ES2320963A1 - Pyranometer - Google Patents
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Abstract
Description
Piranómetro.Pyranometer
La presente invención se refiere a un dispositivo especialmente concebido para medir la radiación luminosa en unidades de vatio por metro cuadrado.The present invention relates to a device specially designed to measure radiation bright in units of watt per square meter.
El objeto de la invención es proporcionar un dispositivo de gran precisión y con un coste de fabricación reducido.The object of the invention is to provide a high precision device and manufacturing cost reduced.
Es asimismo objeto de la invención proporcionar un dispositivo cuyas medidas no se vean afectadas por las diferencias de temperatura externas, eliminando el problema del error coseno, habitual en este tipo de dispositivos, así como evitando problemas de posible condensación de vapor de agua en el interior del mismo.It is also the object of the invention to provide a device whose measurements are not affected by the external temperature differences, eliminating the problem of cosine error, common in this type of devices, as well as avoiding problems of possible condensation of water vapor in the inside of it.
El dispositivo incorpora medios de conexión directa a PC sin electrónica auxiliar, eliminando igualmente todo tipo de problemas de ruido o incertidumbres y errores en los procesos de conversión de la señal obtenida.The device incorporates connection means Direct to PC without auxiliary electronics, also eliminating all type of noise problems or uncertainties and errors in conversion processes of the signal obtained.
La invención se sitúa pues en el ámbito de los sectores industriales en los que la medida de variables meteorológicas sean una necesidad, teniendo aplicación en todas aquellas áreas donde sea necesario medir la radiación luminosa.The invention thus falls within the scope of the industrial sectors in which the measure of variables weather conditions are a necessity, having application in all those areas where it is necessary to measure the light radiation.
En el ámbito de aplicación práctica de la invención, para realizar la medición de la irradiancia solar (directa, global o difusa), se emplean dispositivos denominados piranómetros. La medida de esta radiación se utiliza ampliamente en estudios de aprovechamiento de energía solar tanto térmica como fotovoltaica, mediciones meteorológicas, cultivos, etc. Su uso no está lo suficientemente extendido debido al alto coste de estos dispositivos, basados la mayoría de las ocasiones en termopilas. Existen otros tipos de dispositivos para medir la radiación solar, como son el pirheliómetro, que es un instrumento para medición de la radiación solar directa a incidencia normal, el pirgeómetro, que mide la radiación atmosférica neta sobre una superficie negra horizontal, orientado hacia arriba, a la temperatura del aire ambiente y el pirradiómetro, que mide la radiación solar y terrestre. En función del tipo de medición a realizar, se usará uno u otro tipo de dispositivos, siendo el más común en las actividades de investigación e industriales, el piranómetro.In the practical scope of the invention, to perform the measurement of solar irradiance (direct, global or diffuse), devices called pyranometers The measurement of this radiation is widely used in solar thermal energy utilization studies photovoltaic, meteorological measurements, crops, etc. Its use no It is sufficiently extended due to the high cost of these devices, based most of the time in thermopiles. There are other types of devices to measure solar radiation, such as the pyrometer, which is an instrument for measuring direct solar radiation at normal incidence, the pyrometer, which measures the net atmospheric radiation on a black surface horizontal, facing up, at air temperature environment and the pyrometer, which measures solar radiation and land. Depending on the type of measurement to be performed, one will be used or other type of devices, being the most common in activities of research and industrial, the pyranometer.
Estos instrumentos son clasificados en distintas clases, según sus características de medición, concretamente la norma ISO 9060 establece la clasificación de los piranómetros y pirheliómetros en función de su exactitud, tiempo de respuesta, no linealidad, etc. Se pueden considerar dos grandes grupos dentro de los piranómetros, los basados en termopilas como elemento sensible que miden la salida como pequeñas fuerzas electromotrices y los basados en semiconductor (fotodiodo), al cual corresponde esta invención.These instruments are classified in different classes, according to their measurement characteristics, specifically the ISO 9060 standard establishes the classification of pyranometers and Pyrometer based on accuracy, response time, no linearity, etc. Two large groups can be considered within Pyranometers, those based on thermopiles as a sensitive element that measure the output as small electromotive forces and the based on semiconductor (photodiode), which corresponds to this invention.
Para la determinación del albedo, porcentaje de radiación reflejada por una superficie respecto de la incidente, basta montar dos sensores idénticos contrapuestos, conectando sus salidas a la estación meteorológica o PC.For the determination of albedo, percentage of radiation reflected by a surface with respect to the incident, just mount two identical sensors opposite, connecting their Departures to the weather station or PC.
