ES2327485B1 - Sistema robotico para la caracterizacion de la respuesta angular en instrumentos radiometricos. - Google Patents
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Abstract
Sistema robótico para la caracterización de la
respuesta angular en instrumentos radiométricos.
El sistema está especialmente concebido para
permitir obtener unos resultados de gran fiabilidad, resolución,
precisión, y rapidez para determinar la respuesta angular del
instrumento de que se trate, así como para inmunizar el ruido
electromagnético y lumínico de los experimentos realizados. Para
ello el sistema está constituido a partir de un brazo robótico (4),
que permite girar de forma automatizada el instrumento a
caracterizar desde +90º hasta -90º, brazo robótico que a través de
una serie de circuitos electrónicos está asociado a un PC (1), a un
panel de control (3) y a un multímetro digital (2). El brazo
robótico (4) está dotado de medios de fijación del instrumento a
caracterizar, mientras que el citado PC incorpora un software de
programación que mediante un posicionador digital permite una alta
precisión para las posiciones de dicho brazo robótico (4),
permitiendo igualmentecalcular el error coseno del dispositivo a
través de las medidas recibidas del multímetro (2).
Description
Sistema robótico para la caracterización de la
respuesta angular en instrumentos radiométricos.
La presente invención se refiere a un sistema
totalmente robótico para la caracterización de la respuesta angular
en instrumentos radiométricos, concretamente para piranómetros, que
son iluminados por una lámpara calibrada.
El objeto de la invención es proporcionar un
dispositivo que permita girar de forma automatizada el citado
piranómetro desde +90º hasta -90º (respecto de la vertical al plano
del suelo), obteniéndose de forma automática, todas las medidas del
instrumento, siendo dicho dispositivo capaz de autonivelarse
horizontalmente de forma automática.
Así pues, el objeto de la invención es
proporcionar un dispositivo mediante el que se obtengan unos
resultados bastante mejores en fiabilidad, resolución y precisión,
así como en rapidez para determinar la respuesta angular del
instrumento y en capacidad para inmunizar el ruido electromagnético
y lumínico de los experimentos.
Para realizar la medición de la radiación solar,
se emplean fundamentalmente entre otros dispositivos los
piranómetros. Los más utilizados son aquellos que realizan
mediciones dentro del espectro de radiación visible y del
ultravioleta. Para la medida de la irradiancia solar espectral, la
óptica de entrada del piranómetro debe tener una buena respuesta
angular, también denominada respuesta coseno. La irradiancia medida
por un instrumento ideal, siendo el ángulo cenital solar \theta,
es proporcional a la irradiancia medida en la vertical I_{0} y al
coseno del mencionado ángulo: I = I_{0} cos \theta.
La respuesta angular de los instrumentos se
desvía de la anterior relación, tendiendo la mayoría a subestimar
la irradiancia solar verdadera. Este hecho es lo que se denomina
efecto coseno. La magnitud de este error varía desde las unidades
hasta varias decenas porcentuales dependiendo del ángulo de
incidencia. La respuesta angular afecta principalmente a la
componente directa de la radiación global. La radiación difusa es
menos afectada debido principalmente a dos factores: la radiación
difusa generada en ángulos cercanos al horizonte es una pequeña
porción de la radiación difusa total medida y en la zona UV esta
radiación es aún más pequeña como consecuencia del aumento de la
absorción por parte del ozono debido al mayor camino óptico. En la
mayoría de los piranómetros de banda ancha y espectrorradiómetros
el efecto coseno empieza a ser importante a partir de unos 70º de
ángulo cenital.
El error coseno se atenua o disminuye con
diferentes procedimientos físicos y/o mecánicos mejorando el
comportamiento del instrumento. Para disminuir este problema a la
mínima expresión se necesita conocer con exactitud la respuesta
angular del instrumento para poder realizar analíticamente la
caracterización del mismo. Para determinar la respuesta angular de
este tipo de instrumentos, se pueden realizar diferentes ensayos
tanto en el laboratorio como en campo.
Actualmente, en la mayoría de los centros en los
que re realiza el proceso de caracterización de la respuesta
angular en instrumentos radiométricos, este proceso se realiza de
forma manual, con la consiguiente falta de fiabilidad, resolución y
precisión, así como en rapidez para determinar la respuesta angular
del instrumento y la capacidad para inmunizar el ruido
electromagnético y lumínico de los experimentos.
El sistema robótico para la caracterización de
la respuesta angular en instrumentos radiométricos que la invención
propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática
anteriormente expuesta en los diferentes aspectos comentados.
