4. la estaciÓn de medidas radiomÉtricas y...

Procedimiento de Mantenimiento y Daniel Pérez Carrasco Calibración de Estación Radiométrica

4. LA ESTACIÓN DE MEDIDAS RADIOMÉTRICAS Y METEREOLÓGICAS

La estación de medidas radiométricas y meteorológicas está situada en la azotea del edificio de laboratorios L-1 de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla desde diciembre del año 1998, siendo sus coordenadas geográficas 37.40º de latitud Norte y 6.01º de longitud Oeste. Anteriormente, desde el año 1984 hasta mayo de 1998, estuvo situada en el antiguo edificio de la Escuela Superior de Ingenieros, cuyas coordenadas geográficas son 37,37 ºN y 6,00 ºW.

Figura 22. Situación de la Estación. Fuente: Google Earth

La estación de medidas está integrada por un sistema automático que mide, trata y registra digitalmente, de forma automática y continuada, los valores de una serie de variables radiométricas y meteorológicas, y por otros equipos que no están

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integrados en dicho sistema, ya sea porque no proporcionan una salida adecuada para su tratamiento electrónico (caso del heliógrafo de Campbell-Stokes), ya sea porque no están concebidos para la medida continua y rutinaria.

Figura 23.Vista de la Estación En su configuración actual, el sistema automático de adquisición de datos está integrado por los siguientes elementos:

- Sensores. Los sensores son los dispositivos que captan el valor absoluto o la variación de una determinada magnitud física (señal de entrada) y la convierten en una señal de salida apta para su tratamiento electrónico posterior. Los sensores están instalados en la plataforma superior de las instalaciones de la estación de medidas, situada a 16 m sobre el nivel del mar

- Panel de conexión. El panel de conexión, situado en la misma

plataforma que los sensores, proporciona una interfaz física entre estos y la unidad de adquisición, facilitando y simplificando la instalación y el mantenimiento del cableado.

- Unidad de adquisición. La unidad de adquisición realiza las

funciones de amplificación de las señales de los sensores,

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multiplexión, muestreo y retención y conversión analógico/digital de las señales de los sensores que requieren todos o algunos de estos procesos con anterioridad a su tratamiento digital en la unidad central. Actualmente esta unidad es un escáner HP 34970A de Hewlett-Packard.

- Unidad central. La unidad central se compone de un

ordenador personal, una tarjeta controladora para la conexión con la unidad de adquisición por medio de una interfaz HP-IB y un conjunto de programas de ordenador (software) para las funciones de control del sistema de adquisición, interfaz de operador y programación y mantenimiento del módulo de adquisición. El programa de la unidad central está desarrollado en lenguaje HP-VEE.

Sensores y equipos de medida El sistema automático de adquisición de datos consta de los siguientes sensores:

- Dos pirheliómetros Eppley NIP para la medida de irradiancia directa normal, montados sobre un seguidor solar Kipp Zonen 2AP en dos ejes controlado por microprocesador;

- Dos piranómetros Kipp Zonen CM21 para la medida de

irradiancia global horizontal;

- Un piranómetro Eppley 8-48 B/N para la medida de la irradiancia global sobre superficie inclinada (37º Sur);

- Un piranómetro Middleton SK01-D para la medida de la

irradiancia difusa sobre superficie horizontal, con banda de sombra de 7.40 cm de anchura y 30.4 cm de radio;

- Un conjunto anemómetro-veleta Young modelo Wind

Monitor-MA 05106 para la medida de velocidad y dirección de viento;

- Una sonda barométrica Young modelo 61201 con puerto

de presión Young modelo 61002 para la medida de presión atmosférica;

- Una sonda Young modelo 41372VC/VF, compuesta por RTD

de Platino de 1000 W y sensor capacitivo de humedad instalados en un protector de radiación solar, para la medida de temperatura ambiente y humedad relativa.

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Además de estos sensores conectados al sistema automático de adquisición de datos, la estación cuenta con otros equipos de medida, que se relacionan a continuación:

- Un heliógrafo de Campbell-Stokes, marca Lambrecht, en operación desde 1990;

- Un pirheliómetro de cavidad Eppley HF. Este equipo se usa

para realizar comprobaciones periódicas de los pirheliómetros Eppley NIP y calibraciones de campo por comparación de todos los sensores, como veremos en siguiente capítulo;

- Un espectro-radiómetro portátil LICOR LI-1800, con rango

de medida 300-1100 nm; - Un espectro-radiómetro MONOLIGHT Optical Spectrum

Analyser mod. 6601 con un rango de medida espectral 300-2500 nm;

- Un sistema de termografía infrarroja (3-12 mm)

Inframetrics modelo 760.

