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“UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO”
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y
MATEMÁTICAS
INFORME DE PRÁCTICAS PRE-
PROFESIONALES
CALIBRACIÓN Y EVALUACIÓN DE UN
PROTOTIPO DE SOLARÍMETRO EN LA
ESTACIÓN CLIMATOLÓGICA PRINCIPAL
U.N.P.R.G.
------------------------------------------
LUIS DAVID SILVA ALCÁNTARA
ASESOR:
FRANCISCO GARCIA ROQUE
LAMBAYEQUE - PERÚ
AÑO - 2011
CALIBRACIÓN Y EVALUCIACIÓN DE UN PROTOTIPO DE
SOLARÍMETRO EN LA ESTACIÓN CLIMATOLÓGICA
PRINCIPAL U.N.P.R.G.
Silva Alcántara, Luis David.
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad Nacional Pedro
Ruiz Gallo (UNPRG).
RESUMEN:
El presente informe trata sobre la metodología empleada para la
calibración y evaluación de cuatro solarímetros fabricados de manera
artesanal, cuyo elemento sensible es esencialmente una pila termoeléctrica.
El objetivo principal fue realizar una comparación entre las medidas
proporcionadas por los solarímetros fabricados y el solarímetro de referencia
empleado, para determinar los coeficientes de calibración correspondientes.
La metodología consistió en realizar lecturas simultáneas del
piranómetro CMP3 utilizado como patrón y los solarímetros fabricados.
Luego se procedió a calibrar y evaluar a cada uno de ellos.
Las mediciones se realizaron entre os días 24 de mayo y 12 de junio
del 2011 en la Estación Climatológica Principal U.N.P.R.G.
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN:
El estudio de la radiación solar a partir de los datos proporcionados por un
solarímetro recién fabricado necesita, como requisito imprescindible, una
adecuada calibración de dicho instrumento. El proceso de calibración
consiste en la obtención de unos factores que permiten transformar el voltaje
de salida registrado por el solarímetro en unidades radiométricas (w/m2). La
calibración de un solarímetro debe realizarse periódicamente con el objetivo
de corregir los cambios en la respuesta del instrumento debido a su
envejecimiento.
Existe una gran diversidad de métodos para obtener los factores de
calibración de un solarímetro, lo que puede dar lugar a importantes
diferencias en los factores de calibración calculados. Para evitar esta fuente
de discrepancia y poder comparar las medidas proporcionadas por distintos
instrumentos, la Organización Meteorológica Mundial (OMM) ha promovido
la estandarización de los métodos de calibración de los solarímetros.
Una de las técnicas habituales de calibrado consiste en la intercomparación
de los solarímetros con un equipo de referencia, utilizando como fuente
radiativa el sol. Este fue el método utilizado para calibrar los cuatro
solarímetros fabricados. El equipo de referencia empleado fue un
piranómetro de segunda clase, modelo CMP3 fabricado por la empresa Kipp
& Zonen, disponible en la Estación Climatológica Principal U.N.P.R.G.
MARCO TEÓRICO
I. MARCO TEÓRICO:
La radiación solar se puede medir con diversos tipos de sensores. Los más
difundidos son aquellos basados en la diferencia de potencial que se crea
entre dos puntos, bien sea porque uno de ellos está expuesto a la radiación
solar y el otro no, bien porque uno está pintado de blanco y refleja la luz
solar y el otro de negro y la absorbe, o bien porque sean materiales de
distinta naturaleza. Esta diferencia de potencial está relacionada linealmente
con la intensidad de radiación solar que recibe la superficie del sensor.
Debido a que cada material y que la configuración de cada sensor produce
una diferencia de potencial distinta, es preciso determinar los factores de
linealidad, para poder emplearlos en la determinación de la radiación solar a
partir de una medida del voltaje suministrado por el sensor. Este proceso
recibe el nombre de calibración del sensor.
1.1. CALIBRACIÓN DE UN PIRANÓMETRO POR COMPARACIÓN:
Este método consistente en registrar medidas simultáneas de dos
piranómetros (uno de ellos tomado como referencia) montados
horizontalmente, uno junto al otro, al aire libre durante un periodo de tiempo
suficientemente prolongado para llegar a resultados representativos. Si los
instrumentos son similares, basta un solo día. Cuando más acusada sea la
diferencia entre los dos tipos, más dilatado debe ser el periodo de
comparación. No obstante, puede reemplazarse un periodo extenso por
diversos periodos cortos que cubran condiciones típicas (despejado,
cubierto, lluvia, etc.). La obtención del factor de calibración se obtiene
empleando el método estadístico de regresión lineal.
