docProsta automatyczna stacja meteorologiczna w szkole – pomiar
download 
Reklamacja Transkrypt
Prosta automatyczna stacja meteorologiczna w szkole – pomiar
Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki Anna Karolina Jagodnicka 177775 Prosta automatyczna stacja meteorologiczna w szkole – pomiar zmienności ciśnienia atmosferycznego, temperatury i wilgotności powietrza Praca magisterska na kierunku Fizyka, NKF w zakresie nauczania fizyki i matematyki Praca wykonana pod kierunkiem dr hab. Szymona Malinowskiego prof. UW w Zakładzie Fizyki Atmosfery Warszawa, wrzesień 2005 1 Oświadczenie kierującego pracą Oświadczam, że niniejsza praca została przygotowana pod moim kierunkiem i stwierdzam, że spełnia ona warunki do przedstawienia jej w postępowaniu o nadanie tytułu zawodowego. Data Podpis kierującego pracą Oświadczenie autora (autorów) pracy Świadom odpowiedzialności prawnej oświadczam, że niniejsza praca dyplomowa została napisana przeze mnie samodzielnie i nie zawiera treści uzyskanych w sposób niezgodny z obowiązującymi przepisami. Oświadczam również, że przedstawiona praca nie była wcześniej przedmiotem procedur związanych z uzyskaniem tytułu zawodowego w wyższej uczelni. Oświadczam ponadto, że niniejsza wersja pracy jest identyczna z załączoną wersją elektroniczną. Data Podpis autora (autorów) pracy 2 Streszczenie Celem pracy była kalibracja czujników zastosowanych w automatycznej stacji meteorologicznej (ASM) skonstruowanej na Wydziale Fizyki UW. Krótko opisana została budowa, zasada działania i zastosowanie automatycznych stacji pomiarowych oraz w szczególności – budowa stacji na WF. Przedstawiono przebieg i wyniki kalibracji oraz przykładowe przebiegi zmienności parametrów. Wskazano możliwości dalszego rozwoju stacji, jako urządzenia użytecznego w badaniach prowadzonych w Zakładzie Fizyki Atmosfery. Przedstawiono również potencjalne zastosowanie takich prostych ASM jako cennego narzędzia edukacyjnego. Słowa kluczowe automatyczna stacja meteorologiczna, pomiary meteorologiczne, pogoda Dziedzina pracy (kody wg programu SocratesErasmus) 13.2 fizyka 3 Spis treści Wstęp............................................................................................................................................5 I. Automatyczne stacje meteorologiczne......................................................................................7 1. Podział..................................................................................................................................7 2. Budowa.................................................................................................................................8 2.1. Przyrządy pomiarowe...................................................................................................9 2.1.1. Informacje ogólne .....................................................................................................9 2.1.2. Podstawowe przyrządy pomiarowe parametrów meteorologicznych ......................11 Temperatura...................................................................................................................11 Ciśnienie.......................................................................................................................13 Wilgotność....................................................................................................................14 2.2. Układ rejestrujący ......................................................................................................17 2.3. Układ wizualizacji i transmisji ..................................................................................18 2.4. Mikrokontroler............................................................................................................18 2.5. Zasilanie......................................................................................................................20 3. Zalety..................................................................................................................................20 4. Zastosowanie .....................................................................................................................21 II. Automatyczna stacja meteorologiczna Wydziału Fizyki ....................................................23 1. Budowa..............................................................................................................................23 Czujniki..............................................................................................................................26 2. Kalibracja czujników .........................................................................................................27 2.1. Kalibracja termometru................................................................................................27 2.2. Kalibracja czujnika ciśnienia......................................................................................30 2.3. Kalibracja czujnika wilgotności..................................................................................32 3. Zmienność czasowa mierzonych parametrów ................................................................34 4. Możliwości rozwoju ........................................................................................................42 III. Automatyczna stacja meteorologiczna w szkole..................................................................44 Podsumowanie........................................................................................................................47 Literatura.................................................................................................................................48 4 Wstęp Od najdawniejszych