Anemómetro casero de alta precisión.

Consideraciones previas.

La mayoría de los anemómetros comerciales no baja de los 50 €. Además, si añadimos a las especificaciones un puerto para la transmisión de datos hacia el ordenador, el precio se dispara. El objetivo de este proyecto es analizar el viento de forma constante y almacenar los datos de la velocidad instantánea del viento 1 vez cada 4 segundos durante un período de varios meses. De esta forma, aplicando algunos cálculos estadísticos podremos averiguar los recursos eólicos de la zona y así adecuar el diseño del aerogenerador a la velocidad del viento óptima para el emplazamiento en cuestión.

 

Fig. 1. Detalle de la mecánica y la electrónica.

Se pueden usar pequeños motores eléctricos de escobillas ya que su tensión continua es linealmente proporcional a la velocidad de giro de los mismos, y esta velocidad es proporcional a la velocidad del viento. Sin embargo, si se desea precisión y realizar medidas a bajas o muy bajas velocidades del viento, es necesario diseñar un anemómetro que no disponga apenas de rozamiento. Además las escobillas tienden a desgastarse rápidamente. En mi caso, voy a situar mi anemómetro de forma permanente en el tejado de mi casa y necesito medir los datos a distancia en mi ordenador de forma continuada.

¿Cuál es la forma más sencilla y eficaz de realizar todo esto?. Para conseguir un rozamiento muy pequeño, he utilizado rodamientos especiales que se usan en las turbinas para dentistas. Estos rodamientos son capaces de trabajar hasta 400.000 r.p.m ( revoluciones por minuto ) y disponen de un rozamiento despreciable. Utilizando un optoacoplador de ranura tipo GP1S51 y dando un diseño adecuado al obturador, se consigue una onda cuadrada de 5 V que siempre tendrá un 50% de ciclo de trabajo independientemente de su frecuencia. El tiempo en alto de la señal siempre valdrá lo mismo que el tiempo bajo. La frecuencia de dicha señal será exactamente la frecuencia de rotación del anemómetro. Es decir, si la frecuencia es de 23 Hz, el rotor del anemómetro gira exactamente 23 vueltas por segundo. Multiplicando dicho valor por 60 obtendremos las r.p.m. El segundo problema consiste en cómo transmitir la medida a distancia al ordenador. He diseñado un circuito lo más sencillo posible y he evitado utilizar un pic, de esta manera se consigue un diseño rápido, con pocos componentes y eficaz. Es prácticamente imposible transmitir una señal TTL ( 0 - 5 Voltios ) a una distancia de 10 - 15 metros.

La solución viene de la mano famoso MAX232. Este integrado genera una onda cuyos niveles lógicos son +12V y -12V. Gracias a esto se puede transmitir una señal muy limpia a mucha distancia. Para simplificar aún más el diseño, el anemómetro utiliza solamente tres cables de conexión hacia el PC. Uno será la masa, otro la alimentación positiva que puede valer entre +9V y 30 V ( ya que el anemómetro posee su propio regulador ). El tercer cable es el de datos y solamente tendremos que disponer de otro MAX232 en el receptor que convierta los niveles 232 a TTL. Disponiendo de niveles TTL podremos ya, medir de una forma extraordinariamente precisa el periodo de la señal. Luego, el ordenador realizará todos los cálculos para obtener, la frecuencia, revoluciones por minuto, velocidad lineal del anemómetro, etc y llevar un registro de los datos.

El punto débil del proyecto es que necesitamos calibrar el instrumento con otro anemómetro. Medimos simultáneamente la velocidad del viento con un anemómetro profesional y vemos que r.p.m corresponden a esa medida en nuestro anemómetro. Con este dato ya podemos aplicar una regla de tres para calcular la velocidad del viento en todo momento, puesto que las r.p.m son proporcionales de forma lineal a la velocidad del viento.

El anemómetro es versátil y puede ser conectado a cualquier sistema ( PC, Pic, microcontrolador, etc ) que sea capaz de medir frecuencias o periodos. Puesto que la frecuencia que genera el anemómetro es muy baja, aún con vientos muy fuertes, es recomendable medir el periodo si se quiere obtener una precisión muy elevada. Midiendo el periodo podemos obtener una lectura completa en menos de un segundo. De esta manera se pueden medir variaciones muy rápidas en la velocidad instantánea de viento. Esto nos indicará el grado de turbulencias que azoten el lugar.

Este anemómetro es tan sensible que incluso sosteniéndolo con la mano y andando dentro de la casa se pone a girar. Colocando un secador del pelo a corta distancia he tomado medidas de 1.400 r.p.m.

Montaje y construcción.

El modelo consta de 3 hemisferios sacados de abrir por la mitad sendas pelotas de ping-pong. Estas tienen un diámetro de 4 cm. Cortar con cuidado por su línea central. Se pegan con loctite al contrachapado de 3 mm que aparece en la plantilla de la figura siguiente:

 

Fig. 2. Plantilla para los cangilones.

Cada cual puede construirlo como más le guste, solamente deberán de evitarse un rozamiento alto e impedir que el agua entre dentro de la electrónica. Para los que quieran buscar el rodamiento las dimensiones son : 7,9 mm diámetro exterior, 3,0 mm diámetro interior 3,5 mm espesor y baja fricción. Por supuesto cualquiera de tamaño similar con baja fricción podrá servir. Como curiosidad os muestro en la figura 3 la turbina de dentista de donde proceden los rodamientos.