El problema que presentan este tipo de dispositivos es la influencia de la temperatura en la medida obtenida, la degradación de la señal debido al proceso de transmisión, la influencia de ruidos, y sobretodo, y como ya se ha comentado con anterioridad, el elevado coste de estos dispositivos.The problem presented by this type of devices is the influence of temperature on the measurement obtained, the degradation of the signal due to the process of transmission, the influence of noise, and above all, and as already discussed above, the high cost of these dispositives.
El piranómetro que la invención propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, en todos y cada uno de los aspectos comentados, de manera que para unas prestaciones similares a las de un piranómetro profesional, el coste del piranómetro de la invención puede llegar a ser del orden de mas de 100 veces menor, sin menoscabo de su precisión, a lo que hay que añadir además que sus medidas no se vean afectadas por las diferencias de temperatura externas, estando asimismo exento del problema del error coseno, y presentando medios de conexión directa a un PC sin necesidad de electrónica auxiliar.The pyranometer that the invention proposes resolves in a fully satisfactory way the problem previously exposed, in each and every one of the aspects mentioned, so that for benefits similar to those of a pyranometer Professional, the cost of the pyranometer of the invention can reach to be of the order of more than 100 times less, without prejudice to its precision, to which we must also add that its measures are not are affected by external temperature differences, being also exempt from the problem of cosine error, and presenting means Direct connection to a PC without electronics assistant.
Para ello, el dispositivo que se preconiza está constituido a partir de un transductor de radiación solar, basado en semiconductor, concretamente un fotodiodo de silicio, que a diferencia de los dispositivos convencionales se encuentra termostatizado a una temperatura constante durante todo su funcionamiento, temperatura que puede ser monitorizada y ajustada por el usuario a través del software, como se verá más adelante. Así pues, mediante esta estructuración, las habituales dependencias de este tipo de dispositivos frente a la temperatura, quedan subsanadas.For this, the device that is recommended is constituted from a solar radiation transducer, based in semiconductor, specifically a silicon photodiode, which at difference from conventional devices is found thermostated at a constant temperature throughout its operation, temperature that can be monitored and adjusted by the user through the software, as will be seen later. Thus, through this structuring, the usual dependencies of this type of devices against temperature, remain remedied
Superiormente al citado fotodiodo de silicio se dispone un difusor de teflón para mejorar el problema del error coseno. En el seno de la carcasa del dispositivo se dispone un compartimento para albergar sales higroscópicas, lo que permite eliminar el problema de la posible condensación en el interior del dispositivo, materializándose la carcasa en un cilindro negro de polietileno convenientemente estanqueizado.In addition to the aforementioned silicon photodiode, has a Teflon diffuser to improve the error problem cosine. A device is provided inside the device housing compartment for housing hygroscopic salts, which allows eliminate the problem of possible condensation inside the device, the housing materializing in a black cylinder of conveniently sealed polyethylene.
Desde el punto de vista de la electrónica del dispositivo, este cuenta básicamente con cuatro sistemas: un sistema de detección, un sistema de control, un sistema de termostatización y un sistema de transmisión.From the point of view of the electronics of device, this basically has four systems: a detection system, a control system, a system of thermostat and a transmission system.
En cuanto al sistema de detección, y tal y como se acaba de comentar, el elemento sensor del piranómetro es un fotodiodo de silicio montado sobre una base plástica. El elemento sensor está aislado del exterior mediante un difusor de teflón. Todo el conjunto está posicionado sobre una base con control de nivel para ajustar la horizontalidad para lo cual exteriormente a la citada carcasa se establece un nivelador de burbuja.As for the detection system, and as just commented, the pyranometer sensor element is a silicon photodiode mounted on a plastic base. The element Sensor is isolated from the outside by a Teflon diffuser. The whole set is positioned on a base with control of level to adjust the horizontality for which externally to the said housing is established a bubble leveler.
La radiación incidente en el dispositivo pasa primero, antes de llegar al fotodiodo, por el difusor de teflón que actúa tanto de difusor como de protector de las radiaciones UV que degradarían la vida útil de la cubierta del fotodiodo. El difusor de teflón tiene también el cometido de mantener aislado al fotodiodo de la lluvia y otras inclemencias meteorológicas.The incident radiation in the device passes first, before reaching the photodiode, by the Teflon diffuser that acts both as a diffuser and as a protector against UV radiation that they would degrade the life of the photodiode cover. The diffuser Teflon also has the task of keeping the photodiode of rain and other inclement weather.
