medidor con labview

Instituto Tecnológico de Chihuahua ELECTRO 2001

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DISEÑO DE UN INSTRUMENTO VIRTUAL PARA LA MEDICIÓN DE ENERGÍAUSANDO LABVIEW

Anzurez Marin Juan, González Ruiz VictorUniversidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

Facultad de Ingeniería Eléctrica, División de Estudios de PosgradoCiudad Universitaria, Morelia, Mich., tel/fax (01 4) 327 97 28

E-mail: [email protected]

RESUMEN. El presente artículo muestra el diseñode un medidor de energía virtual, empleandoLabVIEW, el cual indica, de manera digital, en unacomputadora personal (PC), el consumo de ésta anivel residencial. El instrumento virtual, sensa lasseñales de voltaje y corriente del sistema, para serllevadas a la PC a través de una tarjeta deadquisición de datos. Además, indica el voltaje ycorriente rms; potencias activa, reactiva y aparente;demanda máxima; factor de potencia y genera unespectro de frecuencia de las señales. Actualmente,permite capturar eventos en sistemas monofásicosen intervalos de tiempo definidos por el usuario;por defecto el instrumento maneja 5 y 15 min deacuerdo a los estándares de Comisión Federal parasus medidores de estado sólido[4]. Desde el puntode vista didáctico permite a los estudiantes deingeniería eléctrica enfocarse en el análisis delproblema de la medición de variables eléctricasasociadas con la energía bajo condiciones ideales.

1. INTRODUCCIÓNLa importancia de realizar la medición de energíaeléctrica, estriba en el hecho de que esta no sepuede almacenar, por lo que se hace necesariotener una medición exacta en los consumos deenergía.La medición de energía eléctrica por medio deWatthorímetros es la forma más sencilla yconfiable, debido a las características propias delos equipos de medición que se componen de pocoselementos eléctricos. La gran variedad deWatthorímetros nos permite medir todo tipo yforma de señales, se pueden realizar medicionesresidenciales, industriales, en subestacioneseléctricas y en plantas generadoras de energíaeléctrica. De acuerdo a las necesidades y cantidadde energía medida, será el tipo y modelo demedidor que se requiere, así, para servicioresidencial se emplean los de tipo electromecánico,cuyo principio de funcionamiento es el motor deinducción; de igual forma para servicio industrial

es muy conveniente realizar mediciones conmedidores auto contenidos (requieren TC’s y TP’s)electromecánicos y digitales.Así, el diseño del Instrumento Virtual estaestructurado en cinco etapas principalmente, comose muestra en la figura 1; en ésta, se puedeobservar la detección de dos señales (voltaje ycorriente) de un sistema eléctrico monofásico,seguido de una etapa de acondicionamiento de lasmismas, a niveles de 0-5 volts, una conexión a unaPC por medio de una Tarjeta de Adquisición deDatos (DAQ PC-LPM-16PnP de NationalInstruments) y, finalmente una interface con elusuario la cual se ha desarrollado mediante elSoftware de National Instruments; LabVIEW. Porlo cual, el Instrumento Virtual diseñado cuenta conun panel frontal, en la pantalla de la PC, que nosindica el consumo de energía eléctrica del sistema,además de otras variables eléctricas, como son:voltaje y corriente rms; potencia activa, real yreactiva; factor de potencia; demanda máxima ycuenta con la posibilidad de generar un espectro defrecuencia de las señales. Esto permite que losestudiantes de Ingeniería Eléctrica puedan analizarsistemas de medición de parámetros eléctrico asícomo de sistemas eléctricos en general.