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Figura 24. Croquis de la Estación

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ID Sensor Marca / Modelo Nº Serie

Ubicación / Uso

Canal Cuadro Conexiones / Cable directo

Canal Unidad Adquisición

PIRAN.1 Piranómetro Kipp-Zonen CM 21 990575

Estación / Global Horizontal Canal 16 Canal 116

PIRAN.2 Piranómetro Eppley 8-48 31319Estación

PIRAN.3 Piranómetro Eppley 8-48 31320

Estación / Global Inclinada (IAER) Canal 13 Canal 113

PIRAN.4 Piranómetro Eppley 8-48 18610Estación / Global Inclinada Canal 17 Canal 117

PIRAN.5 Piranómetro Eppley 8-48 21847Almacén PIRAN.6 Piranómetro Eppley 8-48 18630Almacén PIRAN.7 Piranómetro Eppley 8-48 20159Almacén

PIRAN.8 Piranómetro Middleton SK01-D2 EP07/155

Estación / Difusa Horizontal Canal 18 Canal 118

PIRAN.9 Piranómetro Kipp-Zonen CM 5 742279Almacén

PIRAN.10 Piranómetro Kipp-Zonen CM 5 ??? Almacén

PIRAN.11 Piranómetro Kipp-Zonen CM 5 742260Almacén

PIRAN.12 Piranómetro Licor LI-200SA PY27475 Laboratorio

PIRAN.13 Piranómetro Licor LI-200SA PY27460 Laboratorio

PIRAN.14 Piranómetro Licor LI-200SA PY16607

Estación / Sin conectar

PIRAN.15 Piranómetro Kipp-Zonen CM 6b 26121

Estación / Global Vertical Unidad Biónica

PIRH.1 Pirheliómetro Eppley NIP 1725726Estación / Directa Normal Canal 19 Canal 119

PIRH.2? Pirheliómetro Eppley NIP ???

Estación / Directa Normal (Envirodish) Cable Azul

PIRH.3 Pirheliómetro Eppley H-F 17143Laboratorio / Comparaciones

Termómetro Young 41372VC/VF Estación Canal 8 Canal 108

Higrómetro Young 41372VC/VF Estación Canal 9 Canal 109

Barómetro Young 61201 Estación Canal 30 Canal 110

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ID Sensor Marca / Modelo Nº Serie

Ubicación / Uso

Canal Cuadro Conexiones / Cable directo

Canal Unidad Adquisición

Anemómetro

Young Wind Monitor-MA 05106 Estación

Gris (-) y Verde (+) Canal 107

Veleta

Young Wind Monitor-MA 05106 Estación

Blanco (-) y Amarillo (+) Canal 106

Tabla 8. Inventario de Sensores

Cualquier cambio en el inventario de los sensores o equipos auxiliares debe registrarse y documentarse, ya sea la adquisición de un nuevo equipo, cambio de uso, deterioro, calibración o cualquier otro. Para ello se ha diseñado una aplicación en Excel, denominada Ficha de Equipos, cuya función es facilitar esta tarea, sirviendo de inventario ampliado, en el que reflejar toda la información pertinente. En particular dispone de los siguientes campos entre otros:

- Marca y modelo. - ID interno. - Tipo de sensor. - Número de serie. - Uso actual. - Normas de referencia. - Hipervínculo a su manual (si está disponible en formato digital). - Factor de calibración y planning de calibraciones. - Características técnicas. - Foto y esquemas. - Localización.

En la imagen siguiente podemos observar un ejemplo de la aplicación, en concreto la ficha del PIRAN.1 que se corresponde al Piranómetro CM-21 con número de serie 9900575, operativo en la Estación y que actualmente mide Radiación Global Horizontal.


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Figura. Ficha de Equipos: PIRAN.1


4.1. Pirheliómetros Eppley NIP Tipo: Pirheliómetro Nº Serie: 1725726 Última Calibración: ID: PIRH.1 Manual: Próx Calibración: Marca: Eppley Hoja de Inst: instrucciones en papel Sensibilidad: 8 μV/W·m-2Modelo: NIP Normas: Uso: Mide Directa Localización:Estación Incorpora una termopila en la base de un tubo cuya relación entre diámetro de apertura y longitud es aproximadamente 1:10, siendo el ángulo subtendido de 5°43'30". El interior del tubo se encuentra ennegrecido y cuenta con un diafragma para dirigir el paso de la luz. Este tubo se encuentra lleno de aire seco a presión atmosférica, está sellado al final y se puede inspeccionar por un orificio que tiene un milímetro de diámetro. En la parte exterior tiene dos mirillas dispuestas perpendicularmente, una con respecto a la otra, que deben ser utilizadas con cuidado, pues si se desprende la mirilla de la parte inferior o se amplía el radio del orificio de la mirilla superior, pierde la orientación del instrumento. La bandeja donde se disponen los filtros se puede rotar manualmente.

