manual de calidad/mantenimiento de la estación...

Procedimiento de Mantenimiento y Daniel Pérez Carrasco Calibración de Estación Radiométrica

5. MANUAL DE MANTENIMIENTO DE LA ESTACIÓN RADIOMÉTRICA

5.1. Mantenimiento La principal y más importante operación de mantenimiento que ha de realizarse en la estación es mantener al día el sistema de calidad. Cualquier cambio en los procedimientos, instrumentación o cualidades de los sensores deben ser documentados, reflejándose, al menos, cambios en uso de equipos, daños y calibraciones. Para ello se ha diseñado la Hoja de Mantenimiento, una sencilla hoja de Excel, en la que poder reflejar toda esta información pertinente de forma sencilla de mantener actualizada y consultar.

Figura 42. Hoja de Mantenimiento

Las siguientes recomendaciones de mantenimiento se basan en el documento Operations Manual version 2.1 de la BSRN, en los manuales de los equipos y en las normas UNE relativas a estaciones metereológicas, en particular la UNE 500530.

5.1.1. Operaciones de Mantenimiento Diario Cada equipo tiene sus propias necesidades, en función de sus características y el uso que se le da en la estación. En términos generales podemos destacar:

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Radiómetros de Cavidad En caso de tener tapa de vidrio protectora se debe limpiar ésta. Si no la tiene, ha de inspeccionarse y limpiar la abertura. Piranómetros y Pirheliómetros Limpiar con un cepillo suave o papel (de objetivo de cámara de fotos o similar) el polvo y las partículas acumuladas en la cúpula exterior o apertura, antes de la salida del sol o tras su puesta, si es posible. También ha de hacerse tras la lluvia, fuertes vientos u otros eventos climatológicos adversos. Si la suciedad es excesiva puede usarse agua destilada o alcohol etílico puro, en cuyo caso hay que volverlo a limpiar posteriormente con agua. Si no se puede evitar limpiar el sensor durante las horas de sol, ha de registrarse y documentarse el tiempo dedicado a ello. Si la cúpula se encuentra dañada ha de remplazarse por otra del mismo material óptico. Esto ha de documentarse y, si es posible, se ha de comprobar la responsividad espectral del nuevo elemento. En caso en encontrar condensación en el interior de la cúpula exterior ha de retirarse en un lugar limpio y seco, eliminar el agua y averiguar la causa: desgaste del silica gel o del sellado. Si apareciera humedad en la cúpula interior debería reemplazarse el sensor. Heliógrafo de Campbell-Stokes Limpiar con un cepillo suave o papel (de objetivo de cámara de fotos o similar) el polvo y las partículas acumuladas en la esfera, antes de la salida del sol o tras su puesta, si es posible. También ha de hacerse tras la lluvia, fuertes vientos u otros eventos climatológicos adversos. Si la suciedad es excesiva puede usarse agua destilada o alcohol etílico puro, en cuyo caso hay que volverlo a limpiar posteriormente con agua. Si no se puede evitar limpiar el sensor durante las horas de sol, ha de registrarse y documentarse el tiempo dedicado a ello. Cambiar la banda registradora, almacenando adecuadamente la del día anterior para su posterior análisis. Para ello ha de tenerse en cuenta los tres tipos existentes y sus intervalos de uso:

• Bandas rectas: de principios de marzo a mediados de abril y de principios de septiembre a mediados de octubre.

• Curvadas cortas: de mediados de octubre a finales de febrero.

• Curvadas largas: de mediados de abril a finales de agosto.

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Además debe comprobarse que:

• El segmento esférico esté ajustado de manera que la línea central de la tarjeta equinoccial coincide con en el ecuador (la escala de latitud marcada en el apoyo facilita esta tarea, ajuste este-oeste).

• El plano vertical que atraviesa el centro de la esfera y la marca de mediodía en el segmento esférico debe coincidir con el plano del meridiano geográfico (ajuste norte-sur).

Si los ajustes no están correctos se obtendrán bandas como la siguiente, en la que el instrumento estaba desnivelado en dirección este-oeste.

:

Figura 43. Banda registradora obtenida con heliógrafo desnivelado

Seguidor Solar Comprobar si se ha apagado o desconectado en algún momento, pues puede provocar fallos en su funcionamiento. Sombreador Si por un defecto en su colocación llegase irradiancia directa al sensor que debe medir la difusa, ha de anotarse la hora y duración de dicho error. Unidad de adquisición de datos y ordenadores Comprobar el reloj. Datos adquiridos el día anterior Comprobar la consistencia de los datos pasando el programa con los filtros que aplique las etiquetas oportunas, o al menos, pasar el filtro número 5, inspección visual. Tras la representación gráfica de los datos (archivos ARAD y AMET) del día anterior mediante Matlab comprobar su consistencia y anotar resultado en hoja control diario.

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Figura 44. Diario Estación Radiométrica

5.1.2. Operaciones de Mantenimiento Semanal Piranómetros Comprobar que el silica gel (o secante similar) esté en buen estado, visualmente, que brille. En caso contrario cambiar por material activo. Consideraciones a tener en cuenta al cambiar el silica gel:

- Comprobar que las superficies del piranómetro y el cartucho en contacto con la junta de caucho estén limpias y secas, para evitar corrosión.