2. DISEÑO DEL MEDIDOR VIRTUAL DEENERGÍALa medición de la energía eléctrica consumida esde suma importancia e interés por parte de losconsumidores, siendo el Watthorímetro elinstrumento empleado para dicha medición y, enparticular el de tipo electromecánico el de mayoruso a nivel residencial, el cual puede ser del tipomonofásico o polifásico de acuerdo a la cargainstalada; a nivel industrial se utilizan medidoresde estado sólido o digitales, los cualesproporcionan una medición más precisa. Esimportante mencionar que debido a la forma deprocesamiento de la información en los diseñosdigitales, se pueden incluir características

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Sensor de Corriente

SISTEMASensor de Voltaje Señales Acondicionador de la señal

Medidor Virtual de Energía LabVIEW Tarjeta de Adquisición de DatosFigura 1.- Etapas principales del Medidor Virtual de Energía

adicionales a los Watthorímetros, lo que los hacemás versátiles.Así, el presente artículo muestra las ventajas delprocesamiento digital de la información apoyadosde una computadora personal y lenguajes deprogramación gráficos. A continuación sedescriben cada una de las secciones mostradas enla figura 1, que se desarrollaron para el diseño delInstrumento Virtual para la Medición del Consumode Energía bajo condiciones ideales.

2.1. Sensores de corriente y voltaje.Existen varios tipos de sensores Hall dentro de losque destacan los de tipo Switch y Lineal. Sediseñan sensores lineales para responder en unaamplia gama de campos magnéticos negativos opositivos, por esta razón, los sensores de efectoHall lineales son ideales para sensar corrientes, quevan desde mili Amperes hasta miles de Amperescon una buena precisión. El flujo de corriente através de un conductor generará un campomagnético en el espacio, de aproximadamente 6.9gauss por Ampere; es por esto que el rango demedición de un sensor de efecto Hall lineal estálimitado, por lo que se hace necesario configurar elcircuito del sensor de tal forma que el rango demedida del campo magnético, debe estar dentro delos límites del sensor a utilizar[10].Puede aumentarse la densidad de flujo magnéticocon el uso de un núcleo en forma de “dona”, conun corte transversal para ubicar dentro de éste al

sensor Hall. Para medir corrientes bajas, elconductor debe dar varias vueltas en su recorrido através de la “dona” para formar una bobina, comose muestra en la figura 2a.

(a) (b)Figura 2: Sensor acoplado para la medición de

corrientes (a) bajas y (b) altas.

Para mediciones de corriente mayores de 25amperes, se recomienda que el conductor decorriente pase a través de la “dona” (figura 2b). Elcampo magnético se concentrara en el núcleo parade esta manera sensar a través del elemento. Loscampos magnéticos por debajo de 1 gauss sondifíciles de medir debido al ruido interior asociadocon el sensor de estado sólido y amplificadores. Elruido de salida en el ancho de banda del sensor estípicamente 400 µV rms [10].El sensor Hall utilizado para este diseño es elUGN3501 de Allegro, cuya forma de transistor semuestra en la figura 3, el cual tiene comocaracterísticas principales:

• Voltaje de suministro de 8-12 Volts de cc.


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• Salida estática de 3.6 Volts.• Sensibilidad a 5 Volts de 0.6 mV/G

Figura 3. Vista frontal del sensor Hall UGN3501

En el diseño del Instrumento Virtual de Energía seplanteó medir corrientes menores a 25 amperes porlos que se esta empleando el sensor en laconfiguración mostrada en la figura 2a. De acuerdoa los sistemas físicos que se probaron donde lascorrientes máximas alcanzadas fueron de 10amperes el diseño no requiere de ningúnacondicionamiento de la señal.Otra de las variables primordiales en el diseño es elvoltaje, para la cual se emplea el método mássencillo y funcional de un transformador reductor127/12V y, del cual se empleó el tap central a 6Vac.La señal de voltaje requiere de unacondicionamiento mediante un circuito reguladorsinusoidal el cual debe fijar el voltaje a nivelesadecuados para la siguiente etapa de la adquisiciónde los datos, este circuito básicamente estáformado por dos zeners de 5.4V, como se muestraen la figura 4.

Figura 4.- Circuito regulador sinusoidal.