Para ello, el dispositivo que se preconiza se
materializa en un brazo robótico que hace girar de forma
automatizada al piranómetro que se acopla al mismo, el cual es
iluminado por una lámpara calibrada, giro que va desde +90º hasta
-90º (respecto de la vertical al plano del suelo), obteniéndose de
forma automática, todas las medidas del instrumento.
El dispositivo de la invención es capaz de
autonivelarse horizontalmente de forma automática. Éste es
gestionado a través de un PC, de manera que las medidas son
adquiridas por un multímetro digital de alta precisión que es
también controlado por el ordenador a través de un bus digital
serie RS 232.
De esta manera se obtienen unos resultados
bastante mejores en fiabilidad, resolución y precisión, así como en
rapidez para determinar la respuesta angular del instrumento y en
capacidad para inmunizar el ruido electromagnético y lumínico de
los experimentos, ya que al ser automático se realiza en una sala
oscura sin presencia cercana de la manipulación humana.
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:
La figura 1.- Muestra un diagrama de bloques en
el que se observa dónde está integrado el objeto de la invención
dentro del sistema automático de control y adquisición de datos
para la caracterización de la respuesta angular en instrumentos
radiométricos.
Las figuras 2 y 3.- Muestran sendas vistas
frontal y de perfil del dispositivo objeto de la presente
invención.
La figura 4.- Muestra una vista posterior del
dispositivo de las figuras 2 y 3.
La figura 5.- Muestra un diagrama de bloques de
los elementos que participan en el brazo robótico del
dispositivo.
La figura 6.- Muestra una vista en perspectiva y
esquemática de los diferentes elementos que participan
conjuntamente al servomotor para desplazamiento del brazo
robótico.
La figura 7.- Muestra una vista en perspectiva y
en detalle del conjunto representado en la figura anterior.
La figura 8.- Muestra, finalmente, una vista en
explosión del conjunto de la figura anterior.
A la vista de las figuras reseñadas puede
observarse como en el sistema de la invención particia un PC (1),
asociado a un multímetro digital (2), asociado igualmente a un
panel de conexiones (3) y a un brazo robótico, (4), al que se
asocia el piranómetro a caracterizar.
Todo el sistema es controlado por un PC, en el
que se ejecuta un software de adquisición de datos, desarrollado
específicamente para esta invención. Mediante un posicionador
digital se puede obtener una resolución cercana a 1/60 parte de un
grado, lo que garantiza una precisión extraordinaria en todas las
posiciones de medida del brazo robótico (4). Una vez realizada la
caracterización del piranómetro objeto de estudio, el software
ejecuta una serie de programas de forma automática y calcula el
error coseno del dispositivo en función de todas las medidas
recibidas del multímetro (2).
De forma más concreta, y tal y como se puede
observar en la figura 5, el brazo robótico está constituido por una
serie de módulos, como son un módulo de comunicación (6) del
dispositivo con el multímetro (2), el cual incluye todo el control
electrónico del instrumento.
A él llegan las señales provienientes del
multímetro (2), que son las señales de control de posicionamiento
de una serie de elementos de los que se hablará mas adelante, así
como de la fuente de alimentación (7) del propio brazo, módulo que
envía la información sobre el estado del dispositivo al multímetro
(2) a través de un cable multipolar de 6 conductores (8).
La fuente de alimentación (7) proporciona al
brazo robótico toda la energía necesaria para su funcionamiento y
alimentación de sus motores. Se encuentra en el exterior para que
no afecte a las medidas ya que podría inducir ruidos a través del
transformador, disponiéndose junto al PC (1).
El brazo robótico está igualmente asistido por
un módulo controlador de motores (9), encargado de controlar dos
motores de corriente continua de mediana potencia, diseñado para
proporcionar más potencia que los controladores basados en un
circuito integrado.
El modo de funcionamiento utilizado para el
control de la posición del brazo ha sido el analógico de 0
V-2,5 V-5 V. De este modo, los
motores son controlados independientemente por dos señales
analógicas de 0 a 5 voltios en la entrada SCL para el motor 1 y la
entrada SDA para el motor 2. En este modo 0 voltios es la máxima
velocidad en un sentido de giro, 2,5 es la posición central y en
reposo y 5 voltios corresponde al máximo en el otro sentido. Este
módulo genera la señal PWM necesaria para controlar los
motores.
Complementariamente se establece un módulo del
servomotor (10), de manera que el movimiento del eje principal (12)
que hace girar la pinza (11) que sostiene al piranómetro a
caracterizar ha sido o acoplado a otras relaciones reductoras
(13-14-15), tal como se puede
observar en el detalle de la figura 6.