- Engrasar la junta de caucho. - Comprobar que el muelle que sujeta el anillo está

suficientemente fuerte.

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Figura 45. Procedimiento de cambio de silica gel en un piranómetro

El silica gel puede ser activado manteniéndolo en un horno a

130 – 140 ºC durante unas horas o hasta que recupere su color original. Resistencias internas En caso de detectar medidas erróneas en algún sensor y no poder atribuir dicho error a otra causa, comprobar la resistencia interna del instrumento. Datos adquiridos Aplicar los filtros recomendados por la BSRN a los datos adquiridos a lo largo de la semana. Para ello ejecutar los programas tal y como se detalla en el PFC Control de Calidad de las Medidas de Radiación Solar. Aplicación a La Estación de Medidas de la Escuela Superior de Ingenieros, redactado por LucíaFernández-Montes. Dicho programa aplicará los filtros de calidad, asignando el código correspondiente a cada medida.

5.1.3. Operaciones de Mantenimiento Semestral Comprobar estado de cableado y conectores, reemplazando en caso de ser necesario.

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Comprobar y lubricar partes móviles, en particular la banda de sombra y el seguidor solar. En concreto, el manual del seguidor Sci-Tec/Kipp Zonen 2AP recomienda engrasarlo en otoño, para así protegerlo en los meses de menor temperatura y mayor humedad. Para ello es necesario:

- Lubricante Aero Shell Grease #17 (K-Z nº 8550765) - Bomba de mano, con aplicador flexible (min. 15 cm.) El mecanismo encargado del movimiento en el eje azimut es accesible desde la parte superior, a través de dos orificios. El del eje zenit lo es desde la parte posterior. Ver figura.

Figura 46. Interior del seguidor Sci-Tec/Kipp Zonen 2AP, con detalle de los orificios de engrase

Tras aplicar 30-60 g de lubricante en cada orificio se debe proceder a eliminar el exceso que haya podido depositarse sobre otras piezas en el interior del seguidor. En caso de que una de las tuercas de seguridad de los ejes se haya desplazado (lo que implica que se haya roto el precinto) se ha mandar el equipo a Kipp-Zonen para su reparación.

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Figura 47. Detalle de las tuercas de seguridad del seguidor

5.1.4. Cambio de horario invierno/verano La Novena Directiva de obligado cumplimiento para todos los países de la Unión Europea, establece con carácter permanente las fechas de inicio y fin del periodo, en las cuales (adelantamos el reloj 1 h. el último domingo del mes de marzo a las 2h. AM) y (retrasamos el reloj 1 h. el último domingo del mes de octubre a las 3h. AM) ambas horas en (HL) de España; lo que en (TUV) se correspondería a la 1h. AM. en ambas fechas. No obstante, cada cinco años, la Comisión debe publicar, en el Diario Oficial de las Comunidades Europeas, un comunicado que incluirá el calendario de fechas de principio y fin del cambio de la hora oficial de verano-invierno para los cinco años siguientes.

Cambio de hora en España

Año

Comienza se adelanta el reloj

+1h Finaliza se atrasa

el reloj -1h TUV

2007 25/03 a las 2:00 28/10 a las 3:00 +2h 2008 30/03 a las 2:00 26/10 a las 3:00 +2h

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2009 29/03 a las 2:00 25/10 a las 3:00 +2h 2010 28/03 a las 2:00 31/10 a las 3:00 +2h

Tabla 9. Próximos cambios de hora El programa que vuelca los datos de radiación y metereológicos en el PC, creando los archivos RAD y MET, no tiene este cambio de hora en cuenta, y sin embrago, el sistema operativos del PC sí. De modo los datos se descentran al no tomar la hora correcta. El lunes siguiente al cambio hay que cambiar la hora manualmente y comprobar que los datos se registran correctamente.

Inicio horario de verano elegir franja horaria GMT -1

Fin horario de verano cambiar a franja horaria GMT

5.1.5. Operaciones de Mantenimiento Anual Comprobar estado de estructuras soporte: planicidad superficies, erosión… Quitar, engrasar y volver a colocar todos los tornillos que sujeten sensores, estructuras, seguidores, bandas de sombras… Reemplazar los que se encuentren dañados. Calibración de sensores Calibrar el pirheliómetro de cavidad H-F y con él, los pirheliómetros NIP y todos los piranómetros (ver apartado correspondiente). Una vez obtenidas las nuevas constantes de calibración, modificar su valor en el programa en HP VEE, para ello ejecutar: C:/VEE_user/SAD2006a150206.VEE

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Figura 48. Pantalla Constantes del SAD

Una vez ejecutado, entrar en el apartado Constantes, y seleccionar el equipo cuya constante de calibración haya que modificar picando en su variable asociada, es decir:

Rad Global Rad Difusa Rad Inclin Rad Direct Temperatura Velec Viento Direc Viento Presion Atm Humedad Rel

Para las variables de radiación, las constantes se expresan en (W/m2)/V. Además se debe registrar la calibración realizada en la Ficha de Calibraciones, reflejando el sensor calibrado, la fecha, si ha sido interna o externa, la sensibilidad o factor obtenida/o y las observaciones oportunas.