2.2. Adquisición de Datos.Otra de las fases importantes del diseño, es lacomunicación Hardware-Software, la cual se llevaa cabo, en este caso, mediante una Tarjeta deAdquisición de Datos DAQ PC-LPM-16/PnP deNational Instruments, que cuenta con 16 canalesanalógicos de entrada con un convertidor deanalógico a digital de 12 bits [6]; de las cuales, enestos momentos se emplean dos canales, portratarse de una medición monofásica

Los rangos de voltaje de entrada analógica con losque cuenta la tarjeta son: 0 a10 Volts, ±5 Volts, 0 a5 Volts, y ±2.5 Volts. En este caso, la adquisiciónde datos se utilizan las entradas analógicas enmodo referenciado de ±5 Volts, esto quiere decirque se va a utilizar la misma referencia (tierra) paralas dos señales de entrada; y los canales analógicosque se van a utilizar son el canal CH0, pin 3, parala señal de voltaje y el canal CH1, pin 5, para laseñal de corriente, mientras que para la terminal dereferencia se utiliza el pin 2 de la Tarjeta deAdquisición de Datos, el diagrama de conexionesse muestra en la figura 5 [6].

Figura 5.- Canales en la DAQ PC LPM 16PnP

2.3. Descripción del Software.Los procesos de automatización para la adquisicióny control de instrumentos es una tarea difícil. Lainherente dificultad se debe a que los procesospueden ser confusos. Además puede tener altogrado de complejidad si las herramientas deprogramación con las que se trabaja son difíciles demanejar. Una de las herramientas disponibles hoyen día es el lenguaje de Programación gráfica olenguaje “G” que ofrece LabVIEW, el cual es útilen aplicaciones de control e instrumentación, yaque es un lenguaje de programación de alto nivelque cuenta con funciones para adquisición yprocesamiento de datos.Así, LabVIEW facilita la tarea de adquisición,análisis y presentación de datos; por lo tanto, soloes necesario el enfoque en el problema original deadquisición o medición. La filosofía deprogramación del lenguaje ”G”, toma como base la

TierraVoltaje

Corriente


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Figura 6.- Panel frontal del Medidor Virtual de Energía

estructura de un instrumento tradicional, el cualcuenta con un “panel frontal” (controles, botones einterruptores) para configurar el proceso demedición e indicadores para desplegar el valormedido; detrás del panel frontal tiene componenteselectrónicos que desarrollan la función delinstrumento, tales como la conversión de unacantidad física en una señal eléctrica paraposteriormente convertirlo a un valor numérico.

Un Instrumento Virtual (VI) es un programadiseñado, en LabVIEW en este caso, para quetenga las mismas características de un instrumentotradicional. En particular, un VI tiene un “panelfrontal” desplegado en la pantalla de lacomputadora y este opera mediante el teclado o elmouse; el programa o código fuente, representa elensamble de componentes electrónicos quedesarrollan la función del VI; en LabVIEW esllamado “Diagrama de Bloques”. El cual seconstruye uniendo bloques (funciones) mediantelíneas que llevan el flujo de datos [9].El Software diseñado para el Medidor Virtual deenergía tiene la siguiente estructura:

1. Se inicia diseñando el Panel Frontal ointerfase gráfica con el usuario.

2. Para el cálculo de la energía se establece unabase de tiempo.

3. Sincronización de las señales para iniciar lacaptura de datos (voltaje y corriente).

4. Cálculo de los valores rms, factor de potencia,demanda máxima y potencias.

5. Se revisa el tiempo base tomando un ∆t, y secalcula la energía consumida por el sistema.

6. Se regresa al punto 2 o si se decide se sale delprograma.

La interfase gráfica o panel frontal diseñada para elmedidor virtual se muestra en la figura 6. En lacual se observan dos carátulas, similares a unWatthorímetro de estado sólido comercial usado enCFE marca VECTRON, que muestran las variablesmedidas como son: La energía o Watthoras delsistema, así como el factor de potencia, potencias,voltaje, corriente, demanda máxima y gráficas devoltaje y corriente.Para establecer la base de tiempo LabVIEW cuenta