Figura 25. Pirheliómetro NIP

Este instrumento posee las siguientes especificaciones técnicas, que deben ser tenidas en cuenta para la medición de radiación solar directa; estas características corresponden a las proporcionadas por el fabricante: Características Técnicas

Impedancia 200 W Ángulo de apertura 5°43'30"

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Tiempo de Respuesta (95%) 1 s Estabilidad (% fondo escala, anual) < ± 2% Respuesta Térmica < 1 % No Linealidad < ± 5% Sensibilidad Espectral < -6% a +2% Se encuentra montado sobre el seguidor solar Sci-Tec 2AP y mide la radiación directa. Está considerado patrón secundario. Tipo: Pirheliómetro Nº Serie: Ilegible (18170E6?) Última Calibración: ID: PIRH.X Manual: Próx Calibración: Marca: Eppley Hoja de Inst: instrucciones en papel Sensibilidad: 8 μV/W·m-2 Modelo: NIP Normas:

Uso: Mide Directa para Envirodish Localización:Estación

Se encuentra montado sobre el seguidor solar Sci-Tec 2AP y mide la radiación directa. Con él se analiza el funcionamiento del Disco DISPA-Stirling dentro del programa Envirodish. Sus características técnicas son las mismas que para el pirheliómetro anterior, por lo que no las repetiremos.

4.2. Pirheliómetro Eppley H-F

Tipo: Pirheliómetro Cavidad Nº Serie: 17143 Última Calibración: ID: PIRH.H-F Manual: papel Próx Calibración: Marca: Eppley Hoja de Inst: papel Sensibilidad: 1 μV/W·m-2 Modelo: H-F Normas: Uso: Patrón Localización:Laboratorio

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Figura 26. Pirheliómetro Eppley H-F y Unidad de Control 405

El pirheliómetro autocalibrador absoluto de cavidad, Eppley H-F, ha sido considerado un estándar de referencia desde 1978. Fue diseñado para realizar mediciones desde satélites y cohetes, y posteriormente se adaptó para medidas en superficie. El sensor consiste en un receptor de cavidad, y unos sensores calorimétricos diferenciales autocalibrados eléctricamente junto a una termopila. La cavidad, de color negro, equipada con resistencias que permiten una conversión de irradiación en eléctrica, en las unidades SI. La radiación solar que atraviesa la apertura frontal de precisión de 50mm2, se absorbe en el receptor cónico y se determina su valor mediante la sustitución de la radiación por el calor generado por una corriente eléctrica, disipada en un lugar próximo al que absorbe la radiación. La parte posterior del receptor es un cuerpo negro a temperatura ambiente. Además, tiene un obturador automático en la parte exterior del tubo.

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Figura 27. Vista de la termopila del Pirheliómetro de cavidad Eppley H-F

La operación del radiómetro de cavidad, y la medición de los parámetros necesarios se realiza mediante una unidad de control adecuada, en este caso la Unidad de Control de Radiómetros Modelo 405 de Eppley. Las funciones de control incluyen el establecimiento de la potencia de sensor calorimétrico, la activación de las resistencias de calibración, selección de las señales a medir y controlar, así como el rango de las mismas. Los parámetros medidos incluyen la señal de la termopila, las resistencias, que se miden como la caída de tensión a través de una resistencia de precisión de 10 ohmios. La temperatura del instrumento también puede ser medida a través de un termistor. La resolución de 100 nV permite una señal de la termopila equivalente en radiación de aproximadamente 0,1 Wm-2. La unidad puede controlar un radiómetro en el modo de medición o dos radiómetros en el modo de comparación. Permite el funcionamiento automático del obturador, de calefacción y de calibración. Operaciones de cálculo y almacenamiento de datos también son posibles conectándola a un ordenador. Aunque estos dispositivos son absolutos, los radiómetros se comparan con la referencia de EPLAB que han participado en las Comparaciones Internacionales de Pirheliómetros (IPC) y otros intercomparaciones y son trazables directamente a la referencia de la radiación Mundial (WRR). Características Técnicas Sensor 60 elementos

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Tipo de cavidad Cono invertido con cilindro

e=0.999 Calentador En cono

Resistencia de termopila 360,3 W

Resistencia de calentador frontal 154,4 W

Resistencia de calentador posterior 156,0 W Apertura Frontal 0,50002 cm2 Apertura Posterior 0,50061 cm2 Águlo de visión central 5º máximo 8,5º

4.3. Piranómetro Kipp-Zonen CM 21 Tipo: Piranómetro Nº Serie: 9900575 Última Calibración: 26/03/1999ID: PIRAN.1 Manual: digital y papel Próx Calibración: Marca: Kipp-Zonen Hoja de Inst: digital y papel Sensibilidad: 11,64Modelo: CM-21 Normas: Uso: Mide Global Horizontal Localización:Estación El piranómetro CM 21 es un sensor de alta precisión con una optimización propia, una caracterización y un sensor de temperatura integrado. Supera los requerimientos para ser considerado un estándar secundario, según la ISO 9060.