czasów człowiek interesował się pogodą. Obserwacją pogody zajmowały się wszystkie ludy na kuli ziemskiej. Najdawniejsze zapisy pochodzą z epoki babilońskiej już wtedy spisywano kroniki pogodowe na kamiennych tabliczkach. Pogodą i klimatem interesowali się starożytni Grecy to oni wprowadzili słowa atmosfera i meteorologia; meteorami określali wszelkie zjawiska atmosferyczne, które też opisywali w swoich dziełach. “Meteorologia” Arystotelesa uznawana jest za książkę, która dała początek meteorologii jako nauce. Początkowo pomiary meteorologiczne polegały na zapisie i gromadzeniu spostrzeżeń i obserwacji zjawisk. Istotny postęp nastąpił dopiero w XVI i XVII wieku, kiedy wynaleziono pierwsze przyrządy pomiarowe. W 1542 roku Galileusz skonstruował pierwowzór termometru powietrznego, a w 1643 roku jego uczeń, Toricelli zbudował pierwszy barometr rtęciowy. Te wynalazki rozpoczęły okres opisu atmosfery za pomocą parametrów meteorologicznych. Zaczęto tworzyć stacje meteorologiczne, w których wykonywano obserwacje i pomiary instrumentalne, korzystając z dostępnych wówczas przyrządów. Pierwsza europejską sieć obserwatoriów meteorologicznych powstała już w połowie XVII wieku. W wieku XVIII systematyczne i regularne pomiary stały się powszechne w całej Europie. Gromadzone wyniki obserwacji i pomiarów porządkowano i systematyzowano, próbowano wyciągać z nich wnioski statystyczne. Jednak dopiero od połowy XX wieku szerzej zaczęto stosować prawa fizyki i metody matematyczne do wyjaśniania obserwowanych zjawisk i ustalania zależności miedzy nimi, tworzenia pełnych teorii funkcjonowania atmosfery. Meteorologia stała się nauką ścisłą. Znajomość ogólnych praw rządzących zjawiskami pogodowymi ma podstawowe znaczenie praktyczne – pozwala bowiem przewidywać wystąpienie tych zjawisk. Do prognozowania pogody potrzebny jest jednak pełen obraz stanu i dynamiki atmosfery całej Ziemi, a więc niezbędna możliwość szybkiej wymiany informacji meteorologicznych na skalę globalną. Przez długi czas na przeszkodzie był brak środków łączności. Dopiero wynalezienie telegrafu, telefonu i radia umożliwiło sprawne przekazywanie wyników pomiarów i rozwój meteorologii synoptycznej. Obecnie przesyłanie danych odbywa się głównie za pomocą szybkich łączy komputerowych. Dziś niemal każdy dział gospodarki korzysta z danych meteorologicznych. Na całym świecie działają służby meteorologiczne, które prowadzą obserwacje i pomiary pogody i stanu klimatu za pomocą sieci stacji meteorologicznych. Do głównych parametrów mierzonych w stacjach należą: temperatura i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, kierunek i prędkość wiatru, wielkość opadów i osadów, a także parowanie, promieniowanie słoneczne i podczerwone, widzialność, wyładowania elektryczne. W procesach pogodowych najważniejsze są temperatura, ciśnienie i wilgotność. Obecnie coraz powszechniej korzysta się z automatycznych stacji meteorologicznych, w których pomiar, analiza oraz najczęściej również przesyłanie danych jest zautomatyzowane. Taką prostą stację pomiarową skonstruowano na Wydziale Fizyki UW. Rejestruje ona temperaturę i wilgotność powietrza oraz ciśnienie atmosferyczne. Wyniki pomiarów dostępne są na uczelnianej stronie internetowej. Stacja taka stanowi podstawowe narzędzie do badania atmosfery i jako takie ma być jednym z ważniejszych instrumentów pomiarowych w Zakładzie 5 Fizyki Atmosfery UW. Automatyczne stacje meteorologiczne jako automatyczne systemy pomiarowe wykorzystywane są obecnie powszechnie nie tylko w meteorologii, ale również w innych dziedzinach. Mogą też stanowić cenne i pomocne narzędzie edukacyjne. Głównym celem pracy była kalibracja użytych w stacji na Wydziale Fizyki UW czujników oraz wskazanie korzyści wynikających z posiadania takiej stacji w szkole. Krótko opisana została budowa, zasada działania i zastosowanie automatycznych stacji meteorologicznych oraz w szczególności – budowa stacji skonstruowanej na WF UW. Przedstawiono przebieg i wyniki kalibracji oraz przykładowe przebiegi zmienności parametrów. Chciałabym podziękować dr hab. Szymonowi Malinowskiemu za opiekę naukową, oraz mgr Pawłowi Klimczewskiemu i dr Wojciechowi Kumali za pomoc w czasie pisania tej pracy. 6 I. Automatyczne stacje meteorologiczne (ASM) W pierwszych obsługowych stacjach meteorologicznych pomiar polegał na systematycznym odczycie i zapisie wskazań przyrządów. Pewną automatyzację umożliwiło zastosowanie przyrządów pomiarowych zaopatrzonych w mechaniczne urządzenia samopiszące, które pozwalały na ciągły zapis wartości parametrów mierzonych przez odpowiednie czujniki. Do takich urządzeń należały między innymi termografy, barografy, higrografy – mierzące odpowiednio temperaturę, ciśnienie, wilgotność oraz tzw meteorografy, rejestrujące te trzy parametry jednocześnie. Nadal jednak pomiar i analiza tak zebranych danych była czasochłonna i pracochłonna. Naturalnym dążeniem było zminimalizowanie konieczności obsługi, a celem stworzenie stacji automatycznych nie wymagających obsługi. Wraz z postępem technicznym stopniowo doskonalono stosowane metody i urządzenia. Jednak dopiero wykorzystanie zaawansowanych układów mikroelektronicznych dokonało przełomu w automatyzacji stacji meteorologicznych. Zastosowanie mikroprocesorowych rejestratorów danych, komputerów i transmisji danych na odległość znacznie uprościło całą procedurę pomiaru i analizy danych oraz stworzyło zupełnie nowe możliwości szybkiego przekazywania zebranych informacji. Obecnie rośnie zapotrzebowanie na coraz więcej bardziej szczegółowych informacji o atmosferze, zarówno w celach czysto naukowych jak i praktycznych. Dokładne dane meteorologiczne pozwalają doskonalić znajomość procesów atmosferycznych, są też kluczowe w poprawianiu jakości prognoz meteorologicznych. Stąd potrzeba większej ilości stacji i częściej wykonywanych pomiarów, a co za tym idzie – coraz większej ilości danych do przetworzenia. Dlatego też ASM są ciągle udoskonalane i coraz powszechniej stosowane. 