Figura 15 Monitoramento de condições meteorológicas
Figura 16 Sensor de temperatura modelo LM35
4.2.2 Sensores de condições ambientais
Com o alto custo dos instrumentos utilizados para a medição da radiação solar optou-se em desenvolver dispositivos para medição da radiação solar como parte dos requisitos de monitoramento das condições atmosféricas. Devido à complexidade de construção e a necessidade de valores correspondentes a radiação solar total em todo o espectro e na faixa de freqüência para utilização em conversores fotovoltaicos. O modelo escolhido para o instrumento de medição foi o piranômetro, que mede a radiação solar global, ou seja, a radiação solar direta e a radiação solar difusa. O piranômetro foi construído com sensores de fotodiodos utilizados como células fotovoltaicas e fotodiodos utilizados como fotocondutores para detecção da radiação na faixa para conversão fotovoltaica e com sensores de fotoresistores, mostrados na Figura 17, para medição da faixa luminosa. Para monitoramento da radiação solar foi montado um circuito utilizando dois conjuntos de fotodiodos e um conjunto em série de fotoresistores. As equações de ajuste de curva são determinadas pela comparação dos resultados dos dois tipos de sensores e experimentais e piranômetros rastreados.
Figura 17 Painel com fotoresistores em série
Fotoresistência: Foram utilizados fotoresistências modelo VT9000 com resistência típica para 10 lux de 24 kohms. A especificação típica para ausência de luz é de um valor de resistência de 500 kohms.
1 a1
b1 2 Vcc1
0
+5 V
10 mV/ºC LM35
Fotodiodo: Fotodiodos são detectores de radiação nos quais o sinal elétrico é produzido pela geração de pares elétrons lacuna causada por absorção de fótons nas imediações da região de depleção de uma junção p-n. Foram utilizados fotodiodos de germânio com filtro infravermelho com resposta na faixa de 850 nm.
Sensor de umidade relativa: Utilizado um sensor tipo capacitivo modelo HIH-4000-003 com exatidão 3,5%, repetitividade de 0,5%. Este fornece uma tensão de saída linearizada de (0,8 a 5) V, para uma variação de umidade relativa de (0 a 95)%.
Sensor de pressão barométrica: Utilizado um sensor de pressão absoluta, confirme Figura 18, modelo MPXM2102-na faixa de (0 a 100) kPa com saida de tensão linear proporcional a pressão ambiente na faixa de (0 a 40) mV com uma tensão aplicada de 10 V.
Figura 18 Sensor de pressão barométrica
Anemômetros: Os anemômetros de uso generalizado para medir velocidade de vento baseiam-se no princípio de transferência de quantidade de movimento, conhecidos como anemômetros mecânicos. Os anemômetros são usados e colocados em locais abertos, caracterizam-se pela inércia elevada, normalmente superior a 0,50 m.s-1. O de uso generalizado é o anemômetro de copos, mostrado na Figura 19 , que totaliza o vento que passa em um determinado local num intervalo de tempo considerado.
Figura 19 Anemômetro de copos experimental.
4.2.3 Os circuitos de condicionamento
Os sinais obtidos das fontes de energia, são níveis de tensão que devem ser condicionados para que possam ser inseridos no dispositivo de conversão para sinais digitais para serem processados pela interface de comunicação e enviados ao microcomputador para processamento e cálculos de conversão para que a informação possa ser inteligível pelo usuário.
Condicionamento dos sensores de temperatura: Uma parte do circuito de condicionamento, mostrado na Figura 22, é composto de amplificadores de instrumentação modelo INA2126 de dois dispositivos e um circuito integrado tipo multiplexador CMOS modelo CD4067 de 16 canais controlados por 4 bits. Neste circuito podem ser conectados até 16 termopares.
O amplificador de instrumentação modelo INA2126 é um dispositivo de alta exatidão para uso em sinais de baixo ruído. O ganho do amplificador pode ser determinado na faixa de cinco V/V até 10000 V/V através da alteração do resistor Rg.