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Figura 28. Piranómetro Kipp-Zonnen CM 21

Características Técnicas

Ángulo de apertura 2p sr Rango 335-2200 nm Irradiancia max. 4000 W/m2 Tiempo de Respuesta (95%) 5 s Error de Cero variación 200 W/m2 en rad térmica neta< 7 W/m2 variación 5 K/h en temp amb< 2 W/m2 Resolución (W/m2) Estabilidad (% fondo escala, anual) < ± 0,5% Respuesta Direccional < ± 10 W/m2 Respuesta Térmica < ± 1 % No Linealidad < ± 0,2% Sensibilidad Espectral < ± 2% Respuesta a la Inclinación < ± 0,2% Incertidumbre (95% confianza) Totales horarios< ± 2% Totales diarios< ± 2% Cuando un piranómetro está en uso, el funcionamiento del mismo se correlaciona con una serie de parámetros, como la temperatura, el nivel de irradiancia, ángulo de incidencia… Normalmente, el valor de la sensibilidad suministrado por el fabricante se utiliza para calcular la irradiancia. Si las condiciones

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difieren significativamente de las condiciones de calibración, la incertidumbre puede llegar a ser importante. Para un patrón secundario (la máxima calidad) de la WMO establece un máximo error en la radiación total horaria del 3%. En el total diario un error del 2%, debido a que algunas variaciones se anulan mutuamente si la integración es a largo plazo. Kipp & Zonen espera una incertidumbre del 2% de los totales horarios y un 1% de los totales diarios. En el CM 21 el efecto de cada parámetro de la sensibilidad puede mostrarse por separado. El error de no linealidad, la sensibilidad con la variación de la irradiancia, es el mismo para cualquier equipo y se muestra en la Figura 5, para un rango de 0 a 1000 W/m 2 y referido a la calibración a 500 W/m2.

Figura 29. No linealidad del CM21

La dependencia de la temperatura es una función de cada piranómetro. Para un determinado CM21 de la respuesta se encuentra en la región entre las líneas curvas en la Figura 6. La dependencia de cada piranómetro se caracteriza y se suministra con el instrumento. El Kipp-Zonen CM21 incorpora un sensor de temperatura para permitir correcciones en caso necesario.

Figura 30. Dependencia de la temperatura del CM21

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La respuesta direccional es la suma de los errores de acimut y de cenit y se da en %. La figura 7 muestra el error cenit máximo relativo para cualquier valor de acimut. La respuesta direccional del piranómetro se caracteriza y se suministra con el instrumento.

Figura 31. Error direccional del CM 21

4.4. Piranómetro Middleton SK01-D2

Tipo: Piranómetro Nº Serie: EP07/155 Última Calibración: ID: PIRAN.8 Manual: digital Próx Calibración: Marca: Middleton Hoja de Inst: digital Sensibilidad: 1mV/W·m-2 Modelo: SK01-D2 Normas: ISO 9060 Uso: Mide Difusa Localización: Estación

Figura 32. Piranómetro Middleton SK01-D2

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El piranómetro SK01-D2 de Middleton es un sensor diseñado para medir la radiación global. Utiliza un fotodiodo de silicio y un difusor para corregir el factor coseno. La cúpula de cristal y el sellado del equipo garantizan la estanquidad. La señal de salida del sensor es aumentada con un amplificador de bajo nivel de ruido. Características Técnicas

Ángulo de apertura 2p sr Rango 300-1150 nm Irradiancia max. 2000 W/m2 Tiempo de Respuesta (95%) 30 ms Error de Cero Variación 200 W/m2 en rad térmica neta variación 5 K/h en temp amb < 0,5 mV Resolución (W/m2) Estabilidad (% fondo escala, anual) < ± 2% Respuesta Direccional < ± 20 W/m2 Respuesta Térmica < ± 0,15 %/ºC No Linealidad < 1 % Sensibilidad Espectral < -6% a +2% Respuesta a la Inclinación NA

Características del Amplificador de señal Tipo Estabilizador chopper Tensión 5,5-14,5 V Corriente 3 mA

Salida > 3 kW Sobretensión > 15 V Protección > 0,2 A Tiempo de estabilización 50 ms

Expuesto a la luz solar la selectividad espectral puede causar pequeñas desviaciones: la irradiancia global puede sobreestimarse un 2% bajo condiciones de cielo cubierto pero con gran claridad (radiación difusa elevada). Además se subestimará hasta en un 6% en días con índice de claridad bajo. No es apropiado para la medida de la radiación difusa por las características del sensor (fotodiodo), ya que no tiene una respuesta espectral fija.