1. Podział ASM Pod względem budowy i zastosowanej technologii ASM można podzielić na: mechaniczne, elektroniczne Najprostszą mechaniczną stacją jest stacja obsługowa ze wspomnianymi już przyrządami pomiarowymi wyposażonymi w mechaniczne urządzenia samopiszące, rejestrujące na taśmie wyniki pomiarów. Obecnie stosuje się głównie elektroniczne ASM – wykorzystujące elektryczne czujniki i przyrządy pomiarowe. Wynalezienie tranzystora oraz układu scalonego umożliwiło stworzenie cyfrowych ASM, w budowie których wykorzystuje się technologię cyfrową. Rozwój mikroelektroniki doprowadził do skonstruowania mikroprocesorowych rejestratorów danych – w miejsce tradycyjnych papierowych elementów zapisujących jak też urządzeń do zdalnej transmisji, a więc układów , które stanowią podstawowe zalety stacji automatycznych i decydują o ich przewadze nad układami tradycyjnymi. Ze względu na ogromny rozwój układów cyfrowych cyfrowe elektroniczne ASM odgrywają obecnie podstawową rolę w pomiarach meteorologicznych. ASM można sklasyfikować również według innych kryteriów. 7 Pod względem przeznaczenia informacji wyjściowych można wyróżnić stacje: klimatyczne, synoptyczne, specjalne (lotniskowe, ostrzegawcze, agrometeorologiczne, monitoringu skażeń i in). Zależnie od sposobu wykorzystywania gromadzonych danych stacje można podzielić na dwie grupy: stacje, w których informacje przekazywane są na bieżąco (w tzw czasie rzeczywistym, ang. real time), stacje, w których przekaz i wykorzystanie danych następuje z opóźnieniem, po ich zgromadzeniu (w tzw czasie nierzeczywistym, ang. non real time). Stacje pierwszego typu stosuje się w celach operacyjnych tam, gdzie istotna jest bieżąca kontrola i ostrzeganie, drugiego w klimatologii i badaniach meteorologicznych. Często w uproszczeniu mówi się o stacjach typu klimatologicznego i synoptycznego. Stacje mogą być instalowane w obszarach zaludnionych lub bezludnych mają one inne zadania, ale też przede wszystkim różne rozwiązania konstrukcyjne i techniczne. Stacje na terenach bezludnych arktycznych, pustynnych, wyspowych, morskich, wysokogórskich muszą przede wszystkim być odporne na panujące w miejscu lokalizacji ekstremalne warunki środowiskowe, ponadto powinny przez określony czas pracować bezawaryjnie i bez nadzoru. Wymagania pomiarowe mogą być niewielkie – stacje te mierzą nieliczne parametry, pracują w prostych układach. Najczęściej są one zasilane z własnych źródeł energii, której zużycie powinno być możliwie najmniejsze. Stacje takie wyposażone są zwykle w uruchamiane okresowo nadajniki radiowe. Stacje dla obszarów zaludnionych mają za zadanie częściowo zastąpić personel stacji w wykonywaniu powtarzalnych czynności. Wymagania co do takich stacji są wysokie – zarówno względem zakresu i jakości pomiarów jak i przetwarzania danych. [2] 2. Budowa ASM Automatyczne stacje wykonują pomiary wielkości meteorologicznych za pomocą czujników, wyliczają wielkości pochodne, równolegle korygując jakość danych na podstawie informacji z wewnętrznych źródeł sygnałów wzorcowych i realizując wstępny program kontroli wyników pomiarów i obliczeń. Tak zweryfikowane dane są gromadzone lub przesyłane dalej. Prowadzony jest monitoring parametrów bezpośrednio mierzonych i pochodnych pod kątem jakości danych i w razie niezgodności redagowane są automatyczne komunikaty ostrzegawcze, wysyłane sygnały alarmowe. Realizowane jest automatyczne formatowanie i wysyłanie komunikatów i meldunków. [2] Do podstawowych podzespołów stacji należą: przyrządy pomiarowe układy rejestrujące układy wizualizacji i transmisji Stacje automatyczne powinny mieć kompaktową konstrukcję, odpowiednią obudowę, możliwie niewielkie rozmiary i ciężar oraz wykazywać odporność na wstrząsy mechaniczne, warunki klimatyczne, wibracje, co jest ważne np. przy transporcie. 8 2.1. Przyrządy pomiarowe 2.1.1. Informacje ogólne Każdy przyrząd i układ pomiarowy służy do zamiany informacji wejściowej – mierzonej wielkości fizycznej na równoważną jej wielkość fizyczną pojawiającą się na wyjściu. W najprostszym układzie przyrząd pomiarowy składa się z czujnika, przetwornika sygnału oraz wskaźnika lub rejestratora. Czujnik jest elementem pomiarowym, którego jakaś własność fizyczna zmienia się pod wpływem mierzonej wielkości. Przetwornik sygnału mechanizm przekazujący zamienia sygnał z czujnika na inną wielkość, która jest dalej mierzona, odczytywana, zapisywana. W najprostszym przypadku może to być układ mechaniczny (np. ciśnieniomierz) lub obwód elektryczny (np. termopara i woltomierz) . W zależności od zastosowanych przetworników przyrządy można podzielić na: mechaniczne, elektryczne. W urządzeniach pierwszej grupy stosuje się przetworniki mechaniczne i hydrauliczne, które zamieniają mierzony sygnał na inną nieelektryczna wielkość (np. wychylenie wskazówki, zmiana poziomu cieczy). W czujnikach i przyrządach elektrycznych nośnikiem informacji o wartości wielkości mierzonej jest sygnał elektryczny (amplituda napięcia, natężenia, częstotliwość, przesunięcie fazowe), określany dalej metodami miernictwa elektrycznego. [1] Mierniki elektryczne często mają znacznie lepsze parametry techniczne. Sygnał elektryczny jest łatwy w obróbce i może być łatwo przekształcony do postaci danych możliwych do przesyłania. Przyrządy mogą jedynie mierzyć lub też rejestrować w sposób ciągły albo okresowy wartość mierzonego parametru zależnie od tego można wyróżnić: mierniki (np. termometry), rejestratory (np. termografy). Ze względu na sposób przetwarzania informacji czujniki i przyrządy