Análisis de consumo monofásico

Abstract

El objetivo general del proyecto consiste en desarrollar un analizador de consumo de energía eléctrica utilizando el entorno de programación gráfica de LabVIEW, capaz de adquirir y procesar señales de tensión y corriente del mundo real. Monitorizando a tiempo real el consumo del dispositivo analizado. El medidor constará de tres partes: 1. La parte encargada de realizar las mediciones: • Un sensor que permite medir la intensidad que atraviesa un conductor sin necesidad de cortar o modificar el conductor. • La parte del transformador que permite medir la tensión alterna a la que se enchufa el electrodoméstico a estudiar. 2. Emisor (Arduino Uno): Conectado de manera física al sensor y al transformador, a través de un circuito acondicionador. Realiza la conversión de la señal a un valor digital y los envía al receptor a través de un cable USB. 3. Receptor (LabVIEW): Es la unidad central de procesamiento. A esta unidad le llegan los datos del emisor, realiza las instrucciones de la programación gráfica realizada, entre ellos los cálculos necesarios para dar en una pantalla, los valores de consumo.

Se tendrán una serie de requisitos para su realización. El primero de estos requisitos es familiarizarse con conceptos básicos da la instrumentación electrónica como lo son el acondicionamiento de una señal, la resolución, calibración, variables muestreadas, conversión entre variables analógicas y digitales, procesadores de señal, sistemas de adquisición de datos… El segundo requisito es la minimización de costes. El sistema debe de ser lo más económico posible. Para eso se utiliza como unidad de adquisición, el microcontrolador Arduino, que es una plataforma de bajo costo de electrónica de prototipos y LabVIEW como unidad de procesamiento. Para la comunicación entre los dispositivos esta la interfaz de LabVIEW para Arduino, “LIFA”, que permite aprovechar la potencia del entorno de programación gráfica de LabVIEW para interactuar con Arduino. El último requisito planteado, es diseñar un dispositivo de medición fiable con un error de medida bajo. El sistema se ha desarrollado en tres apartados fundamentales: 1. Sensores y su acondicionamiento: El objetivo de este apartado es mostrar los sensores utilizados y realizar los cálculos para desarrollar el circuito acondicionador necesario. 2. Unidad de adquisición: En este apartado se mencionan las características propias del Arduino empleado con este fin. 3. Unidad de proceso: Se describe en este apartado la programación del entorno gráfico utilizada en el proyecto. A través de este, se pretende conseguir una representación gráfica que muestre los resultados de manera clara.

Los sensores, encargados de medir y transformar la magnitud física de tensión e intensidad en una magnitud eléctrica, normalmente presentan unas características inapropiadas para la adquisición de la señal. Si esta magnitud eléctrica se introduce directamente en la unidad de adquisición podría dañarse la entrada analógica utilizada para su adquisición o simplemente no adquirir ninguna señal (debido a una incompatibilidad entre la señal a medir y las características de la entrada de la placa de adquisición). Debido a esto, se ha creado una etapa de acondicionamiento para los sensores. Esta epata será la encargada de convertir la señal eléctrica proveniente del sensor en una señal con características específicas de tensión para no dañar la unidad de adquisición. El instrumento utilizado como unidad de adquisición es la placa Arduino Uno, siendo la encargada de recibir la señal y enviarla a la unidad de procesamiento. La señal acondicionada es recibida en el convertidor analógico digital integrado en la placa. Y este, la transforma en una señal digital que pueda ser interpretada por la unidad de proceso. Por último, con la interfaz de LabVIEW para Arduino LIFA se puede aprovechar la potencia del entorno de programación gráfica de LabVIEW para interactuar con Arduino, a través del puerto USB. Este firmware convierte la placa del Arduino en una tarjera de adquisición de datos que se maneja a través del programa LabVIEW. La parte de la programación en LabVIEW se ha desarrollado en tres bloques: • En el primer bloque se realiza la adquisición de la intensidad y la obtención de unos resultados fiables. La estructura de la medida de la intensidad es reutilizada en la medida de la tensión, ya que realizan la misma función. • En el segundo bloque de la programación se ha conseguido realizar las mediciones de las señales de tensión e intensidad de forma continua e independiente. • el último bloque se mide el desfase entre las señales adquiridas.

Finalmente, el sistema desarrollado cumple con las expectativas iníciales al ser un sistema de adquisición y monitorización económica que trabaja de forma continua entre los distintos dispositivos, es decir, entre la placa de adquisición de Arduino, los sensores con su sistema acondicionador y el procesador de LabVIEW. Se han adaptado con éxito los transductores de tensión y corriente, como parte del sistema de adquisición de datos, en la placa de Arduino. y como valor añadido, a partir de los esquemáticos de los sistemas de acondicionamiento, el diseño de la placa PCB mediante el software DesignSpark PCB. En la parte del procesador, se ha aprendido a programar en lenguaje de programación gráfica, a realizar la comunicación con otro dispositivo mediante comunicación por el puerto COM y se ha llegado a analizar una parte específica de la programación que comunica al Arduino con LabVIEW, la cual, es la utilizada en el proyecto. Este programa que se carga en el Arduino “LIFA” es un programa genérico y con gran variedad de funciones, que hace difícil el entendimiento de su programación, por lo que no es recomendable modificaciones en el mismo. Lo ideal sería realizar una programación específica en el Arduino, con los parámetros deseados para ganar en resolución, en rapidez y en espacio de memoria libre del Arduino. Gracias a los requisitos del diseño y a la gran cantidad de información acerca de la programación gráfica de LabVIEW, se ha podido realizar el dispositivo y aprender a manejar la herramienta. Aunque en un principio parecía una herramienta compleja por su gran cantidad de funciones e información, resultó ser un programa con una dificultad intermedia con un gran abanico de posibilidades para realizar una tarea concreta. Comprobándose el potencial que tienen las herramientas de Arduino y LabVIEW para la realización de todo tipo de proyectos, ya que ambos unidos crean un entorno de desarrollo sencillo y eficiente, además de ser plataforma con una comunidad que ofrece soporte de muy buena calidad.