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Figura 49. Ficha de Calibraciones

Archivos de datos Antes de que acabe el año se debe crear una nueva carpeta en el servidor para almacenar los datos del siguiente año, por ejemplo: X:/Radiación/2008 A principios de año se deben borrar todos los archivos del año anterior de la carpeta C:/Medidas, ya que en ella ya empiezan a registrarse los datos del nuevo año, y estos al final del día son registrados en la dirección que indique el archivo de procesamiento por lotes C:/Medidas/copiar.bat Además, se debe editar este fichero y modificar la ruta de destino de los datos, por ejemplo, cambiar la fila: X:/Radiación/2007 por X:/Radiación/2008

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Unidad de adquisición de datos Tiene un módulo que cuenta los ciclos de cada relé, de modo que se puede planificar su mantenimiento (debe ejecutarse al menos una vez al año). En la página 147 de su manual se encuentra el apartado “RELAY CICLE COUNT”. Tiene dos formas de ejecutarse:

1) Desde el panel frontal: Primero pulsar VIEW hasta que aparezca RELAY CICLES. Para leer los ciclos del canal activo, elegir el siguiente elemento y girar el conmutador (marca 13). Para leer la cuenta de los ciclos de los relés del voltímetro, girar el conmutador en sentido antihorario hasta el canal más bajo.

2) Control remoto: Para ver los ciclos de los tres relés del

voltímetro o de un módulo concreto usar los siguientes comandos:

DIAG:DMM:CYCLES? DIAG:RELAY:CYCLES? (@305,399) Con entradas de bajo voltaje (<30 V) y baja intensidad (<10 mA) el relé puede tener una vida media de 10.000.000 ciclos. Si se registra la medida de los sensores cada 5 segundos, esto implica una vida media del relé de unos 2 años. Ver tabla.

Tabla 10. Vida media del relé en función de las operaciones

La resistencia de contacto inicial de un relé es aproximadamente de 50 mOhm. Para la mayoría de las aplicaciones, un relé con una resistencia de contacto superior a 1 Ohm ha de ser sustituido.

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Figura 50. Resistencia de contacto del relé en función de los ciclos y la carga

Además, cada dos años se debe calibrar el voltímetro. Siguiendo el protocolo de de su manual: Calibration Overview (Pág. 155 y siguientes) y Calibration Commands (Pág. 292 y siguientes). Se detalla el protocolo a seguir más adelante.

5.2. Calibración de laboratorio Se presentarán cuáles son las características generales de un buen laboratorio de calibración, así como cuál es el procedimiento de calibración absoluta en irradiancia y los errores que se pueden ocasionar. Establecer una calibración en irradiancia absoluta es un objetivo muy diferente al de tratar de obtener una buena serie de datos. En el segundo caso, la exactitud relativa es obtenida a través de un buen mantenimiento y caracterización del instrumento. En cambio, la exactitud absoluta necesita la calibración con un estándar, es decir, una fuente cuya irradiancia y propiedades geométricas sean exactamente conocidas.

5.2.1. Características Generales de un Laboratorio de Calibración

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Para conseguir exactitud absoluta en las medidas de radiación solar por métodos ópticos no solo es necesario un instrumento estable y bien caracterizado, sino también la utilización de un estándar. Esa es la necesidad de la presencia de laboratorios para la calibración y caracterización de instrumentos de medida de radiación solar UV y visible. Según la ISO International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology (VIM) se define el término calibración como: Conjunto de operaciones que establecen, bajo condiciones específicas, la relación entre los valores de cantidades indicadas por la medida de un instrumento, o sistema de medida, o valores representados por una medida material o un material de referencia, y los correspondientes valores proporcionados por un estándar. Una correcta calibración depende fundamentalmente de: la exactitud en el conocimiento de las propiedades del estándar, y la correcta metodología de calibración aplicada. Así el operador está obligado a realizar un estudio de la incertidumbre lo cual incluye, no solo la incertidumbre presentada en el report de referencia de la lámpara, sino también la debida a errores ocasionados por la no idoneidad en las condiciones durante la calibración. El laboratorio consta de dos zonas, zona de calibración y zona de equipos, separadas por una densa cortina negra que posee dos funciones: evitar el paso de luz parásita hacia la zona de calibración, y proteger a los operarios, situados en la zona de equipos, de la luz UV de las lámparas que se utilizan durante el proceso de calibración. En la primera se sitúan todos los equipos del laboratorio: ordenador, multímetro, fuente de alimentación… cuyos LEDs hay que mantener fuera de la zona donde se ha de realizar la calibración. Además, en ella se encuentran los muebles que guardan cuidadosamente toda la instrumentación óptica y de taller y aquellos necesarios para la comodidad de los operarios. En la segunda zona se realiza la calibración absoluta. En ella se encuentra la columna de calibración, una mesa metálica que permite, utilizando imanes, la fijación de un banco óptico para realizar otro tipo de geometría de calibración, y un aparato de aire acondicionado para poder controlar la temperatura, que es un parámetro importante en calibraciones absolutas. Dicho laboratorio ha de estar acondicionado para la eliminación de la denominada luz “fantasma”, es decir, radiación proveniente de otras fuentes o de la misma lámpara que se utiliza para la calibración y que no interesa que se introduzca en la entrada de nuestro

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instrumento. Es por ello que sus paredes están pintadas en color negro mate para maximizar la absorción de dicha luz.