El fotodiodo genera una señal eléctrica que es función del valor de la radiación recibida, en unidades de vatio/m^{2}, que una vez acondicionada de forma correcta es convertida por el sistema de control a formato digital.The photodiode generates an electrical signal that is function of the value of the radiation received, in units of watt / m2, which once properly conditioned is converted by the digital format control system.
En cuanto al sistema de control, el dispositivo incorpora un microcontrolador con convertidor analógico-digital incorporado. En este dispositivo se realiza la conversión de la señal analógica proveniente del sistema de detección y se convierte a formato digital. Esta señal se envía al sistema de transmisión, formado por un convertidor a bus serie RS 485 full dúplex. El microcontrolador controla también la termostatización del dispositivo, ya que recibe la señal analógica de un sensor de temperatura alojado en el sistema de termostatización. En función de la temperatura medida, ejecutará la orden de activar una serie de calentadores o no.As for the control system, the device incorporates a microcontroller with converter built-in analog-digital On this device the conversion of the analog signal from the detection system and converts to digital format. This signal is sends to the transmission system, formed by a converter to bus RS 485 full duplex series. The microcontroller also controls the device thermostat, since it receives the analog signal of a temperature sensor housed in the system thermostatting Depending on the measured temperature, it will execute the order to activate a series of heaters or not.
En cuanto al sistema de termostatización, su misión es la de mantener constante en todo momento la temperatura en el interior de la carcasa o cuerpo del dispositivo.As for the thermostat system, its mission is to keep the temperature constant at all times inside the case or body of the device.
El elemento primario del sistema de termostatización es un sensor de temperatura analógico cuya señal de salida, una vez acondicionada, es enviada al microcontrolador. El microcontrolador compara la temperatura medida con la de consigna, la cual ha sido establecida mediante el software de control. En función del resultado se activa o no un sistema de calentamiento basado en esterillas calefactoras.The primary element of the system thermostat is an analog temperature sensor whose signal Output, once conditioned, is sent to the microcontroller. The microcontroller compares the measured temperature with that of slogan, which has been established using the software control. Depending on the result, a system of heating based on heating mats.
Por último y en cuanto al sistema de transmisión, la transmisión de información entre el piranómetro y el sistema de instrumentación que utilice el usuario, por lo general un PC o similar, se realiza en formato digital estándar serie RS 485 full-dúplex, para aligerar la temporización en las comunicaciones, pudiéndose no obstante utilizarse cualquier otro formato convencional adecuado, si bien mediante éste se permite conexiones entre dispositivos de elevada longitud (hasta 1 Km), es robusto y muy inmune al ruido. Para la transmisión se utiliza un convertidor serie estándar RS 485 que integra entradas de control, de la señal a transmitir así como salida directa con buffer incorporado en formato serie.Finally and as for the system of transmission, the transmission of information between the pyranometer and the instrumentation system used by the user, so Generally a PC or similar, is done in standard digital format RS 485 full-duplex series, to lighten the timing in communications, being able however use any other suitable conventional format, although through this it allows connections between high devices Length (up to 1 km), is robust and very immune to noise. For the transmission is used a standard RS 485 serial converter that integrates control inputs, of the signal to be transmitted as well as Direct output with built-in serial buffer.
Así pues, el ahorro del coste de la invención frente al estado de la técnica se ve aún más acrecentado por el hecho de que no necesita electrónica auxiliar. La salida es ofrecida directamente en formato digital, con lo que se evitan problemas de ruido y de degeneración de la señal (al tener menos procesos de conversión de ésta), pudiendo ser utilizado de forma rápida en cualquier sistema de instrumentación o simplemente en un PC a través de su puerto serie.Thus, saving the cost of the invention in front of the state of the art it is even more accentuated by the fact that you don't need auxiliary electronics. The output is offered directly in digital format, thus avoiding noise and signal degeneration problems (by having less conversion processes), and can be used in a way fast in any instrumentation system or simply in a PC through its serial port.
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Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of that description, a set of drawings where with illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:
La figura 1.- Muestra, según una representación esquemática en alzado y en sección, un piranómetro realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.Figure 1.- Shows, according to a representation Schematic elevation and section, a pyranometer made of according to the object of the present invention.
La figura 2.- Muestra una vista en planta del dispositivo de la figura anterior.Figure 2.- Shows a plan view of the device of the previous figure.