elektryczne można podzielić na: analogowe, cyfrowe. W przyrządach analogowych sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do mierzonej wielkości, wskazania odczytywane są na skali – podziałka tej skali determinuje dokładność pomiaru. W urządzeniach cyfrowych sygnał wyjściowy w przeciwieństwie do parametru mierzonego – zmienia się w sposób dyskretny, składa się z kolejnych bitów informacji, w których zakodowana jest wartość mierzonej wielkości. Zakres zmienności składa się z równych przedziałów, które odpowiadają najmniejszej możliwej do detekcji zmianie parametru. [1] W czujnikach cyfrowych informacja o mierzonej wielkości może być przesyłana w sposób: równoległy, szeregowy. W przypadku transmisji równoległej każdy bit informacji przesyłany jest osobnym przewodem. Dzięki temu informacje można przesyłać z dużą prędkością, ale niezbędne są wielożyłowe kable połączeniowe. W układach szeregowych kolejne bity przesyłane są jeden za drugim. Transmisja jest wolniejsza, ale układ połączeniowy prostszy. 9 W cyfrowych ASM stosuje się oba typy czujników elektrycznych. Jednocześnie większość stosowanych współcześnie rejestratorów zapisuje informacje w postaci cyfrowej. Przy zastosowaniu czujników analogowych konieczne jest więc dołączenie układów dostosowujących informację wyjściową czujnika do wejściowej rejestratora. Pierwszym wstępnym etapem jest zamiana sygnału analogowego na napięcie o odpowiedniej charakterystyce. Takimi elementami dopasowującymi mogą być układy przedwzmacniaczy, wzmacniaczy, układów mostkowych, filtrów. Dalej sygnał napięciowy z każdego czujnika jest kierowany za pomocą elektronicznego przełącznika (ang. multiplexer) do przetwornika analogowocyfrowego A/C (ang. A/D converter) obecnie wykonanego najczęściej w postaci układu scalonego. Końcowym niezbędnym elementem jest tzw interfejs, dostosowujący sposób transmisji do wymagań dalszej części ASM. Powszechnie stosowane są interfejsy transmisji szeregowej o różnej konstrukcji, najczęściej spotykany jest 9żyłowy interfejs RS232, ale używane są również układy o mniejszej ilości przewodów łączących ( 3żyłowy SPI, 2żyłowy I2C, USB). Upraszczanie konstrukcji budowy interfejsów spowalnia i komplikuje sposób transmisji. Czujniki cyfrowe mają postać układu scalonego, w którym wbudowane są wszystkie wymienione powyżej elementy: czujnik analogowy, układ dopasowujący, przetwornik A/C oraz interfejs służący do komunikacji z rejestratorem. Sygnały w formie cyfrowej mogą być rejestrowane i dalej przetwarzane w rejestratorze. Wskazania przyrządów pomiarowych obarczone są zawsze pewnymi błędami wynikającymi z konstrukcji przyrządu oraz stosowanej metody. Dla zapewnienia właściwych pomiarów każdy czujnik powinien być używany zgodnie z warunkami eksploatacji oraz podlegać okresowej kontroli i kalibracji, zgodnie z obowiązującą procedurą i przy użyciu urządzeń wzorcowych. Do właściwego wykonywania pomiarów ważne jest: znajomość zasady działania przyrządów i czujników oraz źródeł błędów, sposobu ich redukcji, ogólne rozumienie zasady działania układów pomiarowych, rozumienie warunków prawidłowej ekspozycji sprzętu, zasad lokalizacji stanowisk pomiarowych, prawidłowego użytkowania przyrządów i urządzeń. Ustalone są też programy interkalibracji przyrządów – określające reguły dotyczące ich wzorcowania i kontroli jakości, oceny własności sprzętu oraz zagadnienia standaryzacji i unifikacji metod i przyrządów. Każdy typ miernika ma inne wymagania, inne warunki ekspozycji, a wykonywane nim pomiary są obarczone innymi błędami. Wymienione cechy oraz parametry przyrządu determinują zakres jego zastosowania. [1] Każdy przyrząd pomiarowy określają dane techniczne, parametry, które składają się na jego charakterystykę. Do podstawowych parametrów należą: zasada działania (sposób przetwarzania sygnału) zakres pomiarowy (zakres wartości wielkości mierzonej, dla której przyrząd może być stosowany ) dokładność wskazań, rejestracji (błąd bezwzględny) czułość (stosunek sygnału czujnika do sygnału, zmiany wielkości mierzonej) rozdzielczość (najmniejsza mierzalna wielkość) stała czasowa i czas reakcji (związane z bezwładnością czujnika) liniowość (liniowa zależność między wartością parametru a wskazaniem czujnika) histereza (wpływ historii pomiarów na wskazania czujnika) 10 2.1.2. Podstawowe przyrządy pomiarowe parametrów meteorologicznych W dalszej części przedstawione zostaną w skrócie podstawowe metody pomiaru temperatury, ciśnienia i wilgotności. Te parametry meteorologiczne mierzone są w opisywanej stacji i jednocześnie stanowią najważniejsze czynniki pogodowe. Przegląd metod został opracowany na podstawie książki “Miernictwo meteorologiczne” K. Różdżyńskiego i uzupełniony z innych źródeł. Dokładniejsze informacje oraz opis metod pomiaru pozostałych parametrów meteorologicznych znajduje się we wskazanej literaturze. [1, 2, 5] Temperatura Temperaturę powietrza wyznacza się w sposób pośredni, bezpośrednio określając temperaturę własną termometru. Dlatego w pomiarach podstawowym założeniem jest stan równowagi termodynamicznej między czujnikiem (termometrem) a powietrzem. Odstępstwa od tego założenia są główną przyczyną błędów pomiarowych. Do konstrukcji termometru wybiera się ciało termometryczne, które wraz ze zmianą temperatury podlega jakiemuś zjawisku fizycznemu. Rejestrując zmieniającą się pod wpływem temperatury jakąś wielkość fizyczna ciała termometrycznego, określa się temperaturę powietrza. W standardowych termometrach domowych mierzy się poziom rtęci, rozszerzającej się przy wzroście temperatury. Termometry umieszcza się w osłonach radiacyjnych (klatkach meteorologicznych), które mają chronić czujniki przed promieniowaniem i czynnikami zewnętrznymi (osady, opady), zmieniającymi warunki wymiany