía: 5 años
Energy Development Co-operative Limited UNIPAC 10 513.5 9V - Portable - Potencia: 10W - Dimensiones: 25.4 cm x 13.9cm x 5.1 cm - Peso: 1.05 kg - Garantía: 5 años
Torre Solar ST10 150 9V - Potencia: 10W - Dimensiones: 38.7 cm x 32.8 cm x 3.5 cm - Peso: 2.4 kg - Garantía: 10 años
Select Solar PowerFilm 10W
208 10.5 - Potencia: 10W - Flexible - Dimensiones: 29.2cm x 97.2 cm - Peso: 0.46 kg - Garantía: 10 años
ANEXO E. DISTRIBUIDORES REGULADORES PARA PANELES SOLARES
Empresa Referencia Costo [$US] Voltaje Regulación
Características
Inelsa Controls BR1/12/6-RS 50 9 V Posee controlador de carga TorreSolar Shell ST5 45 9V Posee protección contra rayos, compensación de
Temperatura
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
101
Entrada solar de máximo 4.5 A Consumo: 6 mA
ANEXO F. DISTRIBUIDORES BATERIAS
Tipo de Batería Ventajas Desventajas Plomo-Acido - Batería más común para páneles solares
- Se pueden descargar hasta el 80% y permanecer en ese estado por largo tiempo
- Absorción de carga del 80% - Contiene mayor cantidad de electrolito, lo
que permite alargar los períodos de mantenimiento.
- Coeficiente de auto-descarga de 20% - Resiste 1200 ciclos de Carga/Desacarga
- Mayor precio que los demás tipos
Plomo-Acido tipo Arranque
- Para arrancar motores de gasolina o Diesel. - Menor costo que la anterior - Suministran gran cantidad de corriente en un
corto tiempo, manteniendo un voltaje alto. (Baja resistencia interna)
- No retienen la carga por mucho tiempo.
- Muy pesadas
Plomo-Acido tipo tracción
- Alto grado de descarga, debido a que sufren constantes pequeñas descargas por largos períodos de tiempo
- Se deben recargar durante 8-16 horas
- Bastante pesadas porque poseen electrodos muy gruesos
Plomo-Acido tipo Estacionaria
- Para fuentes de alimentación de emergencia, UPS, etc
- Son cargadas constantemente y se debe evitar que se sequen
Alcalina - Aportan un voltaje de 1.5V - Difícil acceso - Requieren cargador propio
Níquel-Cadmio - Aportan un voltaje de 1.2V - Económicas - Admiten descargas hasta del 90% de su
capacidad nominal - Bajo coeficiente de autodescarga (10%) - Alto rendimiento de absorción de carga
(80%)
- Cadmio: Metal tóxico para el medio ambiente
- Duran cargadas menos que las alcalinas
- Antes de recargarlas hay que haberlas gastado por completo (“Efecto memoria”). En caso contrario, su vida útil se va acortando
Níquel-Hidruro - No sufren efecto memoria - Más ligeras que las de Níquel-Cadmio - Vida media de 600-700 ciclos de recarga
- Bajo rendimiento de absorción de carga (40%)
Ión de Litio - Vida media de 500-600 ciclos de recarga - Rendimiento de absorción de carga : 80%
- Alto precio
Baterías comerciales de Plomo-Acido:
Empresa Referencia Costo [$US]
Voltaje Regulación
Características
RUBROS 2-9-3-00284-0075 46 6v - Capacidad: 200AH - Dimensiones: 26 cm x 18.1 cm x 28 cm
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
102
Hobbies Guinea CHVS-25191 22 6v - Capacidad: 5AH - Dimensiones: 10 cm x 8 cm x 10 cm
Hobbies Guinea
CHVS-26190 36 9v - Capacidad: 10AH - Dimensiones: 25 cm x 8 cm x 10 cm
Hobbies Guinea CHVS-25180 26 12v - Capacidad: 7AH - Dimensiones: 10 cm x 10 cm x 10 cm
Syscom E-3600 36 12v - Capacidad: 184AH - Peso: 30Kg
Syscom NC-24 32 12v - Capacidad: 75AH - Peso: 30Kg
Syscom NC-27 40 12v - Capacidad: 100AH - Peso: 30Kg
Syscom PV-27DC 80 12v - Capacidad: 86AH - Peso: 30Kg - Libre de mantenimiento
Syscom PV-30H 86 12v - Capacidad: 95AH - Peso: 30Kg - Libre de mantenimiento
Power Sonic 40 - 60 6v – 12v - Proporcionan hasta 100 ciclos carga/descarga - La más grande es de 16 cm x 8 cm x 17 cm - La más pequeña: 5 cm x 4 cm x 5 cm
ANEXO G. TIPOS DE COMUNICACIÓN INALAMBRICA
Trasmisor RF:
Empresa Referencia Costo [$US]
Frecuencia Alcance Voltaje Características
LAIPAC TECH
TLP434 4.8 418 MHz 434 MHz 315 MHz
50 ft 3 – 12V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK
LAIPAC TECH
TLP A/F 7 916 MHz 200 ft 3 – 12V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK
Microchip rfPIC12F675 3.26 850 Mhz 930 MHz
2.5V – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK/FSK 20 Pines
Microchip rfPIC12C509 3.26 310 Mhz 440 MHz
2.5V – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: Hasta 40 Kbps Modulación ASK/FSK 18 Pines
Receptor RF:
Empresa Referencia Costo [$US]
Frecuencia Alcance Voltaje Características
LAIPAC TECH
RLP434 4.8 418 MHz 434 MHz 315 MHz
50 ft 4.5 – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK
LAIPAC TECH
RLP A/F 13 916 MHz 200 ft 2.7 – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps
IEL2-II-05-14 Mejoramiento de un Prototipo de Anemómetro por Ultrasonido
103
Modulación ASK Microchip rfRXD0420 2.79 300 Mhz
450 MHz 2.5V – 5.5V Bajo Consumo
Data Rate: 512 bps - 4.8 Kbps Modulación ASK/FSK/FM 20 Pines
Microchip rfRXD0920 2.79 800 Mhz 930 MHz
2.5V – 5.5V Bajo Consumo Data Rate: Hasta 40 Kbps Modulación ASK/FSK/FM 18 Pines
Módulo Transceiver:
Empresa Referencia Costo
[$US] Frecuencia Alcance Voltaje Características
ABACOM Technologies
WIZ-SML-IA 145 433 MHz 914.5 MHz 869 MHz
500 ft 5 V - Baud rate: Hasta 115.2 kbps - Detección automática de fin de dato - Puede transmitir hasta 96 byte a la vez en 18.9ms - Puede trabajar a 12V para conexión RS-232 ó a 5V para Microcontroladores
Richardson Electronics
TR3000 14 433.92 MHz 5v - Se debe hacer el protocolo de comunicación
NeedHam’s Electronics
SureLink 900 MHz 100 900 Mhz 1000 ft 5V Batería para 4 hrs de operación 16 Canales Data Rate: 1.2 Kbps – 115 Kbps
Otros módulos de Comunicación inalámbrica:
Empresa Referencia Costo [$US] Frecuencia Alcance Voltaje Alimentación Características
TrendNet TEW-501PC Mínimo 300 2.4 GHz 110 VAC Requiere de un Router Antena incorporada
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