MATERIALES
Y
MÉTODOS
II. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. MATERIALES:
Los materiales que se usaron fueron:
• Piranómetro de segunda clase, modelo CMP3.
• Multímetro digital marca Konstar, modelo UT33A.
• Nivel marca Stanley.
• Banco y plataforma de soporte para los solarímetros.
• Cuatro solarímetros con detector pintado de blanco y negro.
2.1.1. PIRANÓMETRO DE SEGUNDA CLASE, MODELO CMP3:
El CMP3 es un piranómetro robusto, fabricado por la empresa Kipp & Zonen.
Mide la radiación solar con una termopila ennegrecida de alta calidad,
protegida por una cúpula. La termopila proporciona una respuesta espectral
plana en todo el rango de espectro solar. Esto permite al CMP3, usarse bajo
cubierta vegetal o lámparas, con cielo nublado y para medidas de radiación
reflejada. Características principales: tiempo de respuesta: menor a 18s;
máxima absorción de radiación: 2000 w/m2; rango espectral: 310 a 2800 nm;
rango de temperatura de funcionamiento: -40 a 80 0C. El piranómetro
utilizado tiene un factor de calibrado de
Figura1. Piranómetro CMP3.
2.1.2. SOLARÍMETRO CON DETECTOR PINTADO DE BLANCO Y
NEGRO:
Se diseñaron y construyeron 4 de este tipo. Su elemento sensible es
esencialmente una pila termoeléctrica constituida por pares termoeléctricos
de cobre-constantan conectados en serie sobre un disco de baquelita de 5
cm de diámetro. La superficie del receptor, que presenta una serie de
círculos concéntricos, se pintó de manera alternativa de color blanco y
negro, de tal manera que las uniones calientes de los termopares están en
contacto con las superficies negras, altamente absorbentes, y las uniones
frías en contacto con las superficies blancas de gran reflectividad. La
diferencia de potencial medida a la salida de los solarímetros está
relacionada con el nivel de radiación solar instantánea.
Figura2. Solarímetro blanco y negro, de fabricación casera.
2.2. PROCEDIMIENTO:
2.2.1. DISPOSICIÓN DE LOS MATERIALES:
Los solarímetros fabricados se colocaron sobre la plataforma de soporte
formando un arreglo cuadrangular en cuyo centro se colocó el piranómetro
patrón. La plataforma se aseguró al banco mediante tornillos y se colocó en
campo abierto, asegurándose en cada momento que los solarímetros se
encuentren a un mismo nivel.
Figura3. Disposición de los solarímetros para la toma de datos.
2.2.2. REGISTRO DE MEDIDAS:
Se registraron medidas simultáneas de los cuatro solarímetros y del
piranómetro de referencia con un intervalo de tiempo de 10 minutos. Las
mediciones fueron realizadas en días con cielo despejado, en las
instalaciones de la Estación Climatológica Principal U.N.P.R.G.
Figura4. Estación climatológica principal UNPRG
2.2.3. DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE CALIBRACIÓN:
Para determinar el valor de la constante de calibración de los solarímetros,
se encontró la pendiente de la recta que mejor se ajusta al voltaje de salida
de cada solarímetro versus la medida de irradiación solar del solarímetro
patrón (CMP3). También se calculó el coeficiente de correlación lineal y la
desviación estándar residual. Para ello se utilizó las herramientas
disponibles en el programa Microsoft Excel.
2.2.4. EVALUACIÓN DE LOS SOLARÍMETROS:
Se determino el nivel de radiación medido por cada solarímetro en un
determinado instante y se comparó con los valores obtenidos mediante el
piranómetro de referencia CMP3. Los datos se registraron el día 12 de junio,
desde el mediodía hasta las 5pm.
RESULTADOS
Y
DISCUSION
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN:
El valor más probable para la constante de calibración de cada solarímetro
viene dada por la pendiente de recta mejor ajustada entre el voltaje de salida
de cada solarímetro versus la medida de irradiación solar del solarímetro
patrón CMP3.