ciepła z miedzy czujnikiem a otaczającym go powietrzem. Jednostką temperatury w układzie SI jest Kelwin [K], stosowany przede wszystkim w badaniach naukowych. W meteorologii temperatura mierzona jest w stopniach Celsjusza. W krajach anglosaskich stosowana jest też skala Fahrenheita. W pomiarach temperatury wykorzystuje się następujące zjawiska fizyczne: rozszerzalność cieczy i ciał stałych zmiany oporności metali i półprzewodników zmiany przenikalności elektrycznej wytwarzanie siły termoelektrycznej zależność natężenia i rozkładu widma promieniowania od temperatury zmiany prędkość dźwięku; W meteorologii znalazły zastosowanie termometry wykorzystanie pierwsze cztery z podanych zjawisk: termometry nieelektryczne (cieczowe i deformacyjne (bimetaliczne)) oraz termometry elektryczne: • oporowe (metaliczne) i półprzewodnikowe (termistory) • termoelektryczne (termoogniwa, termopary) • termodielektryczne 11 W rutynowych obserwacjach meteorologicznych stosowane są najczęściej szklane termometry cieczowe, wykorzystujące różnicę cieplnej rozszerzalności objętościowej cieczy termometrycznej i naczynia szklanego, złożonego ze zbiorniczka i kapilary, w którym ta ciecz się znajduje. Przy zmianie temperatury przyrządu zmiana objętości cieczy odniesiona do zmiany objętości naczynia jest wskazywana poprzez zmianę wysokości słupa cieczy w kapilarze. Rodzaj cieczy termometrycznej zależy od wymaganego zakresu pomiarowego – najczęściej stosowana jest rtęć oraz alkohole. Elementem pomiarowym termometrów deformacyjnych jest bimetal – płytka wykonana ze spojonych dwóch pasków metali o różnych współczynnikach rozszerzalności liniowej, unieruchomionych na jednym z końców płytki. Zmiany temperatury powodują niejednakowe rozszerzenie się obu materiałów, a więc wygięcie płytki. Wygięcie to zależy bardzo silnie od jej długości, stąd paski metali są często zwijane spiralnie lub śrubowo. Czujniki bimetalowe umożliwiają ciągłą rejestrację zmian temperatury, dlatego są stosowane w termografach meteorologicznych. Zasada działania termometru oporowego polega na zmianie oporności czujnika pod wpływem zmian temperatury. W znacznym zakresie temperatur ta zależność R(T) jest liniowa. Oporniki termometryczne wykonuje się z platyny, niklu oraz miedzi, przy czym platyna wykorzystywana jest najczęściej; metal ten działa w dużym zakresie temperatur, ma dobre własności fizyczne i chemiczne (min wysoki współczynnik temperaturowy oporu), dobrze opracowaną technologię otrzymywania czystego metalu oraz wykazuje dużą odporność na działanie czynników zewnętrznych. Termometry oporowe wykonywane są najczęściej w postaci uzwojenia z cienkiego drutu nawiniętego na element izolujący. Standardowe termometry platynowe mają oporności 100 w temperaturze T 0°C. W termometrach półprzewodnikowych czujnikiem pomiarowym jest dioda, tranzystor lub najczęściej termistor; w elementach tych wykorzystuje się zależność temperaturową, odpowiednio: napięcia emitor – baza tranzystora, napięcia w kierunku przewodzenia diody oraz oporności termistora. Czujniki termistorowe mają duża czułość i mogą mieć małe wymiary, a ich nieliniowość wskazań obecnie łatwo koryguje się układami elektronicznymi czy uwzględnia przy kalibracji, dlatego są chętnie i powszechnie stosowane, również w stacjach automatycznych. Termometr termoelektryczny (termoogniwo, termopara ) stanowi obwód złożony z dwóch różnych przewodników, których punkty łączące (styku) znajdują się w różnych temperaturach. W takiej pętli powstaje siła elektromotoryczna (zwana też siłą termoelektryczną), która powoduje przepływ prądu. W zakresie temperatur występujących w atmosferze siła termoelektryczna jest w przybliżeniu liniowa funkcją różnicy temperatur punktów styku. Zwiększenie czułości wspomnianych czujników uzyskuje się tworząc termostosy, czyli obwody szeregowo połączonych w obwód kilku termopar. W meteorologii termostosy są najczęściej stosowane do pomiarów natężenia promieniowania słonecznego. W termometrach termodielektrycznych wykorzystuje się zależność przenikalności elektrycznej niektórych materiałów od temperatury. Przetwornikiem sygnału jest kondensator z dielektrykiem o dużej przewodności elektrycznej. Termometry te wykazują dużą czułość pomiaru, ale mają niewielkie zastosowanie w meteorologii. 12 Ciśnienie N ] . Do celów meteorologicznych jest to m2 jednostka niewygodnie mała, dlatego w pomiarach ciśnienia atmosferycznego przyjęto jednostkę sto razy większą – hektopascal [hPa]. Do pomiaru ciśnienia stosuje się: barometry cieczowe, barometry deformacyjne, hipsometry. Podstawową jednostką ciśnienia jest Pascal Pa [ W barometrach cieczowych ciśnienie atmosferyczne równoważone jest ciężarem słupa cieczy – miarą ciśnienia jest wysokość tego słupa. Teoretycznie do pomiaru można stosować dowolną ciecz – w praktyce przydatne są ciecze gęstsze, w meteorologii stosuje się rtęć. By wyniki były porównywalne ustalone zostały tzw warunki standardowe temperatury, gęstości rtęci oraz przyciągania grawitacyjnego. Obecnie barometry rtęciowe stanowią przede wszystkim precyzyjne przyrządy wzorcowe. W hipsometrach (temobarografach) wykorzystuje sie zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia. Hipsometry wykazują większą dokładność przy mniejszym ciśnieniu i dlatego stosowane są zwłaszcza w sondażach aerologicznych. Są też odporne na większość czynników zewnętrznych – stąd ich zastosowanie pomiarach morskich.; W barometrach deformacyjnych ciśnienie atmosferyczne równoważone jest przez siły sprężystości materiałów budujących czujnik. Elementem pomiarowym są wypełnione próżnią lub gazem pod niskim ciśnieniem puszki zbudowane z elastycznych membran (aneroidy) oraz metalowe cylindry (cylindry rezonatorowe). W cylindrach rezonatorowych (rezonatorach), stosowanych niegdyś głównie do pomiarów wysokości, zmiana ciśnienia zmienia naprężenia w ściankach cylindra, a więc wpływa na częstotliwość drgań rezonatora. W aneroidach lub barografach (stosach aneroidów) miarą zmiany ciśnienia są – odpowiednio wzmocnione – odkształcenia membran. W mechanicznych barometrach aneroidowych przetwornikiem sygnału jest dźwignia odkształcenia membran przenoszone za pomocą mechanizmu dźwigni na wskazówkę skali lub ramię pisaka. Obecnie znacznie powszechniej używane są barometry mikroelektroniczne wykorzystujące jako czujniki oba rodzaje barometrów deformacyjnych oraz elektryczne przetworniki, współpracujące z układami elektronicznymi. W aneroidach tych przetworniki elektryczne – najczęściej kondensatory – mogą być umieszczone na zewnątrz lub wewnątrz aneroidów lub też mogą być wbudowane w układy scalone. Zmiana ciśnienia wpływa na odkształcenie takiego kondensatora, a więc i na jego pojemność. Współcześnie w meteorologii, szczególnie w stacjach automatycznych coraz częściej barometry wykonuje się w formie krzemowych membran zintegrowanych z mikroelektronicznymi układami przetwarzania sygnału w jednym układzie scalonym. Takie krzemowe czujniki uginają się przy zmianie ciśnienia, co jest mierzone tensometrycznie (za pomocą mostków piezooporowych) lub pojemnościowo (za pomocą układów rezonansowych) [4]. 13 Wilgotność Wilgotność powietrza – zawartość pary wodnej – może być określana za pomocą różnych wielkości; w tabeli podano definicje, zależności oraz jednostki wielkości zalecanych przez WMO dla służb meteorologicznych. wielkość zależność e prężność (ciśnienie) pary wodnej wilgotność względna (ang relative humidity) stosunek zmieszania wilgotność właściwa (zawartość pary wodnej) wilgotność bezwzględna (stężenie, koncentracja pary wodnej) [hPa] e RH = ∗100 E r= q= d= jednostka mv ma mv m a m v [%] [ g ] kg [ g ] kg [ kg ] m3 mv V E – maksymalna prężność pary wodnej w stanie nasycenia mvmasa pary wodnej, mamasa suchego powietrza, mv+mv masa wilgotnego powietrza, V objętość zajmowana przez powietrze wilgotne Z wymienionych wielkości w pomiarach meteorologicznych najczęściej określa się wilgotność względną powietrza. Wielkość tę można określić też jako stosunek aktualnej ilości pary wodnej do takiej ilości, która nasyca powietrze w danej temperaturze. Czujniki wilgotności wykorzystuje się w służbach meteorologicznych, w badaniach mikrometeorologicznych, w badaniach turbulencyjnych fluktuacji pary wodnej oraz stosuje jako wzorce. Miernictwo wilgotności (higrometria) obejmuje zespół różnych technik i metod. Istotny jest wybór właściwej techniki do zamierzonego celu. Klasyfikacji można dokonać stosując różne kryteria. Najczęściej metody pomiaru dzieli się według zasady działania na metody: psychrometryczne (termodynamiczne), kondensacyjne, parametryczne wzorcowe bezwzględne 14 W psychrometrach wykorzystuje się zjawisko pobierania ciepła przy procesie parowania. Psychrometry składają się z dwóch termometrów suchego który wskazuje temperaturę otoczenia oraz zwilżonego, owiniętego wilgotnym materiałem, którego temperatura jest odpowiednio mniejsza w związku z parowaniem cieczy. Różnica wskazań obu termometrów jest miarą wilgotności; jednocześnie zależy ona również od innych czynników: aktualnej temperatury, ciśnienia, prędkości wentylacji, budowy i konstrukcji psychrometru. Na podstawie empirycznych lub fizycznych zależności, uwzględniających te parametry, sporządzane są tzw tablice psychrometryczne, z których bezpośrednio – ze znanej różnicy temperatur – określa się wilgotność względną powietrza. Często przetwarza się też wyniki pomiarów psychrometrycznych elektronicznie. Dokładność pomiaru psychrometrem zależy od przepływu powietrza wokół czujnika – dlatego ważna jest znajomość warunków wentylacji wokół czujnika. Pomiary standardowymi psychrometrami wykonuje się w klatce meteorologicznej, ale i w nich ta prędkość zależy w pewnym stopniu od warunków pogodowych. Większą precyzję mają przyrządy o wymuszonej cyrkulacji powietrza wokół czujnika. Taką kontrolę warunków wentylacyjnych uzyskuje się bezpośrednio za pomocą wentylatora (w tzw psychrometrach aspiracyjnych) lub w dziś już rzadko stosowanych psychrometrach procowych przez równomierne obracanie całym przyrządem [3]. W stacjach załogowych nadal korzysta się ze standardowych psychrometrów Augusta oraz aspiracyjnych psychrometrów Assmana z termometrami rtęciowymi. W stacjach automatycznych stosowane są psychrometry z termometrami elektrycznymi, np. oporowymi dają one dokładne wskazania, ale działają tylko w dodatnich temperaturach i wymagają ciągłej dostawy wody destylowanej . [4] W higrometrach kondensacyjnych (punktu rosy lub szronu) wykorzystywane jest zjawisko skraplania się pary wodnej na chłodzonej powierzchni. W wyniku elektrycznego chłodzenia metalowego zwierciadła para wodna nad metalem ulega nasyceniu i kondensuje na jego powierzchni co podwyższa współczynnik odbicia zwierciadła. Obecność kropel rosy jest wykrywana za pośrednictwem czujników, najczęściej fotoelektrycznych, a temperatura zwierciadła – temperatura punktu rosy mierzona, zazwyczaj elektrycznymi termometrami oporowymi. Znajomość temperatury powietrza oraz temperatury stanu nasycenia pozwala określić wilgotność powietrza. Higrometry kondensacyjne mają bardzo dobre własności metrologiczne, ale ze względu na złożony układ pomiarowy nie są powszechnie stosowane w ASM. Korzysta się z nich głównie w pomiarach laboratoryjnych. [4] W metodach parametrycznych wykorzystuje się zmiany różnych parametrów fizycznych substancji pod wpływem zmian wilgotności otoczenia – własności mechanicznych, elektrycznych, absorpcji promieniowania. Zmiany własności mechanicznych – rozszerzalność – są podstawą