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A la vista de las figuras reseñadas puede observarse como el piranómetro que la invención propone está constituido a partir de una carcasa (1) materializada en un cilindro negro de polietileno, material éste que cuenta con unas características ideales para el propósito de esta invención, tanto térmicas como de estanqueidad, cerrado inferiormente mediante una base de apoyo (2), y superiormente a través de un tapa (3), que mediante una junta tórica (4) y una serie de tornillos (5) sellan herméticamente el conjunto formado por la tapa y el cuerpo del piranómetro.In view of the figures outlined you can be observed as the pyranometer that the invention proposes is constituted from a housing (1) materialized in a black polyethylene cylinder, this one that has some ideal characteristics for the purpose of this invention, both thermal as of tightness, closed inferiorly by means of a support base (2), and superiorly through a cover (3), which by an O-ring (4) and a series of screws (5) seal hermetically the assembly formed by the lid and the body of the pyranometer
En dicha tapa, materializada en un anillo, se establece un difusor de teflón (6) con un talonado a 45º, bajo el que se establece el sistema de detección (7) asociado a un fotodiodo de silicio (8) establecido igualmente bajo la tapa (3). Esta especial configuración permite independizar parcialmente el valor de la radiación solar respecto del ángulo de incidencia, con lo que se mejora de forma real el error coseno. El difusor (6) difunde homogéneamente la radiación solar que le llega y es resistente a las radiaciones UV.In said cover, materialized in a ring, establishes a Teflon diffuser (6) with a 45 ° heel, under the that the detection system (7) associated with a silicon photodiode (8) also established under the cover (3). This special configuration allows partially independent value of solar radiation with respect to the angle of incidence, with which really improves the cosine error. The diffuser (6) homogeneously diffuses the solar radiation that reaches it and is UV resistant.
El citado fotodiodo de silicio (8) presenta una buena respuesta dentro del espectro visible de radiación solar. Para acondicionar la señal del fotodiodo se utiliza un circuito de acondicionamiento, basado en un amplificador de transimpedancia, dispositivo éste que presenta las mejores características en este tipo de montajes. Los amplificadores de transimpedancia tienen una impedancia de entrada muy baja, lo que resuelve las restricciones de gran linealidad y permite voltajes de salida superiores. El montaje ha sido diseñado bajo el prisma de elevada linealidad y alta estabilidad, para prevenir posibles problemas de oscilaciones en el circuito.The said silicon photodiode (8) has a Good response within the visible spectrum of solar radiation. To condition the photodiode signal a circuit of conditioning, based on a transimpedance amplifier, this device that presents the best features in this type of assemblies. Transimpedance amplifiers have a Very low input impedance, which resolves the restrictions highly linear and allows higher output voltages. He assembly has been designed under the prism of high linearity and high stability, to prevent possible oscillation problems in the circuit.
La señal obtenida a la salida del amplificador de transimpedancia es filtrada a través de un filtro paso-bajo para eliminar los posibles ruidos no deseados en el circuito para a continuación ser enviada al sistema de control (9).The signal obtained at the output of the amplifier of transimpedance is filtered through a filter low-pass to eliminate possible noises desired in the circuit and then sent to the system of control (9).
El sistema de control (9) está compuesto por un microcontrolador tipo PIC. este tipo de controlador reúne todos los requisitos necesarios en el dispositivo objeto de la invención: rapidez, bajo coste, tamaño reducido, exactitud y convertidor analógico-digital (ADC) incorporado. El microcontrolador es el cerebro del dispositivo ya que permite que su funcionamiento sea autónomo. En él se procesan las señales provenientes del sistema de detección (7) y acondicionamiento de la señal y de un sensor de temperatura (10) establecido en el seno del dispositivo. El microcontrolador gobierna igualmente a un sistema de transmisión (11), del que se hablará más adelante, así como y a una serie de calefactores que mantienen constante la temperatura en el interior del dispositivo. Esta temperatura puede ser ajustada por el propio usuario a través del programa monitor en el PC, en función de las características climáticas del emplazamiento donde se vaya a utilizar, aunque por defecto, la temperatura quedará ajustada a 40ºC.The control system (9) is composed of a PIC type microcontroller. this type of controller gathers all the Necessary requirements in the device object of the invention: speed, low cost, reduced size, accuracy and converter built-in analog-digital (ADC). He microcontroller is the brain of the device since it allows its operation be autonomous. In it the signals are processed from the detection system (7) and conditioning of the signal and a temperature sensor (10) established within the device. The microcontroller also governs a system transmission (11), which will be discussed later, as well as and to a series of heaters that keep the temperature constant in The inside of the device. This temperature can be adjusted. by the user himself through the monitor program on the PC, in function of the climatic characteristics of the site where it will be used, although by default, the temperature will remain set at 40 ° C.