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4.5. Piranómetro Eppley 8-48

Tipo: Piranómetro Nº Serie: 18160Última Calibración: ID: PIRAN.4 Manual: Próx Calibración: Marca: Eppley Hoja de Inst: en papel Sensibilidad: 10.21 μV/W·m-2Modelo:8-48 Normas: ISO 9060, ISO 9901 Uso: Mide Global Inclinada Localización:Estación Tipo: Piranómetro Nº Serie: 31320Última Calibración: 26/09/1996ID: PIRAN.3 Manual: Próx Calibración: Marca: Eppley Hoja de Inst: en papel Sensibilidad: 9.38 μV/W·m-2Modelo:8-48 Normas: ISO 9060, ISO 9901 Uso: Mide Global Inclinada Localización:Estación

Tipo: Piranómetro Nº Serie: 31319Última Calibración: 26/09/1996

ID: PIRAN.3 Manual: Próx Calibración: Marca: Eppley Hoja de Inst: en papel Sensibilidad: 8.72 μV/W·m-2Modelo:8-48 Normas: ISO 9060, ISO 9901 Uso: Sin conectar Localización: Estación

Figura 33. Piranómetro Eppley 8-48

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El piranómetro Eppley Blanco y Negro, modelo 8-48, es usado para medir radiación de onda corta global, reflejada y difusa. En la estación se dispone de dos equipos de este tipo y ambos miden global en superficie inclinada. El sensor es una termopila diferencial con la superficie “caliente” del receptor pintada de negro y la superficie “fría” pintada de blanco. Se construye con un disco con tres segmentos negros, cubiertos de 3M negro y tres segmentos blancos, cubiertos de sulfato de bario. No cumple todos los criterios de la WMO para ser considerado de alta calidad (patrón secundario), especialmente por su respuesta angular y su respuesta espectral. Sin embargo estos requerimientos no son relevantes a la hora de medir la radiación difusa, y presenta la gran ventaja de los sensores B/N: tener una baja sensibilidad a las variaciones de temperatura tanto de la cúpula como del exterior. Es difícil determinar la respuesta espectral de un piranómetro B/N, pues esta depende de las características de los segmentos blancos y negros, además de la cúpula de cristal, y esta información completa no es suministrada por el fabricante.

Características Técnicas

Ángulo de apertura 2p sr

Impedancia 350 W Rango 285-2800 nm Irradiancia max. Tiempo de Respuesta (95%) 5 s Error de Cero variación 200 W/m2 en rad térmica netaNA variación 5 K/h en temp ambNA Resolución (W/m2) Estabilidad (% fondo escala, anual) Respuesta Direccional < ± 10 W/m2 Respuesta Térmica < ± 1,5 % No Linealidad < ± 1% Sensibilidad Espectral Respuesta a la Inclinación Incertidumbre (95% confianza) Totales horarios< ± 2% Totales diarios< ± 2% Factor coseno 0-70º zenit < ± 2% 70-80º zenit < ± 5%

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La principal ventaja de este piranómetro es que por su construcción, tiene compensado el error de cero (thermal offset). Esto es porque ambos segmentos, negros y balnacos, ven la misma radiación térmica. Experimentalmente se ha cuantificado en 2 W/m2, frente a los 15 W/m2 de un piranómetro PSP (fuente: NREL).

4.6. Heliógrafo de Campbell-Stokes Lambrecht La WMO, que ha realizado varias comparaciones de diversos instrumentos basados en estos métodos durante la década de 1980, sigue recomendando como instrumento de referencia el heliógrafo de Campbell-Stokes en su versión IRSR (Interim Reference Sunshine Recorder), si bien recomienda el pirheliómetro como sensor de referencia para detectar el valor de la irradiancia umbral (120 W·m-2).

Figura 34. Heliógrafo de Campbell-Stokes

El heliógrafo de Campbell-Stokes consiste básicamente en una esfera de vidrio montada sobre un soporte metálico con forma de casquete esférico, provisto de 3 pares de ranuras que sirven apara alojar las bandas de cartulina que registran la heliofanía. El conjunto se monta sobre un bastidor apoyado en una placa, ambos también metálicos. La superficie interior del casquete y la banda de cartulina

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alojada en uno de los pares de ranuras (según la estación del año) son concéntricas a la esfera de vidrio y están situados a la distancia focal de la esfera, de forma que la trayectoria del foco se registra en la cartulina de acuerdo con el curso aparente del sol. El instrumento está provisto también de escalas para su correcta orientación. Las bandas de cartulinas son de color azul oscuro y están provistas de una escala temporal. Existen tres formas de bandas: rectas, curvadas cortas y curvadas largas. En latitudes medias del hemisferio norte como la de Sevilla, las bandas rectas se emplean desde principios de marzo hasta mediados de abril y desde principios de septiembre hasta mediados de octubre; las curvadas cortas desde mediados de octubre hasta fines de febrero, y las curvadas largas desde mediados de abril hasta finales de agosto.