 

Fig. 3. Ampliación de una turbina de dentista. Diámetro del rotor de tan solo 10 mm.

Mas abajo tenéis las fotos de mi montaje, realizado todo con contrachapado de madera de 3 mm, pintura antigoteras y tubo PVC.

Fig. 4. Detalle del rodamiento y obturador.	Fig. 5. Pintado con pintura antigoteras.
Fig. 6. Detalle del obturador y opto-acoplador montado.	Fig. 7. Detalle vertical.

Electrónica.

He tratado que la electrónica sea lo más sencilla y barata posible. Utilizo un cable de teléfono de 4 hilos de 10 m para comunicarme con mi anemómetro situado en mi tejado. El optoacoplador de ranura no es crítico y puede ser usado cualquier tipo. Solamente necesitamos 3 hilos, uno de tensión positiva de 12 V, otro de masa y otro de señal. El anemómetro se alimenta de la fuente de tensión situada en el lado del ordenador y consume muy pocos miliamperios.

 

Fig.8. Esquema. Pinchar sobre la imagen para descargar en PDF.

Se deben de utilizar condensadores de tántalo nuevos en los MAX232 para una mayor fiabilidad, sin embargo he utilizado condensadores electrolíticos normales y funciona sin ningún problema. La electrónica del lado del anemómetro está situada fuera de la casa a la intemperie y debe ser protegida convenientemente de la humedad y del sol. El opto-acoplador no funciona correctamente si recibe luz del sol, por lo tanto deberá de ser metido en una caja bien aislada de la luz y de la lluvia. Un tubo de PVC gris vendrá muy bien.

El programa de medida.

El programa está escrito en lenguaje C++ y es lo mínimo suficiente para empezar a realizar medidas. He ahorrado una cantidad inmensa de hardware ya que la medida del periodo la realiza por completo el ordenador. Aunque es sencillo no está mal para haber sido realizado en 2 horas. Se podría compilar para windows en Builder C++ u otros lenguaes. Sin embargo, puesto que la medida se realiza por software no es conveniente que corra bajo windows ya que éste realiza tareas en segundo plano que alteran los tiempos de ejecución del programa y por consiguiente altera la precisión en las medidas de periodo. De esta manera puedo usar mi viejo ordenador portátil Toshiba ( 486 DX2, 50 MHz, 4 MB RAM ) como looger y aprovechar que solamente consume 8 W!. Como veis el reciclaje llega hasta sus últimas consecuencias. El programa no funciona en XP. Para usarlo debermos arrancar el ordenador con un disquete de WIN98 ( no afecta para nada al XP ) cada vez que lo usemos.

 

Fig. 9. Aspecto del programa. Descargar aquí.

Uso.

Pulsando E se genera automáticamente un fichero cuyo nombre es el día mes y hora con extensión TXT. Se almacena una muestra cada 4 s. Pulsando T se cierra el fichero abierto. Pulsando R se ponen a cero los valores MAX/MIN. El programa es capaz de medir una frecuencia mínima de 0,30 Hz aunque podría aumentarser muchísimo más cambiando el software.

Para que salgan bien las gráficas en EXCEL.

Puesto que el fichero generado es un txt deberemos seguir los siguientes pasos para que salgan correctamente las gráficas. Abriremos el fichero en EXCEL y diremos que cargue los datos separados por delimitadores. En este caso el delimitador de es un espacio. La primera y la última línea no sirve y solo son datos del inicio y final del muestreo. Una vez abierto sustituiremos todos los puntos por comas ya que Excel entiende las comas como separadores de decimales y el programa genera puntos como separadores de decimales ( cosas del Turbo C++ 3.0 ). Convertir todos los datos a números. Utilizar gráficas XY de valores sin marcadores. Los valores del eje X corresponden al contaje de las muestras ( 1,2,3.... ) y los del eje Y a valor de la velocidad del viento expresada en m/s del fichero. La columna de hora y fecha no se utiliza para hacer el gráfico.

Medidas realizadas.

En las siguientes figuras se pueden apreciar las medidas eólicas de dos días consecutivos. Cada imagen abarca desde las doce de la noche de un día hasta las doce de la noche del día siguiente. ( 24 h ). De ellas podemos extraer algunas conclusiones importantes:

Fig. 10. Medida de 24h.

Fig. 11. Al día siguiente.

Durante toda la noche prácticamente el viento se mantiene aproximadamente constante y flojo. A partir del amanecer el viento comienza a aumentar hasta un máximo cerca de las tres o cuatro de la tarde y cae rápidamente en un par de horas hasta la noche. Hay que comentar que las tomas se han realizado en un lugar que dista del mar 1,5 km. Es curioso ver como se mantiene aproximadamente la misma forma básica de la curva de un día para otro. Cerca del mar los vientos siguen un ciclo día noche.

Desgraciadamente la velocidad fue escasa en esos días y totalmente insuficiente para aprovechamiento eólico efectivo puesto que las máquinas ligeras arrancan con velocidades del viento de 3-4 m/s como mínimo. Las medidas tienen que alargarse en el tiempo: meses o mejor un año para tener un estudio claro de las posibilidades eólicas de la zona.