działania higrometrów i higrografów deformacyjnych. W tych miernikach czujnikami są higroskopijne substancje organiczne i nieorganiczne, które w wyniku absorpcji wilgoci zmieniają swoje rozmiary – najczęściej długość co jest wzmacniane i mierzone lub rejestrowane. W miernictwie meteorologicznym wykorzystywane są włosy, włókna syntetyczne i błony organiczne. Włosy i włókna stosuje się powszechnie w higrografach i higrometrach w klimatologii i meteorologii synoptycznej, higrometry błonowe – kiedyś stosowane w aerologii – obecnie wychodzą z użycia. W higrometrach elektrycznych wykorzystuje się zmiany własności elektrycznych substancji 15 higroskopijnych pod wpływem zawartości wilgoci. W zależności od stanu skupienia zastosowanych substancji czujniki można podzielić na elektrolityczne i sorpcyjne. W higrometrach elektrolitycznych elementem pomiarowym jest wodny roztwór soli (elektrolitu) naniesiony na odpowiednie podłoże. W wyniku absorpcji pary wodnej z otoczenia zmienia się stężenie roztworu i związana z tym oporność elektryczna. W higrometrach sorpcyjnych czujnikiem są ciała stałe. W czujnikach adsorpcyjnych (cienkowarstwowych) para wodna pochłaniana jest tylko przez warstwę powierzchniową, w czujnikach absorpcyjnych – przez całą objętość substancji higroskopijnej. Do mierników adsorpcyjnych najczęściej stosowanych należą: węglowe, tlenkowe, i polimerowe, w których miarą wilgotności jest oporność lub częściej pojemność cienkich warstw wymienionych substancji. Pojemnościowe higrometry polimerowe, szczególnie wersje wielowarstwowe są obecnie najchętniej stosowane ze względu na swoje najlepsze, w porównaniu z innymi elektrycznymi czujnikami, właściwości – min szybkość działania, liniowość, długookresową stabilność, małą histerezę i małą czułość na temperaturę, dużą odporność na substancje chemiczne. Ich mankamentem jest mała dokładność pomiaru przy wysokich wilgotnościach względnych. [4] Higrometry elektryczne stosuje się powszechnie w miernictwie meteorologicznym, zwłaszcza w stacjach automatycznych oraz w innych dziedzinach do kontroli wilgotności. Fale elektromagnetyczne oraz akustyczne są w pewnych zakresach pochłaniane przez parę wodną zawartą w powietrzu. Zjawisko to wykorzystuje się w higrometrach, działających w zakresie ultrafioletu, widzialnym, podczerwonym, mikrofalowym oraz higrometrach akustycznych. Spośród wymienionych rzadko stosuje się higrometry akustyczne, najczęściej natomiast używane są higrometry Alfa – Laymana pochłaniające promieniowanie UV linii atomowego wodoru. Ze względu na małą bezwładność czujniki wykorzystujące absorpcję fal stosowane są głównie w badaniach turbulencji fluktuacji pary wodnej. Za pomocą metod wzorcowych bezwzględnych wyznacza się wilgotność bezwzględną. Z próbki powietrza usuwa się za pomocą substancji higroskopijnej parę wodną, zawartość wilgoci określa się metodami grawimetrycznymi i wolumetrycznymi ( mierząc zmianę ciężaru lub objętości próbki). Sposoby te nie mają zastosowania w meteorologii. Instrumenty do pomiaru wilgotności podobnie jak czujniki temperatury – powinny być umieszczane w osłonach radiacyjnych, jako że zarówno ruch powietrza jak i promieniowanie słoneczne wpływają istotnie na pomiar wilgotności. 16 W tabeli przedstawiono klasyfikację opisanych metod pomiaru. Metody stosowane w stacjach załogowych w stacjach automatycznych jako wzorce do pomiaru wilgotności względnej termody namiczna do monitoringu fluktuacji wilgotności do pomiaru wilgotności bezwzględnej absorpcyjne konde nsacyjne grawi i wolumetr yczne absorpcji fal elektroma gnetycznych akustycz nych podczerwony mikrofalowy akustyczny przyrząd pomiarowy psychro metr higrometr włosowy pojem błonowy nościowy oporo wy elektro lityczny punktu rosy (szronu) LymanaAlfa sorpcyjny 2.2. Układ rejestrujący Układy rejestrujące – rejestratory (ang loggers) służą do zapisu informacji wyjściowej przyrządu pomiarowego. Ogólnie przyrządy rejestrujące również można podzielić na mechaniczne i elektroniczne. Najprostszy rejestrator mechaniczny to właściwie wspomniane wcześniej urządzenie samopiszące. Składa się ono z bębna rejestracyjnego (napędzanego mechanicznym mechanizmem zegarowym), nawiniętego na bęben papieru oraz dźwigni z piórkiem. Takie rejestratory wykorzystywane są dziś sporadycznie w tradycyjnych termografach, higrografach, barografach; obecnie przyrządy te są najczęściej wyposażane w elektrycznie napędzany mechanizm dźwigniowy. Kolejnym krokiem w doskonaleniu rejestratorów było wprowadzenie rejestratorów elektronicznych gdzie dane były zapisywane na taśmie magnetycznej. Takie układy miały wiele zalet, ale wymagały mechanicznych nagrywarek, które działały w dość wąskim zakresie temperatur. Odzyskiwanie danych było procesem bardzo powolnym – taśmy musiały być wgrywane na specjalnych czytnikach do komputera. Rejestratory elektroniczne były stosowane od momentu ich skonstruowania (lata 50te) do lat 80tych, kiedy nastąpił rozwój technologii cyfrowej i wprowadzenie pamięci półprzewodnikowej. Obecnie w większość standardowych ASM stosowane są rejestratory cyfrowe stanowią, coraz częściej budowane z wykorzystaniem mikrokontrolerów – rodzaju mikrokomputerów. W takich układach rejestrator składa się z mikrokontrolera oraz urządzeń wejścia/wyjścia. Nowoczesne rejestratory są w znacznym stopniu programowalne. Użytkownicy mogą określać większość istotnych parametrów działania tych układów, takich jak ilość kanałów, 17 rodzaj podłączonych czujników, zakres i jednostki pomiarowe, krok czasowy (częstość próbkowania), czas przechowywania danych, sposób przetwarzania. W programie można ustalić czas rozpoczęcia rejestracji (jeśli nie jest natychmiastowy), format przekazywania danych oraz szczegóły dotyczące komunikacji z komputerem. Program