Esfera de vidrio Forma: uniformemente esférica Color: Muy pálido o incoloro Diámetro: 10cm

Índice de refracción: 1.52±0.02 Longitud focal: 75mm para luz de sodio “D”

Casquete esférico Material: aleación de bronce de cañón o material de durabilidad equivalente Radio: 73mm

Otras especificaciones: a) línea central correspondiente al

mediodía solar grabada transversalmente a través de la superficie interior

b) Ajuste para inclinación del casquete según la latitud

c) Doble base provista de ajustes para nivel y acimut

Bandas registradoras Material: Cartulina de buena calidad que no se vea afectada apreciablemente por la humedad Espesor: 0.4 ±0.005 mm Influencia de la humedad: menor o igual al 2%

Color: Oscuro, homogéneo, sin diferencias apreciables bajo luz diurna difusa Marcas: Líneas horarias impresas en negro

Tabla 8. Especificaciones del heliógrafo de Campbell-Stokes grado IRSR (WMO, 1996)

El heliógrafo de Campbell-Stokes es, en cierto modo, autosuficiente, en el sentido de que como medio de registro se emplea la radiación solar directa y como escala temporal, la suministrada por el propio instrumento. Para su correcto funcionamiento sólo debe cuidarse de sustituir cada día la banda usada por otra nueva en el período comprendido entre la puesta y la salida del sol y de mantener limpia la esfera de vidrio.

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1 Contratuerca. 2 Banda da presión

superior. 3 Esfera da cristal. 4 Brida de presión inferior 5 Contratuerca 6 Tornillo inferior del

soporte 7 Contratuerca 8 Tuerca da regulación de

la escala da latitudes 9 Corredera de regulación

de la base 10 Contratuerca 11 Tornillo de puesta a

nivel 12 Pata de fijación 13 Zócalo fijo 14 Soporte de la banda 15 Soporte da la esfera 16 Tornillo superior del

soporte

Figura 35. Componentes del Heliógrafo de Campbell-Stockes

Figura 36. Los tres tipos de banda registradora

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4.7. Registro de los datos

La base de datos de Estación de Medidas Radiométricas no ha mantenido el mismo formato a los largo de su historia. En la actualidad se registran datos instantáneos cada 5 segundos en unos archivos de texto (uno cada día) que se nombran comenzando por ARAD- seguido por el día del año y la extensión .txt, es decir: ARAD-22.txt Contiene los valores obtenidos el 22 de enero El contenido de fichero es el siguiente, en columnas:

hora GTM (hh:mm:ss) irradiancia difusa horizontal (W/m2) irradiación difusa horizontal (kJ/m2) irradiancia global horizontal (W/m2) irradiación global horizontal (kJ/m2) irradiancia global inclinada a 37º (W/m2) irradiación global inclinada a 37º (kJ/m2) irradiancia directa normal (W/m2) irradiación directa normal (kJ/m2) hora solar aparente (hh:mm:ss)

Figura 37. Ejemplo de archivo ARAD obtenido el 22 de enero de 2008

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Además existe otro tipo de archivo que registra datos metereológicos instantáneos cada 5 segundos. También es un archivo de texto diario y su nomenclatura es AMET- seguido del día del año y la extensión .txt: AMET-22.txt Contiene los valores obtenidos el 22 de enero El contenido de fichero es el siguiente, en columnas:

Hora GTM (hh:mm:ss) Temperatura ambiente (ºC) Velocidad del viento (m/s) Dirección del viento (º) Presión atmosférica (mbar) Humedad relativa (%) Hora solar aparente (hh:mm:ss)

Figura 38. Ejemplo de archivo AMET obtenido el 22 de enero de 2008

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4.8. Tratamiento de la base de datos

El control de calidad de los datos de la estación de la ETSI ha formado parte de los objetivos de varios de los proyectos desarrollados en la Escuela Superior de Ingenieros, supervisados por el Grupo de Termodinámica. Estos proyectos han centrado su análisis en períodos anteriores al que en este caso se quiere estudiar, pero cabe esperar que aquellos criterios aplicados anteriormente que obtuvieron resultados satisfactorios sean útiles en esta ocasión. Por ese motivo y analizando toda la información de la que disponemos, en este proyecto principalmente seguiremos las directrices indicadas por la “Baseline Surface Radiation Network”, una organización con gran prestigio internacional y una larga trayectoria en la toma de medidas de radiación y su control de calidad. Además, completaremos el proceso añadiendo otros criterios de evaluación que se han ido adoptando a lo largo de estos años como consecuencia de la experiencia en el control de calidad de datos de nuestra estación en particular.