5.2.2. La columna de calibración La columna de calibración tiene dos importantes funciones: la alineación de la lámpara con el detector y la estabilidad de todo el sistema. Cuya geometría en forma de T, y peso, garantizan la estabilidad de los elementos situados sobre ella. Al final de cada brazo se sitúa un deslizador XY que permite el movimiento en un plano de los elementos que se sitúen sobre ellos. El deslizador inferior sostiene una pieza realizada para sujetar el housing de la lámpara, que permite garantizar que el filamento es paralelo al plano que contiene al detector. Dichos brazos deslizan lentamente sobre el tubo cilíndrico utilizando los dos volantes y permiten adecuar la distancia entre el detector y la lámpara o entre el láser y la lámpara dependiendo de la necesidad de la metodología de calibración utilizada.

Figura 51. Fotografía y esquema de las componentes de la columna para la

calibración absoluta en irradiancia.

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5.2.3. Lámpara de Calibración

El punto inicial de una calibración de irradiancia espectral absoluta del UV y del visible comienza en los laboratorios estándar como por ejemplo el NIST (National Institute of Standards and Technology, USA). En ellos se realizan varios pasos para la realización de una escala en irradiancia. Primero se determina la radiancia espectral, proporcionada por un cuerpo negro de temperatura variable. Utilizando este cuerpo negro, la irradiancia espectral de una esfera integrante es calibrada y es transferida a un grupo de cuatro lámparas primarias de cuarzo y halógenas de 1000 W, que se utilizarán en las calibraciones de transferencia del estándar a fuentes y detectores intermedios para una mayor portabilidad del estándar. La incertidumbre introducida en este último paso de transferencia restringe la exactitud final de la lámpara o el detector de irradiancia espectral que después será utilizado por la comunidad científica. En la actualidad el estándar portátil de irradiancia más exacta son las lámparas halógenas de tungsteno certificadas por una organización que pueda mostrar la trazabilidad a un estándar absoluto. Como los instrumentos han de ser calibrados en la posición en la que normalmente están operativos, es necesario utilizar una lámpara cuyo filamento sea horizontal. Los estándares NIST son calibrados en longitudes de onda desigualmente espaciadas. En la figura se puede observar los puntos en irradiancia de una lámpara desde 250 a 750 nm. Como el espectro de estas lámparas de tungsteno es muy suave, las distribuciones espectrales se comportan bien, con lo que los valores interpolados en otras longitudes de onda son muy exactos, es decir, no se añade una incertidumbre adicional significativa.

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Figura 52. Irradiancia de lámpara de tungsteno certificada por NIST y los valores interpolados.

El certificado de calibración de la lámpara especifica el estándar referenciado en irradiancia la orientación de la lámpara (horizontal), la distancia entre la lámpara y del detector y la intensidad que atraviesa la lámpara y a la que es válida la calibración. El cumplimiento de estos factores, determina la exactitud de la calibración final. Otros factores importantes que influyen en lo que podríamos denominar buen comportamiento de un laboratorio de calibración serían, mantener constante la polaridad de la lámpara, ya que influye en la irradiancia emitida y registrar el número de horas totales que la lámpara ha funcionado. Este último punto es debido a que durante la vida de la lámpara puede haber situaciones que modifiquen la irradiancia emitida con respecto a la certificada en la calibración con el estándar. Dichos cambios pueden ser detectados analizando la estabilidad del voltaje que atraviesa la lámpara y las fluctuaciones a lo largo de la calibración. La intensidad de la lámpara hay que aumentarla y disminuirla (rampa de subida y de bajada) gradualmente para evitar bruscas modificaciones en el filamento, hasta que se llega al valor de corriente deseado. Para evitar un progresivo deterioro de las lámparas de calibración, se utilizan otras dos a las cuales se transfiere la calibración de la que se ha calibrado con la lámpara patrón. De esta manera se utiliza habitualmente una de estas dos

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lámparas, minimizando el tiempo de encendido de la lámpara estándar.

5.2.4. Procedimiento para la Calibración de Irradiancia

Las condiciones bajo las cuales la calibración es válida, incluyen todas las influencias significativas que pueden afectar a los resultados. En el caso de instrumentos, las condiciones también incluyen el número de medidas realizadas con un instrumento, ya que la media (promedio matemático) normalmente presentará una menor incertidumbre que si utilizamos una sola medida. Cualquier desviación de las condiciones de calibración especificadas por NIST, incluirá una incertidumbre en los resultados. En realidad para realizar la calibración absoluta en irradiancia de cualquier instrumento sólo necesitamos transferir la calibración de la lámpara cuya emisión conocemos a dicho instrumento. Para ello es necesario mucho rigor en el proceso ya que es muy fácil obtener resultados posibles pero erróneos. El montaje realizado en el laboratorio viene determinado por la geometría de la lámpara de calibración. El tipo FEL tiene un filamento en vertical, y aunque su error es menor que las del tipo DXW (con filamento horizontal) poseen una limitación debida a la geometría de algunos instrumentos de estudios atmosféricos los cuales, miden al zenit y no se pueden girar debido a su tamaño y peso. Las lámparas de tipo DXW pueden ser utilizadas vertical y horizontalmente por lo que pueden ser utilizadas para cualquier instrumento así como para la caracterización de error coseno, para lo que hay que girar la fuente. El origen de los errores debidos a los procedimientos de calibración puede estar en las siguientes causas:

• La inexactitud en la corriente que atraviesa la lámpara. • La imprecisión en la distancia entre el sensor y la lámpara. • La inestabilidad en las condiciones dentro del laboratorio de

calibración. • Reflexiones no deseadas. • Posición inadecuada de la lámpara. • Inexactitud en el estándar de calibración.