con una función llamada Tick Count , la cualproporciona el valor instantáneo del timer de la PCen mS; otra de las operaciones claves es lasincronización de las señales para iniciar la capturade la información, dicha sincronización consiste enel diseño de un detector de cruce por cero de laseñal de voltaje el cual se lleva a cabo mediante larutina mostrada en la figura 7. En esta rutina sepuede observar una función (icono) llamado “AISample Channel”, la cual se encarga de leer elcanal “cero” de la DAQ y tomar una muestra devoltaje, si el valor esta entre 0 y 0.09, iniciamoscon la captura de 1000 puntos tanto de voltaje


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como de corriente, en caso contrario se debe tomarotra lectura de voltaje [9].

Figura 7.- Detector de cruce por cero

Para el cálculo de la energía se utilizaron lassiguientes definiciones:

TiemporealPotenciaWatts *_= (2-1)TiempoactivaPotenciaVars *Re_= (2-2)

Lo que implica el cálculo previo de la potencia realy a su vez el cálculo del factor de potencia deacuerdo a las siguientes definiciones:

IVS *= (2-3)θCosIVP **= (2-4)

22 PSQ −= (2-5)

En la figura 8 se muestra el código en LabVIEWpara el cálculo de las potencias, de acuerdo a lasdefiniciones anteriores. La figura 9 muestra elcorrespondiente código que obtiene la energíaconsumida en el sistema, aquí se determina el valordel timer actual de la PC y se compara con el valorinicial para establecer el tiempo y multiplicarlo porla potencia.

Figura 8.- Cálculo de la potencia reactiva

Para el cálculo del factor de potencia se emplea unalgoritmo matemático [5] que consiste en lamultiplicación de las dos señales (voltaje ycorriente). Cabe mencionar que el programa tienela capacidad de extenderse hacia un análisis de

armónicos, en este momento se obtiene un espectrode frecuencia de las señales.

Figura 9.- Rutina para la obtención de la energíaconsumida por el sistema

3. PRUEBAS Y RESULTADOS.Para la validar el diseño se realizaron pruebas deLaboratorio usando módulos de carga LabVOLT,un multímetro Goldstar de 31/2 dígitos y lasdefiniciones matemáticas 1-1 a la 1-5. Un ejemplode señales capturadas para carga puramenteresistiva se muestra en la figura 10, y los valores delas variables medidas son los mostrados en el panelfrontal de la figura 6, que indica, en este momento:4.09 amperes, 117.32 volts, 480.24 watts, 480.24va, 14.88 watthoras, 0.41 varhoras, 1.0 de factor depotencia y 962.09 de demanda máxima.

Figura 10.- Voltaje y Corriente del sistema de prueba

En la tabla 1 se muestran los resultados teóricos delsistema analizado.

Tabla 1.- Valores teóricos del sistema

Comprobación MatemáticaVolt. Corr. Pot. f.p. En.Real En.React.117.2 0 0 1 0 0117.2 0.97 113.68 1 1.89 0117.2 1.99 233.23 1 3.89 0117.2 2.99 350.43 1 5.84 0117.2 4.06 475.83 1 7.93 0117.2 5.06 593.03 1 9.88 0117.2 4.08 478.17 1 7.97 0117.2 3.02 353.94 1 5.90 0117.2 1.98 232.05 1 3.87 0117.2 1.02 119.54 1 1.99 0


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En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidospor el Medidor Virtual Diseñado, durante variasmuestras.

Tabla 2.- Valores obtenidos en el Medidor Virtual deEnergía

Valores obtenidos en el MVEVolt. Corr. Pot. f.p. En.Real En.React.