Así pues, el movimiento del soporte (11) de
fijación del piranómetro está regulado por un mototorreductor de
corriente continua (16), a cuyo eje de salida se asocia un reductor
(17), perteneciente al propio bloque motor, tras el que se
establece una barrera óptica (18) del encóder, la cual pertenece al
tipo estándar de sensores detectores de paso por corte del haz de
infrarrojo, también llamada sensor de barrera sobre el eje de
salida del reductor (17), junto al que se establece un disco
ranurado del encoder (19). El disco utilizado pertenece a la
familia de encoders incrementales. Estos son discretos y son
capaces de presentarnos información digital de niveles lógicos
ceros o unos. El disco utilizado en esta invención ha sido un disco
con 120 perforaciones por revolución. Esto quiere decir que en
2\pi radianes o en 360 grados, podemos contar hasta 120 pulsos
TTL de resolución. Este número de pulsos se ve multiplicado por la
relación de multiplicación que existe hasta la salida del eje
principal (12).
Seguidamente, el eje del reductor (17) se asocia
a un acoplamiento homocinético (20), preferentemente de aluminio,
tras el que se establece el reductor helicoidal de tornillo sin fin
(15), etapa de reducción que es de vital importancia. La misma
corresponde a un tipo de reducción basado en una corona con
tornillo sin fin o engranaje helicoidal. Esta etapa permite el
bloqueo del eje final cuando el motor no esté en funcionamiento, de
esta forma no existe un consumo continuo de energía y una mejor
estabilidad de todo el conjunto en sí. Ofrece una holgura cero en
sus ajustes.
Por último a la salida de dicho reductor
helicoidal se establece un piñón (13) de cadena (14) constituyendo
la última relación reductora que se integra con piñones de acero
rectificados para engranar en cadena. Estos piñones pertenecen a
una relación de 3 a 1, y son capaces de soportar pares de fuerzas
muy superiores a los requeridos por el sistema posicionador,
evitando así riesgos de fatiga y proporcionando un sistema muy
robusto y sobredimensionado en resistencia.
La cadena (14) se utiliza para disminuir al
máximo las posibles holguras en las transmisiones, de manera que la
tensión de rotura es inalcanzable por el sistema, garantizando
totalmente su buen funcionamiento y garantía de por vida. Esta
cadena está libre de mantenimiento y se encuentra ajustada a la
tensión precisa para eliminar totalmente la holgura mecánica.
Por último, la cadena (14) mueve una corona (21)
a la que es solidario el eje (12) de posicionamiento, el cual es el
responsable de transmitir el movimiento al sistema de pinza que
soporta el piranómetro. Este eje es de acero inoxidable con un
mecanizado especial para conseguir que los hilos conductores que
alimentan la pinza puedan conducirse por su interior, evitando la
existencia de cables externos ligados a una articulación, lo cual
reduce totalmente el riesgo de daños, enganches y deterioro de los
cables, proporcionando a su vez un diseño avanzado y estéticamente
correcto.
Volviendo nuevamente a la figura 5, puede
observarse como el brazo robótico (4) está asociado igualmente a un
módulo (22) del panel de mandos, el cual aparece mostrado en
detalle en la figura 4.
Dicho panel de mandos sirve para gobernar el
posicionador de forma manual. Se tiene que conmutar de control por
PC a control Manual a través de un conmutador (24). Este panel
también monitoriza cualquier defecto de funcionamiento o activación
de protecciones en caso de pérdida de control del aparato, contando
con un interruptor (25) de encendido y con un led (26) indicativo de
anomalías en el dispositivo.
En modo manual tenemos una palanca de control de
velocidad (27) para gobernar el eje de salida del posicionador y
situar la pinza en la posición deseada. Para esto debe estar el
conmutador (28) de selección en la posición de eje.
Para realizar un enrrase del instrumento se debe
poner dicho conmutador (27) en modo enrrasador y utilizamos la
palanca de velocidad y sentido de giro tal y como se utiliza para
posicionar el eje de salida, haciendo subir o bajar con precisión
la pinza del instrumento. También tiene la posibilidad de hacer un
ajuste fino manual mediante la rueda de ajuste fino que se dispone
en la parte frontal inferior de la pinza.