Los criterios de calibración están estandarizados de forma que el operador pueda asegurar una buena calibración, por lo que, debido

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a su importancia, trataremos cada uno de los puntos anteriores por separado. La corriente que atraviesa la lámpara afecta a la irradiancia que emite, y dado que el propósito de la lámpara es reproducir la irradiancia espectral original medida en el laboratorio de certificación, es esencial mantener la corriente que la atraviesa en el valor con que se calibró. Por ejemplo, un 0.1% de error en la corriente, produce un error en la irradiancia en el UV de un 10%. Otro parámetro fuente de grandes errores es la precisión en la distancia entre el sensor y la lámpara, es decir, la distancia entre el filamento de la lámpara y el plano de la apertura de entrada, en el caso de tener como detector una esfera integrante, o la superficie frontal del difusor, en el caso de tener un detector coseno. La posición de la lámpara puede provocar incertidumbres difíciles de detectar, luego hay que poner mucha atención en la orientación horizontal, la rotación y el alineamiento con el centro del detector. Es esencial asegurar que todos los puntos del receptor pueden ver toda la lámpara, no sólo el filamento, sino también la envoltura de cuarzo total y las partes del soporte de la lámpara que son iluminadas, ya que el instrumento también las vería en la calibración original de la lámpara en el laboratorio origen. La estabilidad en las condiciones dentro del laboratorio de calibración es también muy importante ya que variaciones en la temperatura pueden provocar modificaciones en la radiación emitida por la lámpara fundamentadas en modificaciones en la resistencia del filamento. Es por ello, que hay que limitar los focos de ventilación así como situar un aparato de aire acondicionado para poder controlar la temperatura desde antes del comienzo de las medidas. Eliminar las superficies reflectantes dentro del cuarto de calibración, denominada también luz fantasma es decir, radiación proveniente de otras fuentes o de la misma lámpara pero en direcciones indirectas. Esta radiación pudiera entrar en el detector y por tanto ser registrada por el instrumento, resultando medidas erróneas, que influirán en una incorrecta calibración. Por ello, las paredes del laboratorio han de ser negras, y todos los equipos del laboratorio han de estar separados de la zona de calibración. También es importante cubrir el espacio entre el receptor del instrumento y la lámpara para evitar sobre todo reflejos debidos a las partes metálicas del propio instrumento, utilizando por ejemplo diafragmas limitadores de campo o telas negras muy tupidas.

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5.3. Calibración de Campo

En el presente apartado se detallan los métodos recomendados para realizar calibraciones de campo o comparaciones de sensores de radiación, según los principales organismos internacionales y las normas de referencia. Con ello se pretende aclarar conceptos y establecer una metodología simple pero efectiva para caracterizar los equipos de la estación radiométrica. Los métodos y procedimientos detallados y propuestos se basan en las recomendaciones para la estaciones pertenecientes a la BSRN (Operations Manual Version 2.1). Las normas ISO 9059 Calibration of field pyrheliometers by comparison to a reference pyrheliometer, ISO 9060 Specification and classification of instruments for measuring hemispherical solar and direct radiation, ISO 9846 Solar Energy - Calibration of a pyranometer using a pyrheliometer, ISO 9847 Solar Energy - Calibration of field pyranometers by comparison to a referente pyranometer, ASTM 816 Method for Calibration of Secondary Reference Pyrheliometers and Pyrheliometers for Field Use, ASTM 824 Method for Transfer of Calibration from Reference to Field Pyranometers, ASTM 913 Method for Calibration of Referente Pyranometers with Axis Vertical by the Shading Method, ASTM 941 Test Method for Calibration of Referente Pyranometers with Axis Tilted by the Shading Method, entre otras. Así como diversos artículos científico-técnicos de publicaciones como Solar Energy o documentos de organismos como IEEE o NREL.

5.3.1. Calibración de pirheliómetros Los pirheliómetros absolutos pueden servir de referencia como patrón secundario. Aunque poseen un mecanismo de autocalibración, necesitan un factor de comparación con el valor de la referencia mundial, que se obtiene cada cinco años con el grupo WSG. Todos los demás pirheliómetros necesitan ser calibrados; el método más usado es comparando con un pirheliómetro patrón secundario usando como fuente de radiación el Sol. Los instrumentos de medida de radiación de primera y segunda clase se calibran con un patrón secundario. Los pirheliómetros de primera y segunda clase se deben calibrar cada uno o dos años, durante días muy claros y estables, de preferencia en estaciones de gran altura. La calibración de pirheliómetros, se efectúa

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intercomparando la potencia radiante (W/m2) medida con el instrumento de referencia y la respuesta en milivoltios de la termopila del pirheliómetro por calibrar, teniendo el Sol como fuente de energía, en un día completamente despejado, efectuando lecturas simultáneas a intervalos de, al menos, 60 segundos y en series agrupadas de entre 10 y 25 minutos, obteniéndose entre 6 y 12 valores de irradiancia según la clase de pirheliómetro. La constante K del instrumento se determina graficando los resultados del conjunto de observaciones realizadas mediante un ajuste lineal que pasa por el origen. I = K v donde I es la potencia radiante incidente medida por el patrón nacional y v es el voltaje medido por el pirheliómetro.

