Sistema robótico para la caracterización de la respuesta angular en instrumentos radiométricos.
Objeto de la invención
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.
Antecedentes de la invención
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 θ, es proporcional a la irradiancia medida en la vertical I0 y al coseno del mencionado ángulo: I = I0 cos θ.
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.
Descripción de la invención
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.
Descripción de los dibujos
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.
Realización preferente de la invención
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 2π 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.