Volviendo nuevamente al diagrama de la figura 5,
el brazo robótico (4) estará igualmente asistido por un módulo de
protección (28) que protege el dispositivo frente a problemas de
software y problemas de hardware. Ante los de software, se ha
protegido colocando dos finales de carrera en el plato de giro
rotacional, de esta forma cuando el software por cualquier motivo
dejara de funcionar y el motor siguiera en funcionamiento, llegado
un cierto momento se corta el suministro de tensión, obligando al
brazo a parar antes de dar una vuelta completa. Para volver a
realizar cualquier tipo de experimento, tendría que reinicializarse
el sistema, colocar en el panel trasero el brazo en posición manual
y colocarlo en la posición inicial. En este sentido, en el panel de
control (23) se incluye un señalizador luminoso (29) indicador de
dicho estado, así como un pulsador (34) de final de carrera.
Para proteger ante problemas del hardware, se
han utilizado fusibles para evitar sobrecalentamientos o
sobretensiones en los conductores y así proteger a la circuitería
electrónica. También para evitar la dependencia de muchos de los
componentes con la alimentación y la temperatura, se han utilizado
fuentes de referencia en diversas partes del circuito.
Igualmente el brazo robótico (4) está asociado a
un módulo (30) de sujección del piranómetro, que puede verse con
detalle en las figuras 2 y 3, de manera que el sistema de sujeción
de dispositivos radiométricos está compuesto por un soporte de
pinza (11) para alojar al piranómetro (5) y un motorreductor a cuyo
eje se le acopla una rueda para realizar un pequeño ajuste fino
(31). Este motor se hace coincidir con un tornillo sinfín (32), de
holgura cero para que no se produzca ningún tipo de movimientos
durante el funcionamiento de la invención. El ajuste que se realiza
con este motor (en caso de funcionamiento o en caso de utilizar la
rueda) es un ajuste vertical, para hacer coincidir el centro de
giro con la luz del led enrrasador (33). Para sujetar el
piranómetro se utiliza un soporte con forma de pinza (11), en el
cual hay una brida (36) de sujección ajustable al grosor y longitud
de los dispositivos a caracterizar, de forma que se realice una
sujección rápida y totalmente eficaz. Así el piranómetro a
caracterizar estará sujetado solidariamente a la pinza de
sujección.
Por último cabe destacar la existencia de un
módulo del sistema de autonivelado (34) que permite garantizar que
las medidas obtenidas por el sistema son totalmente fiables, para
lo cual, antes de realizar la caracterización del piranómetro, el
brazo robótico ha de ser capaz de autonivelarse horizontalmente.
Para ello cuenta con un sistema autónomo, comandado por el software
de adquisición de datos desarrollado para esta aplicación. Este
sistema consta de unos sensores de posición para determinar con
extremada precisión la posición de la invención, y si es necesaria
o no su nivelación con respecto a la horizontal. De forma
automática, si es preciso, se accionan unos motores DC que actúan
sobre tornillos sin fin de las patas del trípode (35) que soportan a
la invención, hasta que esté totalmente nivelada, a través de una
conexión (39) proviniente del citado módulo de autonivelado (34),
habiéndose previsto la incorporación de una escala graduada (37)
que en combinación con una aguja indicadora (38) permita controlar
los ajustes angulares realizados.
Para conseguir la mayor fiabilidad en todas las
medidas, se ha elaborado una regleta de conexiones con clemas.
Éstas se han introducido en una caja metálica, con el fin de aislar
las mediciones de todo tipo de ruidos que se puedan introducir por
inducción desde el medio ambiente. La disminución de ruidos se ha
efectuado con dos métodos, uno software y otro hardware.
El método software se consigue disminuyendo el
rango de funcionamiento de las medidas, de forma que realizamos más
medidas por cada tiempo de integración. La otra opción que se ha
realizado es colocar la masa a la caja de metal, así conseguimos
aislar las conexiones de ruidos externos mediante un blindaje
completo.
Claims (8)
1. Sistema robótico para la caracterización de
la respuesta angular en instrumentos radiométricos, que estando
especialmente concebido para permitir obtener unos resultados de
gran fiabilidad, resolución, precisión, y rapidez para determinar
la respuesta angular del instrumento de que se trate, así como para
inmunizar el ruido electromagnético y lumínico de los experimentos
realizados, se caracteriza porque está constituido a partir
de un brazo robótico (4), que a través de una serie de circuitos
electrónicos está asociado a un PC (1), a un panel de control (3) y
a un multímetro digital (2), brazo robótico (4) dotado de medios de
fijación del instrumento a caracterizar, habiéndose previsto que el
citado PC incorpore un software de programación que mediante un
posicionador digital permita una alta precisión para las posiciones
del brazo robótico (4), así como calcular el error coseno del
dispositivo a través de las medidas recibidas del multímetro
(2).