5.3.1.1. Calibración del Pirheliómetro de Cavidad Eppley H-F

Es un radiómetro de cavidad autocalibrador, considerado

estándar de referencia por la BSRN y la WMO desde 1978. Su correcto mantenimiento y el adecuado plan de calibraciones son fundamentales, pues será usado como referencia en la comparación con los demás sensores de la estación, de modo que sus medidas sean trazables al WRR.

El instrumento posee dos cavidades cónicas idénticas: una

externa, que se calienta al estar expuesta a la radiación solar, mientras la otra cavidad, oculta en el interior del instrumento, se calienta utilizando energía eléctrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa, asignándose el valor de la energía eléctrica consumida como el valor de la radiación solar incidente.

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Figura 53. Pirheliómetro Eppley H-F y Unidad de Control 405

Para calibrarlo se pone en modo pasivo, de modo que se aplica

corriente en el calentador de la cavidad exterior para medir su sensibilidad a cierto nivel de irradiancia (intervalo de calibración) y después se corta durante la medida de irradiancia. Así es como se opera en las Comparaciones Internacionales de Pirheliómetros.

Figura 54. Diagrama del Eppley H-F

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Procedimiento de calibración:

1. Montar el radiómetro en el seguidor solar y ajustarlo para que quede alineado con la radiación solar incidente.

2. Conectar a la unidad de adquisición, encender ésta y dejar que el sistema se estabilice con las condiciones ambiente (al menos una hora)

3. Tapar la cavidad del radiómetro con su tapa metálica y cerrar el obturador con su interruptor (Shutter OFF).

4. En la unidad de control, activar la función termopila (Function TP), desactivar las resistencias cortando la corriente (Heater 1, Heater 2 LO).

5. Cuando el voltímetro se estabilice (entre 90 y 120 segundos) guardar su lectura como cero de termopila (Tp0) en mV.

6. Desbloquear la cavidad, abrir el obturador (Shutter ON), esperar un minuto y anotar la lectura como voltaje de termopila al sol (Tps) en mV.

7. Estimar la variación de irradiancia durante el intervalo de medida y anotarla como ± X en mV.

8. Cerrar el obturador (Shutter OFF), conectar la resistencia 1 (Heater 1 ON) y variar su valor con el mando hasta que la lectura del voltímetro sea Tps ± X. Dejar que se estabilice (40-90 segundos) y anotar la lectura como Tpe en mV.

9. Activar la función V1 (Function V1), esperar unos 15 segundos para que se estabilice, y anotar el valor como V1 en V.

10. Cambiar el modo a I1 (Function I1), esperar unos 15 segundos para que se estabilice, y anotar el valor como Vri en V.

11. Calcular la sensibilidad del radiómetro como:

)/)/((0

1012

4

mVmWTpTpe

CfRcRiVriV

RiVri

M−

××⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ×−×

=

Donde: Rc = 0.066 W, resistencia de corrección del

calentador Ri = 1 W, resistencia de precisión

Cf = 2, factor de calibración, aproximadamente, pues la apertura es 0.5002 cm2

12. Cambiar el modo de nuevo a Tp (Function Tp), apagar el calentador 1 (Heater 1 OFF) y abrir el obturador (Shutter ON). Con ello se pretende mantener

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el calor en la cavidad próximo al nivel de la irradiancia durante la transición.

13. Calcular el valor de la irradiancia como:

)/)/(()()/( 22 mVmWMmVTpmWI ×= 14. Tomar lecturas durante 15 ó 30 minutos. Volver a

calibrar y anotar los nuevos valores de M y Tp0. Entonces interpolar linealmente M y Tp0 para cada valor de la irradiancia. Damos los valores obtenidos como buenos. Ahora podemos recalcular la irradiancia y tomar ésta como el valor real de la misma.

5.3.1.2. Procedimiento de Calibración de Pirheliómetros

1. Colocar ambos equipos próximos (a pocos metros de distancia). 2. Para reducir la incertidumbre han de conectarse los dos

pirheliómetros a la misma unidad de adquisición. Ha de tomarse especial precaución en eliminar el ruido y los posibles bucles a tierra de la unidad.

3. La frecuencia de amplificación ha de ser la misma que en uso normal.

4. Los periodos de medida han de tener un mínimo de 10 y un máximo de 25 minutos. Tras cada uno de ellos, se debe poner a cero el pirheliómetro de cavidad usado de referencia. El tiempo mínimo para esta operación ha de ser un minuto.