4.8.1. Descripción de los filtros Cada medida de irradiancia tomada será validada según unos criterios, que llamaremos filtros. No se intentará corregir los valores de la base de datos, sino descartar aquellos que no sean fiables para nuestro estudio. No todos los filtros que aplicaremos serán del todo excluyentes, algunos únicamente nos proporcionarán información sobre la calidad de los datos. A continuación explicaremos en qué consisten los filtros que serán aplicados a la base de datos:

1. Filas completas: El sistema de adquisición de datos por diversos motivos puede dejar de registrar valores durante algún tiempo y reiniciarse automáticamente en cualquier instante del día. Al reiniciarse pone a cero el valor de la radiación acumulada y continúa funcionando normalmente. En estos casos la irradiación al final del día será menor que la real porque le faltará un tramo. Además, puede dejar en el instante en que se reinició, una fila de datos sin completar. Esto supone un problema a la hora de manejar la matriz con cualquier programa porque puede que éste sólo lea los valores hasta ese instante o incluso no poder leerla considerándolo como un error en la aplicación. En la siguiente figura vemos un ejemplo de este fallo detectado en uno de los archivos:

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Figura 39. Archivo de radiación registrado el día 218 del 2001. Todos los archivos que presenten este fallo en alguna de sus filas serán revisados visualmente uno a uno para localizar el instante o instantes en los que se producen. Una vez detectado este tipo de fallo en todos los archivos, hemos tomado la decisión de eliminar aquellas filas que se encuentren incompletas para poder continuar utilizando la información que contienen, ya que el descartar una medida instantánea en un archivo que recoge medidas cada 5 segundos durante todo el día no resulta significativo y facilita el manejo de los datos mediante programas informáticos.

2. Días completos

El sistema de adquisición de datos está programado para que empiece a tomar medidas cierto tiempo antes de la salida del sol y que continúe otro tiempo después de la puesta del mismo. Esta tolerancia que se le introduce al principio y fin de la toma de datos está justificada por dos motivos. El primero es que podemos registrar medidas de irradiancia difusa y global antes del orto y después del ocaso, debido a fenómenos de refracción que se producen en el horizonte. El segundo es que el reloj interno del sistema de control puede desajustarse y calcular mal los instantes límites. Por estos motivos, es interesante clasificar los días en completos e incompletos, sobretodo si los valores de radiación que nos interesan son los diarios. En la siguiente figura vemos un archivo que presenta este tipo de error:

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Figura 40. Archivo de radiación registrado el día 73 del 2000.

3. Saltos. Como ya se ha indicado en el punto anterior, en determinadas ocasiones el sistema de adquisición de datos se reinicia y comienza de nuevo a funcionar correctamente un tiempo después. El tiempo que tarda en volver al correcto funcionamiento introduce un error a la hora de calcular valores de irradiación, cuya importancia depende de la magnitud temporal del salto y del intervalo de integración de los valores para el cálculo de la irradiación. Es decir, no influirá igual un salto de 50 minutos en el cálculo de la irradiación diaria que en la horaria. Tomaremos en un principio la decisión de descartar aquellos días que presenten saltos superiores a 30 minutos para el cálculo de valores diarios y superiores a 10 minutos para valores horarios. En la siguiente figura podemos ver el registro de datos de un día en el que se produce este tipo de fallo:

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Figura 41. Ejemplo de salto >30minutos en el día 255 del 2002

4. Físicamente posibles Este procedimiento intenta detectar grandes errores en los valores producidos durante la medición. Es el primer filtro que se debe aplicar para controlar las variables de radiación. Los valores de irradiancia, que estén dentro de los intervalos definidos en la tabla 9, son considerados “físicamente posibles”. Este procedimiento es tan básico y fundamental que puede ser aplicado a cada valor de irradiancia independientemente de la magnitud del resto de las variables radiométricas e incluso meteorológicas.

Límite inferior Irradiancia Límite superior 0 Ig0 ICS

0 Id0 I0+10 0 ID ICS

Tabla 9. Tabla de intervalos “físicamente posibles”.

En la tabla superior, ICS es la constante solar e I0 es la irradiancia solar antes de entrar en contacto con la atmósfera o también llamada irradiancia extraterrestre. En este filtro existen dos tipos de límites, constantes y variables. Para la global horizontal y para la directa normal los límites considerados son constantes y representan el máximo y el mínimo valor que son concebibles en las actuales condiciones climáticas de la tierra. Para la difusa horizontal, el límite superior es la radiación

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extraterretre sobre superficie horizontal, su valor depende del factor de corrección de la distancia Tierra-Sol variable según el día del año y de la altura solar que es función del instante temporal en el que nos encontremos y de la latitud del lugar.