117.05 0.16 18.73 1 0.31 0117.15 1.07 125.35 1 2.09 0117.15 2.03 237.81 1 3.96 0117.19 3.05 357.43 1 5.96 0117.21 4.12 482.91 1 8.05 0117.11 5.01 586.72 1 9.78 0117.04 4.09 478.69 1 7.98 0117.17 3.07 359.71 1 5.99 0117.22 2.01 235.61 1 3.93 0117.09 0.99 115.91 1 1.93 0

En forma gráfica esa comparación se muestra en lafigura 11, en las cuales se indican tanto paravoltaje, corriente, potencia y energía, los valoresteóricos y prácticos obtenidos con el MedidorVirtual diseñado, un resultado importante es lagran semejanza de ambos resultados, por lo que enla gráfica se confunden las dos líneas.

Los resultados observados en la figura 11, fueronobtenidos para un sistema monofásico, 117 Vacrms, puramente resistivo (figura 11a); para el cualse incrementó la carga desde 0 amp hasta 5.01 ampy posteriormente se registro el proceso inverso(figura 11b), con el propósito de detectar precisióndel Medidor Virtual, es decir, la capacidad derepetir los resultados; esto originó una potenciamáxima de 586 watts (figura 11c) y un consumo deenergía máxima de 9.78 Watthoras (figura 11d).

4. CONCLUSIÓN.En este artículo se ha presentado el diseño de unMedidor Virtual de Energía que permite medir laenergía consumida en un sistema eléctricomonofásico bajo condiciones ideales, así comootras variables eléctricas importantes comodemanda máxima, potencias y voltajes, lo cualdesde el punto de vista didáctico sirve a losalumnos de ingeniería eléctrica a entender losconceptos de medición y análisis de sistemaseléctricos sencillos.

Esta filosofía de diseño de instrumentos virtualespuede aplicarse además para el diseño deprototipos de medidores basados enmicroprocesadores. Una de las ventajas de la

programación en LabVIEW es la estructura gráficade bloques (funciones) unidos mediante líneas queestablecen el flujo de datos.

(a)

(b)

(c)

(d)Figura 11.-Gráficas de (a) voltaje, (b) corriente, (c) potencia y(d) energía.

Dentro de las características importantes que sepueden mencionar con las que cuenta el MedidorVirtual es: Medición rápida y constante de laenergía y demás parámetros eléctricosmencionados, rango de corriente de 10mA a25Amp, rango de voltaje monofásico 127V.

Se puede modificar el periodo de medición a gustodel usuario; para el caso de los de estado sólido deCFE ya esta definido en periodos de 5 y 15minutos [4], se efectúa la representación delespectro de frecuencia de las señales. De acuerdo alos resultados obtenidos y comparando con valoresteóricos el error de máxima desviación que seobtuvo fue del 2.6%.


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5. REFERENCIAS[1] R. Boylestad, L. Nashelsky, “ElectrónicaTeoría de Circuitos”, Prentice-HallHispanoamericana, 1993.[2] Central Escuela Celaya, “Medición I”,Comisión Federal de Electricidad, 1990.[3] Central Escuela Celaya, “Medición II”,Comisión Federal de Electricidad, 1990.[4] Departamento divisional de Medición,“Medidor Electrónico Vectron, Manual deOperación”, Comisión Federal de Electricidad,1996.[5] J. A. Marin, “Analizador de Sistemas dePotencia usando Instrumentación Virtual”, Tesisde Maestría, ITCH, 1997.[6] National Instruments, “User Manual DAQPC-LPM-16/PnP”, 1996.[7] Medidor electrónico Alpha, “Instructivo deOperación”, Departamento Divisional deMedición, División Norte, CFE, 1996.[8] Medidor electrónico Vectron, “Instructivo deOperación”, Departamento Divisional deMedición, División Norte, CFE,1996.[9] National Instruments, “User Manual”LabVIEW 5.1, 1998.[10] B. Kemp, “Hall Efect Instrumentation”,Howard W. Sam & Co., Inc, 1963.


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