5. Las actividades de calibración deben realizarse en días claros y estables. Como referencia: - Cielo cubierto como máximo una fracción de 4/8. - Nubes a más de 15º del disco solar. - Durante cada periodo de medición la variación de la

irradiancia a de ser menor de 0.1% ó 0.3W/m2 (el más desfavorable).

6. Los niveles de irradiancia han de estar entre 400 y 1100 W/m2 durante la comparación.

7. Descartar periodos de medición en los que la diferencia entre ambos sea mayor del 2%.

8. Debe haber un mínimo de 25 series aceptables.

9.

refIkI

=

donde,

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k = factor de calibración del pirheliómetro a calibrar Iref = medida del pirheliómetro de cavidad I = medida del pirheliómetro a calibrar 10. Todo cambio superior a 0.1%/año entre la medida del

instrumento de referencia y el de campo ha de ser registrado. Si el cambio supera los 0.5%/año hay alguna incidencia grave. Si se dispone de un tercer equipo (radiómetro de cavidad) ha de usarse para determinar cual está fallando: - Si falla el pirheliómetro de cavidad, ha de usarse el de

referencia hasta que el primero haya sido reparado. - Si falla el pirheliómetro de campo, ha de sustituirse por otro

del mismo tipo (marca y modelo si es posible) mientras se repara.

- Si el pirheliómetro de referencia ha variado su responsividad, ha de enviarse al fabricante para determinar la causa.

5.3.2. Calibración de piranómetros

5.3.2.1. Método Sol/Sombra La calibración de los piranómetros consiste en determinar un factor K de ajuste entre las mediciones en milivoltios de la termopila del piranómetro y el dato de radiación medido con el pirheliómetro patrón, teniendo el Sol como fuente de energía, se efectúan 12 medidas simultáneas en serie con intervalos de 60-100 segundos. Las cuatro primeras lecturas y las últimas cuatro se toman con el piranómetro destapado; las cuatro intermedias se toman sombreando el piranómetro. De esta forma, la componente solar directa que recibe el piranómetro queda establecida de la siguiente manera: Isenh= KΔv donde: I = Irradiancia en W/m2, medida con el pirheliómetro. h = Altura del Sol en el momento de la observación. Δv = Diferencia de voltaje entre lectura tapada y destapada, obtenida con el piranómetro por calibrar.

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Figura 55. Salto de tensión en método sol/sombra

Finalmente, con la serie de observaciones se determina K por el ajuste lineal que pase por el origen.

5.3.2.2. Calibración de Piranómetros por el Método Modificado de Sol/Sombra

1. Se requieren dos con sensibilidad parecida. La sensibilidad original se determina con el método sol/sombra frente a un radiómetro estándar. En caso de disponer datos de calibración anterior, tomar la sensibilidad obtenida.

2. Un piranómetro mide la irradiancia global mientras el otro mide la componente difusa. El pirheliómetro de referencia se instala sin banda de sombra, de modo que también mida la irradiancia global.

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Figura 56. Medida de componentes de la radiación solar

3. Alrededor del solsticio de verano ambos piranómetros intercambian sus funciones durante un periodo suficientemente largo de tiempo soleado.

4. Con los datos tomados dos semanas antes y después del cambio calculamos la sensibilidad de ambos equipos.

5. 1 1/k X D=

2 2dk D X× =

2 2( )D dI sen h X X× = −

2 2

( )D

X k DKI sen h

− ×=

×

Este procedimiento tiene importantes ventajas respecto al método sol/sombra anteriormente detallado. En primer lugar no requiere que ningún sensor sea apartado del servicio durante la comparación, a excepción del cambio de función (de global a difusa y viceversa) que puede tener lugar durante la noche, por lo que puede seguir midiendo.

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Por otro lado, evita el shock térmico al que los sensores son expuestos al pasar de estar bajo la radiación directa a sombreados, y después nuevamente a pleno sol. Este efecto no está cuantificado para la mayoría de los modelos pero puede llegar a se significativo. Finalmente, el par de sensores usados para medir la radiación global y difusa son calibrados simultáneamente, con el ahorro de tiempo y trabajo que ello conlleva.

Figura 57. Esquema del método sol/sombra modificado Agrupando y procesando los datos obtenidos de ambos sensores obtendremos unos coeficientes de calibración que incluyen la incertidumbre debida a la responsividad espectral (errores coseno y azimut). Además, agrupando las ecuaciones respecto al ángulo zenital y la intensidad podemos deducir al factor coseno y la linealidad de cada instrumento. En el procedimiento de calibración, se debe tener especial cuidado para eliminar el error de cero asociados a la radiación termal neta del sensor y de sus alrededores durante la noche y las primeras horas del día. Este error llega a ser importante cuando los dos instrumentos tienen errores de ceros relativamente diferentes y cuando la responsividad se transfiere del pirheliómetro al radiómetro sombreado. Si no se toma en consideración para eliminarlo de la

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calibración, será incorporado en la responsividad como incertidumbre. En niveles elevados de radiación el error es de menor importancia, sin embargo, al medir la difusa, puede conducir a una subestimación del 20%. Varios métodos se han utilizado para estimar la magnitud del error de cero, pero no hay un método general válido para todos los piranómetros. No todas las localizaciones, ni todos los instrumentos experimentan desajustes por flujo térmico en la noche. Los instrumentos con termopila blanca y negra están compensados respecto a las emisiones infrarrojas.