5. Extremadamente raros En esta prueba los límites del intervalo son más restrictivos que los del filtro anterior. Los valores de irradiancia que traspasen estos límites pueden ocurrir realmente bajo cortos períodos de tiempo o bajo situaciones extremadamente raras. Los límites de los intervalos para la prueba “extremadamente raros” se muestran a continuación:

Irradiancia Límite Superior

Ig0I0 si θz<80º I0 + 0.56 (θz-93.9)2 si θz ≥80º

Id0 700 W/m2

ID ICS E0 0.9m

Tabla 10. Tabla de intervalos “extremadamente raros”.

En la tabla superior ICS es la constante solar, I0 es la irradiancia solar extraterrestre, θz es el ángulo cenital, E0 es la corrección de la distancia Tierra-Sol y m es la masa de aire relativa de Kasten (1989):

z

mθcos

1=

Los límites establecidos en la tabla 10 están basados en las siguientes asunciones: Es posible registrar valores de irradiancia global superiores a la extraterrestre en los trópicos cuando nubes aisladas pasan cerca del sol. Pero este fenómeno no suele ocurrir durante más de tres o cuatro minutos. De modo que si la irradiancia global horizontal es mayor que el límite superior durante más tiempo, los valores tendrían que ser revisados. La irradiancia difusa puede alcanzar valores altos cuando el cielo está cubierto con nubes de alta transmitancia y el albedo del suelo es alto. Aunque nunca se ha observado un valor de 700 W/m2 hasta la fecha. Si un valor excede este límite puede ser que un nuevo record haya sido registrado o que la cúpula de cristal del piranómetro esté cubierta por una pequeña capa de hielo.

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La irradiancia directa normal rara vez registra un coeficiente de transmisión mayor de 0.9, ya que sólo la disminución de radiación solar debida a dispersiones de Rayleigh es del 9% al nivel del mar. En altitudes grandes y con una atmósfera seca, es posible observar un coeficiente de transmisión mayor que el valor propuesto. Cuando el valor exceda el límite superior, es recomendable examinar la altitud y el vapor de agua precipitable, asegurándose de que la estación se encuentre en una altitud superior a los 3000 m y que sobre ella hay menos de 1 cm equivalente de agua precipitable.

6. Variables cruzadas Este filtro intenta recoger errores mucho menores, que pueden escapar de los filtros anteriores. El principio de esta prueba está basado en una relación matemática entre los valores de tres de las variables de radiación medidas. A continuación, en la tabla 11 presentamos las restricciones que aplicaremos en este caso:

Límite inferior Irradiancia Límite Superior (Ig0-Id0)-50 Wm-2 IDcos θz (Ig0-Id0)+50 Wm-2

IDcos θz-50 Wm-2 Ig0-Id0 IDcos θz+50 Wm-2

Tabla 11. Tabla de intervalos “variables cruzadas”.

Con este filtro se trata de comprobar la afinidad entre la misma variable medida de dos formas diferentes. Como ya hemos visto, la irradiancia global sobre superficie horizontal es la suma de la difusa horizontal y la directa horizontal:

Ig0 = Id0+ID0= IDcos θz O lo que es lo mismo:

IDcos θz= Ig0 -Id0 La irradiancia global y difusa son medidas por piranómetros, mientras que la irradiancia directa normal es medida por el pirheliómetro con seguimiento en dos ejes. Aún medidas con distintos aparatos deberían cumplir la igualdad. Aunque 50 W/m2 parece ser un error improbable para la medida de irradiancia directa, los puntos exceden con mucha frecuencia este rango. Este error, bastante habitual, es causado principalmente por un mal funcionamiento del seguidor del pirheliómetro o un mal ajuste de la banda de sombra del piranómetro que mide la irradiancia difusa.

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Con los filtros descritos en este apartado podríamos hacer dos grandes grupos, uno en el que incluiríamos aquellos que detectan errores que se producen como consecuencia de un mal funcionamiento del sistema de adquisición de datos y otro que podrían aplicarse para el control de calidad de cualquier base de datos de radiación. Dentro del primer grupo incluiríamos los filtros 1,2 y 3, que corrigen aquellos errores repetitivos que se han detectado durante el desarrollo de este y otros proyectos. En el segundo, los tres restantes son aquellos que utiliza la BSRN en el control de calidad de su base de datos. En todo momento, la aplicación de los filtros se complementará con la inspección visual de la representación gráfica de las variables en la medida de lo posible para corroborar los resultados y despejar dudas que puedan surgir.

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4. la estaciÓn de medidas radiomÉtricas y...

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