Fig.1. Determinación de la constante de calibración para el solarimetro1
En la figura1 se observa el valor más probable para la constante del
solarímetro1. El valor encontrado fue de , con un
coeficiente de regresión lineal de 0.9658. La desviación estándar calculada
para este solarímetro fue de entre el rango de 0 a 1000
w/m2
Fig.2. Determinación de la constante de calibración para el solarimetro2
En la figura2 se observa el valor más probable para la constante del
solarímetro2. El valor encontrado fue de , con un
coeficiente de regresión lineal de 0.9746. La desviación estándar calculada
para este solarímetro fue de entre el rango de 0 a 1000
w/m2
Fig.3. Determinación de la constante de calibración para el solarimetro3
En la figura3 se observa el valor más probable para la constante del
solarímetro2. El valor encontrado fue de , con un
coeficiente de regresión lineal de 0.971. La desviación estándar calculada
para este solarímetro fue de entre el rango de 0 a 1000
w/m2
Fig.4. Determinación de la constante de calibración para el solarimetro4
En la figura4 se observa el valor más probable para la constante del
solarímetro4. El valor encontrado fue de , con un
coeficiente de regresión lineal de 0.9696. La desviación estándar calculada
para este solarímetro fue de entre el rango de 0 a 1000
w/m2
Los resultados anteriores se pueden resumir en el siguiente cuadro:
CUADRO1
VALORES ESTADÍSTICOS OBTENIDOS PARA CADA SOLARÍMETRO
Constante de Desviación
calibración
)
Coeficiente de
regresión lineal
(R2)
estándar
residual
(mV/w.m-2)
Solarímetro 13.7 0.9658 0.17
Solarímetro 23.9 0.9746 0.15
Solarímetro 33.9 0.971 0.17
Solarímetro 43.6 0.9696 0.16
En el cuadro1 se puede observar los valores de la constante de calibración,
coeficiente de correlación lineal y desviación estándar residual, con sus
respectivas unidades, obtenidos para cada uno de los solarímetros
fabricados.
En las siguientes figuras se presenta una parte de la curva típica del
comportamiento de la radiación solar, que generalmente presenta un perfil
de campana. La medición tuvo lugar el 12 de junio, con nubosidad variable,
alcanzando un valor pico de 880.95 w/m2 (este fue el valor pico registrado
con el piranómetro de referencia CMP3).
Figura5. Medida de la radiación solar realizada con el solarimetro1 y el
piranómetro CMP3 el día 12 de junio
En la figura5, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el
solarimetro1 y el CMP3 de referencia. En general la curva representada
debe ser una línea suave; sin embargo se pueden observar picos
pronunciados, sobre todo, en la grafica obtenida con los datos del
solarimetro1. Esto se puede explicar en su mayor parte, al hecho de que
hubo determinados instantes de nubosidad, lo que afectó a las condiciones
de medida.
Figura6. Comparación entre la medida de la radiación solar realizada
con el solarimetro2 y el piranómetro CMP3.
En la figura6, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el
solarimetro2 y el CMP3 de referencia.
Figura7. Comparación entre la medida de la radiación solar realizada
con el solarimetro3 y el piranómetro CMP3.
En la figura7, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el
solarimetro2 y el CMP3 de referencia. Se puede observar descenso del nivel
de radiación solar a las 2:30pm, registrado con mayor intensidad con el
solariemtro3. Esto descenso en el nivel de radiación se debió a las
condiciones de nubosidad muy variable que presentó el día 12 de junio, lo
que de hecho afectó a que las condiciones de medida sean iguales para
todos los solarímetros.
Figura8. Comparación entre la medida de la radiación solar realizada
con el solarimetro4 y el piranómetro CMP3.
En la figura8, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el
solarimetro2 y el CMP3 de referencia.
CONCLUSIONES
4. CONCLUSIONES:
• La adecuada calibración de los solarímetros cobra una importancia
capital cuando se quiere realizar un estudio sobre radiación solar a
partir de los datos que nos proporcionan, ya que garantiza la
confiabilidad y trazabilidad de las medidas realizadas.
• En promedio, los solarímetros fabricados tienen un coeficiente de
correlación 0.97. Esto nos indica que existe una excelente linealidad
entre los datos proporcionados con los solarímetros y los
proporcionados con el piranómetro de referencia empleado.
• Los solarímetros fabricados satisfacen suficientemente la expectativa
propuesta y pueden proporcionar datos necesarios para grupos de
investigadores en lo que respecta a estudios sobre radiación solar, de
gran importancia en la actualidad.
5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
• Torres R, (1982), Construcción de un solarímetro blanco y negro.
Revista peruana de Física. Vol I, Nº3, Pag. 379-389.
• Comisión Nacional del Agua.(2010). Manual teórico práctico del
observador meteorológico de superficie. Secretaria del medio
ambiente y recursos naturales. México, Pag 113-131.