O erro de zero máximo é de 250 µV e a deriva em relação a temperatura é de 3 µV/ºC.
O tipo de termopar utilizado é definido por software, o que possibilita que podem ser utilizados tipos diferentes de termopares nos canais de entrada. Conforme a Figura 20, o ganho é definido pelo resistor Rg, o multiplexador seleciona o canal do termopar antes da amplificação.
Figura 20 Circuito de condicionamento de termopares
O amplificador de instrumentação está configurado para um ganho de aproximadamente 800 vezes. Nesta configuração, a faixa de tensão na entrada do
+6 V
-6 V INA 2126 Rg
termopar
Rref
S1
S8
D
C1 C2 C3 ENB
Multiplexador
CD4067
conversor A/D fica limitada à faixa de zero a cinco volts, para uma variação de medição de temperatura de 0 a 150 ºC. A tensão de alimentação do amplificador nos valores de ±6 V possibilita um limite de tensão de ±5 V sem ocorrer à saturação do sinal.
Figura 21 Circuitos de condicionamento com amplificador operacional
A Figura 21 mostra as configurações do amplificador operacional para o modo de amplificador não inversor, circuito A, que amplifica os sinais dos sensores de temperatura para a temperatura ambiente e para a compensação da junção de referência do termopar. É utilizado um circuito integrado modelo LM35, que fornece uma tensão de 10 mV/°C a partir de 0 °C. O uso do amplificador não inversor eleva o nível de tensão para a faixa de 0 a 5 V da entrada do conversor. Os amplificadores operacionais no modo seguidor de tensão estão ilustrados no circuito B da Figura 21.
Estes amplificadores são utilizados para diminuir a impedância na entrada do sinal para o conversor AD.
4.2.4 Circuito de controle, conversão e transmissão de dados
O circuito experimental está ilustrado na Figura 22. Na face direita, nas indicações 1a e 1b, estão posicionados os contatos para as ligações dos sensores externos. As indicações com a letra a referem-se ao circuito de condicionamento de termopares e a indicação com a letra b referem-se ao circuito de condicionamento dos diversos sensores do sistema de aquisição. As indicações 2a e 3b correspondem aos multiplexadores de 16 canais cada. A fonte de tensão indicada por 0 alimenta o
C+6 V LM324
R2 R1
S1
S8
D
C1 C2 C3 ENB
Multiplexador
a1 1
b1 2 Vcc1
0
+5 V
LM35
a1 1
b1 2 Vcc1
0 LM324
+6 V
B) +5 V
A)
circuito com as tensões de +8 volts para os multiplexadores, ±6 volts para os amplificadores operacionais e +5 volts para alimentação do microcontrolador e referência de tensão para os conversores A/D e sensores. A indicação 3a corresponde aos amplificadores de instrumentação utilizados no condicionamento de sinais de termopares e sensores com baixas tensões de saída.
Figura 22 Circuito de controle, condicionamento e transmissão de dados
Conversores de sinais de tensão: Os valores de tensão típica nos geradores dos sistemas de cata-vento e dos painéis foto-voltaicos estão por volta de 14 V. A tensão fornecida pelos painéis foto-voltaicos não necessita de retificação, enquanto a saída de tensão do gerador deve ser retificada, para alimentação do circuito de tensão contínua e o sistema de carga para as baterias.
Figura 23 Escalonamento da tensão do gerador
São utilizados divisores de tensão com resistências, para dividir a saída das fontes numa proporção de 10:1 e com isso, evita-se danos à entrada do circuito de
2a 1a
4a 3a
1b 2b
3b
4b
0 5 4a 3a 2a 1a
1b 2b
3b 4b
0 5
conversão A/D. Os valores escalonados de tensão são compensados via software no processamento dos sinais. O circuito divisor é mostrado na Figura 23.