2. Sistema robótico para la caracterización de
la respuesta angular en instrumentos radiométricos, según
reivindicación 1ª, caracterizado porque en el mismo
participan un módulo de comunicación (6) del dispositivo con el
multímetro (2), el cual incluye todo el control electrónico del
instrumento, un módulo o fuente de alimentación (7), un módulo
controlador de motores (9), un módulo controlador de un servomotor
(10) para giro de los medios de fijación del instrumento a
caracterizar, un módulo (22) de control del panel de mandos (23), un
módulo de protección (28), así como un módulo o sistema de
autonivelado (34).
3. Sistema robótico para la caracterización de
la respuesta angular en instrumentos radiométricos, según
reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque el módulo o
fuente de alimentación (7) se establece exteriormente a una
distancia suficiente del multímetro digital (2) como para poder
asegurar que no afecta a las medidas tomadas por inducción de
ruidos a través del transformador.
4. Sistema robótico para la caracterización de
la respuesta angular en instrumentos radiométricos, según
reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque el brazo
robótico está asistido por dos motores de corriente continua de
mediana potencia.
5. Sistema robótico para la caracterización de
la respuesta angular en instrumentos radiométricos, según
reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque el módulo del
servomotor, al que están asociados los medios de fijación del
instrumento a caracterizar, materializados en una pinza (11)
asociada a un eje (12) cuyo giro está controlado a través de dicho
servomotor (10), comprende un mototorreductor de corriente continua
(16), a cuyo eje de salida se asocia un reductor (17), tras el que
se establece una barrera óptica (18) para un encóder, así como un
disco ranurado del encoder (19), estando dicho eje del reductor
(17) asociado a un acoplamiento homocinético (20), tras el que se
establece un reductor helicoidal de tornillo sin fin (15),
disponiéndose a la salida de dicho reductor un piñón (13) de cadena
(14) asociada a una corona (21) a la que es solidario el eje (12)
de posicionamiento.
6. Sistema robótico para la caracterización de
la respuesta angular en instrumentos radiométricos, según
reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque el panel de
mandos (23) cuenta con un conmutador (24) de control manual, un
interruptor (25) de encendido, testigos luminosos led (26)
indicativos de anomalías en el dispositivo, una palanca de control
de velocidad (27), un conmutador (28) de selección de la posición de
eje, una rueda de ajuste fino manual, así como un pulsador (34) de
final de carrera del brazo robótico.
7. Sistema robótico para la caracterización de
la respuesta angular en instrumentos radiométricos, según
reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque la pinza (11)
para alojar al instrumento a caracterizar está asociada a un
motorreductor a cuyo eje se le acopla una rueda para realizar un
pequeño ajuste fino (31), habiéndose previsto la inclusión de una
brida (36) de sujeción ajustable al grosor y longitud de los
dispositivos a caracterizar, de forma que se realice una sujección
rápida y totalmente eficaz.
8. Sistema robótico para la caracterización de
la respuesta angular en instrumentos radiométricos, según
reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque el módulo de
autonivelación (34) incluye sensores de posición, y está asociado a
unos motores de DC que actúan sobre tornillos sin fin de las patas
del trípode (35) de sustentación del dispositivo, en orden a
regular su altura, habiéndose previsto la incorporación de una
escala graduada (37) que en combinación con una aguja indicadora
(38) permite controlar los ajustes angulares realizados.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| ES200800223A ES2327485B1 (es) | 2008-01-29 | 2008-01-29 | Sistema robotico para la caracterizacion de la respuesta angular en instrumentos radiometricos. |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200800223A ES2327485B1 (es) | 2008-01-29 | 2008-01-29 | Sistema robotico para la caracterizacion de la respuesta angular en instrumentos radiometricos. |
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| ES2327485A1 ES2327485A1 (es) | 2009-10-29 |
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| ES200800223A Active ES2327485B1 (es) | 2008-01-29 | 2008-01-29 | Sistema robotico para la caracterizacion de la respuesta angular en instrumentos radiometricos. |
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| HARRISON, L. Multi-Spectral Automated Rotating Shadowband Radiometry. Atmospheric Sciences Research Center. State University of New York at Albany. [recuperado el 02.06.2009]. 1991 Solar World Congress Proceedings, vol. 1. Pergamon Press, Oxford. P. 893. Recuperado de internet: <URL:http://www.arm.gov/publications/proceedings/conf02/ extended\_abs/harrison\_l.pdf> * |
| MICHALSKY et al. Cosine response characteristics of radiometric and photometric sensors, Presented at the National Solar Energy Conference, Cocoa Beach, FL, 13-18 Jun. 1992. Solar Energy. ISSN 0038-092X 1995, vol. 54, no 6, pp. 397-402. Elsevier, Oxford. * |
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