5.3.2.3. Procedimiento de cálculo de la responsividad mediante variación del método sol/sombra

1. Ambos piranómetros sombreados durante, al menos, 5 minutos. El sensor a calibrar en la posición 0º.

2. El piranómetro de referencia se mantiene siempre sombreado y

en la posición original. Quitar el sombreador al piranómetro a calibrar y dejar 5 minutos en posición 0º. Registrar el ángulo cenital, las señales de los piranómetros (el voltaje o las irradiancias difusa y global, respectivamente) y la irradiancia directa como f0, Uc0, Sref0 y B.

3. Cada 60 segundos rotar el piranómetro en sentido horario

desde 0º a las posiciones 90º, 180º y 270º. Anotando los valores fi, Uci, Srefi y Bi, donde i es el ángulo girado, en el instante previo a la nueva rotación.

4. Terminamos la secuencia volviendo a la posición 0º y

sombreando de nuevo por 2 minutos. Anotamos f1 y R1, donde

1 1 /R Sc Sref=

5. Repetimos la secuencia completa dos veces, anotando en el paso 4 f2 , f3, R2 y R3.

6. Mediante ajuste lineal de los pares de puntos (R1,f1), (R2,f2),

(R3,f3), calcular la recta de regresión en la forma R = a + bf.

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i

7. Conocido el cenit al final de cada posición en la que el piranómetro no está sombreado (0º, 90º, 180º y 270º), podemos calcular el factor de calibración de difusa con respecto al piranómetro de control mediante la regresión anterior.

8. El valor de irradiancia difusa del piranómetro calibrado, en

función del sensor de referencia, se obtiene con:

i iSc R Sref= × 9. Para cada una de las tres secuencias calcular la responsividad

en cada una de las 4 posiciones.

cosi i

ii i

Uref ScRSB ϕ

−=

10. La media de las 4 responsividades calculadas nos da

RS(f), con lo que podemos calcular RS(45º), factor que puede ser añadido a la incertidumbre de la calibración.

5.3.2.4. Procedimiento de Comparación de piranómetros

Esta comparación entraña la utilización simultánea de dos piranómetros montados horizontalmente, uno junto a otro, al aire libre durante un período suficientemente prolongado como para llegar a resultados representativos. Si los instrumentos son del mismo tiempo, deben bastar uno o dos días. Cuanto más acusada sea la diferencia entre los dos tipos, más dilatado debe ser el periodo de comparación. No obstante, puede reemplazarse un período extenso por diversos períodos cortos que cubran condiciones típicas (despejado, nuboso, cubierto, lluvia, nieve, etc.). La obtención del factor del instrumento resulta directa. Si se emplean registradores de banda, debe efectuarse una selección entre las dos series de registros, de las ocasiones en que las trazas son lo suficientemente altas y razonablemente suaves. Con el objeto de calcular K = R · kr, donde kr es el factor de calibración del instrumento de referencia y K el factor de calibración a obtener, pueden utilizarse cada uno de los valores medios de la relación R entre la respuesta del instrumento de ensayo y la del instrumento de referencia. Si se emplean integradores

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de voltaje o registradores de datos de barrido rápido pueden utilizarse también condiciones de radiación fluctuantes. La temperatura media de los instrumentos o la temperatura ambiente deben registrarse durante todo el proceso de calibración en el exterior para que puedan tenerse en cuenta todos los efectos de la temperatura.

5.3.3. Calibración de la Unidad de Adquisición de Datos HP 34970A

Para el correcto funcionamiento de este equipo es necesario controlar el estado de los relés, tal y como se detalló en el apartado de Mantenimiento, sustituyendo aquellos que ya no sean adecuados (resistencia mayor de 1W). Y calibrar el voltímetro periódicamente (al menos, cada dos años). La calibración se describe en la página 292 y siguientes de su manual.

Figura 58. Unidad de adquisición de datos HP 34970A

Para calibrar el voltímetro de la unidad seguiremos el siguiente protocolo:

1. Desproteger contra calibraciones. De fábrica el código de seguridad es HP034970.

a) Desde el panel frontal: Entrar en el menú Utility, señalar

UNSECURE CAL y volver a pulsar Utility. Introducir el código HP034970 y volver a pulsar Utility.

b) Acceso remoto. Enviar el siguiente comando: CAL:SECURE:STATE OFF,HP034970

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2. Obtener factor de calibración. Esto solo se puede hacer de

forma remota. El comando es:

CALibration:VALue? Devolverá un número en la forma +1.00000000E+01.

3. Ahora podríamos ver el número de veces que se ha calibrado, almacenar la fecha y el valor del factor de calibración, cambiar el código de seguridad… Para más información dirigirse al manual.

4. Proteger contra calibraciones. De fábrica el código de

seguridad es HP034970. Desde el panel frontal: Entrar en el menú Utility, señalar

SECURE CAL y volver a pulsar Utility. Introducir el código HP034970 y volver a pulsar Utility.

Acceso remoto. Enviar el siguiente comando: CAL:SECURE:STATE ON,HP034970

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manual de calidad/mantenimiento de la estación...

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