Al sistema de control (9) está asociado igualmente un sistema de termostatización (12), cuya misión es la de mantener constante en todo momento la temperatura en el interior de la invención. Si bien esto se podría realizar de forma independiente, se ha optado porque sea controlada por el microcontrolador del sistema de control (9) por cuanto que esta solución abarata el coste del dispositivo. En función de la temperatura de consigna fijada por el usuario, el sistema de control (9) envía una señal al sistema de termostatización (12) para activar los calentadores hasta que se alcance dicha temperatura. Los calentadores se materializan en esterillas de calentamiento (resistencias en forma circular) que funcionan a 12 V con un consumo de corriente aproximado de 400 mA. Lógicamente, la señal de control del microcontrolador no se aplica directamente a los calefactores, sino a una etapa electrónica de potencia que funciona como interruptor electrónico. El consumo total de potencia del dispositivo es función de la temperatura exterior si bien cabe destacar que está muy optimizado, ya que el cuerpo del piranómetro, realizado en polietileno de 10 mm de espesor, funciona como un excelente aislante térmico.The control system (9) is associated also a thermostatting system (12), whose mission is the keep the temperature inside constant at all times of the invention. While this could be done in a way independent, it has been chosen because it is controlled by the control system microcontroller (9) because it is solution lowers the cost of the device. In function of the setpoint temperature set by the user, the system control (9) sends a signal to the thermostat system (12) to activate the heaters until said temperature. The heaters materialize in mats of heating (circular resistors) operating at 12 V with an approximate current consumption of 400 mA. Logically, the Microcontroller control signal does not apply directly to the heaters, but to an electronic power stage that It works as an electronic switch. Total power consumption of the device is a function of the outside temperature although it fits highlight that it is very optimized, since the pyranometer body, made of 10 mm thick polyethylene, it works as a excellent thermal insulator.
En el programa monitor de control del piranómetro, se ha introducido la consigna que cuando los niveles de irradiancia recibidos estén por debajo de unos umbrales establecidos (por ejemplo por la noche), éste deje de funcionar de forma automática ya que es absurdo el gasto de energía cuando no es necesario la medición de irradiancia. De forma automática también, el dispositivo comienza a funcionar cuando la irradiancia que recibe supera el umbral de consigna. El sensor de temperatura (10) que mide en todo momento la temperatura en el interior del dispositivo, será preferentemente analógico, ya que presenta más estabilidad y precisión que los analizados con salida digital.In the control monitor program of the pyranometer, the slogan has been introduced that when the levels of irradiance received are below thresholds established (for example at night), it stops working automatically since it is absurd energy expenditure when it is not necessary irradiance measurement. Automatically too, the device starts working when the irradiance that Receive exceeds the setpoint threshold. The temperature sensor (10) which measures at all times the temperature inside the device, it will be preferably analog, since it has more stability and precision than those analyzed with digital output.
Por último, y en cuanto al sistema de transmisión de información (11) entre el piranómetro y el sistema de instrumentación utilizado por el usuario (por lo general un PC, estación meteorológica o similar), se realiza en formato digital estándar serie RS 485 full-dúplex. Para ello el sistema incorpora un dispositivo integrado que realiza todas las operaciones de conversión. Dicho dispositivo es totalmente programable y permite configurar por software todos los parámetros de la comunicación: velocidad de transmisión, paridad, número de bits, full o half dúplex, etc.Finally, and as for the system of transmission of information (11) between the pyranometer and the system of instrumentation used by the user (usually a PC, weather station or similar), is done in digital format standard RS 485 full-duplex series. For this the system incorporates an integrated device that performs all the conversion operations Said device is totally programmable and allows to configure by software all the parameters of communication: transmission speed, parity, number of bits, full or half duplex, etc.
La salida se envía por conductor de 4 hilos. El número total de hilos necesario para conectar el dispositivo objeto de la invención es 8: 3 para la alimentación, 4 para la transmisión y uno de tierra.The output is sent by 4-wire conductor. He Total number of wires needed to connect the target device of the invention is 8: 3 for power, 4 for transmission and one of earth.
Como complemento de la estructura descrita, en el seno de la carcasa (1) del piranómetro se establecerá un depósito de sales higroscópicas (13), eliminando el problema de la posible condensación en el interior del dispositivo.As a complement to the structure described, in the sine of the housing (1) of the pyranometer will establish a hygroscopic salt tank (13), eliminating the problem of possible condensation inside the device.
Igualmente cabe destacar la incorporación de un nivel de burbuja (14) sobre la base (2) del piranómetro, que permite implantarlo con un posicionamiento correcto para el mismo.Also noteworthy is the incorporation of a bubble level (14) on the base (2) of the pyranometer, which allows to implant it with a correct positioning for the same.
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