obsługuje również urządzenia autotestowe, zapewniające kontrolę stanu stacji i lokalizację usterek. [5] 2.3. Układ wizualizacji i transmisji We współczesnych ASM – oprócz zapisu – możliwy jest najczęściej również bezpośredni odczyt mierzonych i obliczanych wielkości oraz ich przesyłanie. Zdalne metody przesyłania informacji umożliwiają zdalny dostęp do danych meteorologicznych, a więc ich pobieranie, jak też wszelkie inne czynności związane z obsługą stacji, np. programowanie, kontrolę i in. Wyprowadzanie i transmisja danych wykonywane jest za pośrednictwem łącz kablowych różnych typów: telefonicznych, radiowych oraz satelitarnych. Sygnał cyfrowy na wyjściu rejestratora nie może być przesyłany za pomocą linii komunikacyjnych. Dlatego niezbędnym elementem każdej telemetrycznej stacji automatycznej jest modem. Modem (MOdulateDEModulate) zamienia sygnały cyfrowe na impulsy częstotliwościowe przy nadawaniu i odwrotnie przy odbiorze informacji. Sygnały częstotliwości są wysyłane i rejestrowane za pomocą anteny nadawczoodbiorczej. [6] 2.4. Mikrokontrolery Mikrokontrolery są obecnie powszechnie stosowane do sterowania urządzeniami elektronicznymi. Są to układy scalone składające się z: mikroprocesora, pamięci cyfrowej, urządzeń wejścia i wyjścia. Zależnie od budowy mogą one pełnić różne funkcje, w odniesieniu do ASM – służą przede wszystkim do rejestracji i przetwarzania danych, ale częściowo mogą również odpowiadać za pomiar, wizualizację, transmisję. Mikroprocesor Mikroprocesor jest głównym najważniejszym elementem mikrokontrolera, a więc rejestratora i zbierania danych w ogólności. Jest to układ scalony, który uruchamia program i zgodnie z nim pobiera, przetwarza i zapisuje dane z czujników, steruje działaniem wszystkich elementów oraz komunikacją wewnętrzną i zewnętrzną. Mikroprocesor stanowi jednostka centralna (ang CPU Central Processing Unit, procesor główny) oraz zegar czyli generator taktujący. CPU składa się z trzech podstawowych części: jednostki arytmetycznologicznej (ang ALU Arithmetic Logic Unit), która umożliwia realizacje działań logicznych, arytmetycznych i porównań na danych, 18 jednostki sterującej (ang CU Control Unit ), dekodera rozkazów, którego zadaniem jest pobieranie kodów instrukcji i ich wykonywanie oraz sterowanie pozostałymi blokami, zespołu rejestrów, które przechowują argumenty i tymczasowe wyniki obliczeń; Zegar cyfrowy – tzw generator taktujący wyzwala cykl pomiarowy, wymusza na mikroprocesorze wykonanie kolejnego kroku, a więc synchronizuje pracę systemu; elementem taktującym jest w nim dołączony zewnętrznie oscylator, rezonator kwarcowy, który stanowi wzorzec częstotliwości; Pamięć cyfrowa Rozwój pamięci mikrokontrolerów w głównej mierze determinował rozwój rejestratorów. Pamięć cyfrowa służy do przechowywania programu, stałych danych i parametrów, wyników pomiarów oraz chwilowych wyników obliczeń. Są dwa główne typy pamięci: pamięć stała, tylko do odczytu (Readonlymemory ROM) oraz pamięć operacyjna, zapisywalna o swobodnym dostępie (tzw Random access memory RAM). Główne parametry pamięci to pojemność oraz szybkość działania. W pamięci RAM przechowywane są aktualnie wykonywane programy i niezbędne do ich działania dane, wyniki częściowych obliczeń, komunikaty. Pamięć ta jest ulotna, jej zawartość jest tracona w momencie zaniku napięcia zasilania, dlatego wyniki pracy programu muszą być zapisywane na jakimś nośniku informacji, np. karcie magnetycznej. Z pamięci ROM mikroprocesor może tylko czytać informacje, zapisane są w niej program stacji oraz niezmieniające się w czasie pracy stałe dane, np. niezbędne do pracy urządzenia, ustawienia czujników itp. Pamięć ta jest nieulotna, działa również po wyłączeniu zasilania. W ciągu kilkunastu ostatnich lat nastąpiło znaczne ulepszanie pamięci ROM w sposób umożliwiający ponowne programowanie ich zawartości. Dzięki temu urządzenia konstruowane w oparciu o mikrokontrolery mogą korzystać z nowych wersji oprogramowania napisanych już po zbudowaniu samych urządzeń. Ogólnie pamięci nieulotne mogą być jednokrotnie zaprogramowane w czasie produkcji (ROM ), ale coraz częściej i powszechniej stosuje się ich odmiany, które mogą być programowane przez użytkownika (PROM). Wśród nich można wyróżnić pamięć: PROM – standardową, jednokrotnie programowalną, EPROM programowalną elektrycznie z możliwością kasowania ustawień promieniami UV, EEPROM – wielokrotnie programowalną i kasowalną impulsami elektrycznymi. Bardziej rozwinięta, szybszą formą EEPROM jest pamięć ROM wykonana w tzw technologii flash (pamięć flash ROM), szczególnie chętnie stosowana w nowoczesnych systemach. Różni się ona sposobem kasowania i zapisu, który umożliwia łatwe i znacznie częstsze zmiany w programie. Bardzo szybki wzrost pojemności pamięci ROM i możliwość łatwego, ponownego zapisu ich zawartości spowodowały, że zaczęto je stosować także do zapisu mierzonych wielkości. Urządzenia wejścia/wyjścia Są nimi standardowe układy umożliwiające współpracę z pozostałymi elementami stacji (np. ustawianie i odczytywanie sygnałów, sterowanie układami wewnętrznymi). 19 2.5. Zasilanie ASM Zasilanie w dużej mierze zależy od rodzaju stacji, a konkretnie dostępności i rodzaju źródeł zasilania w miejscu instalacji. W rejonach trudnodostępnych np. stosuje się źródła zasilania o małym poborze mocy, które muszą zapewnić działanie systemu w przeznaczonym do zebrania danych czasie. Istotnym problemem stacji automatycznych są awarie źródeł zasilania oraz uszkodzenia przepięciowe mikroprocesora, układów pomiarowych, urządzeń wyjścia. Dlatego ważnym elementem są dodatkowe źródła zasilania oraz systemy zabezpieczeń przepięciowych. W skład bloku zasilania oprócz źródeł zasilania (głównych, pomocniczych oraz zapasowych) wchodzą przetworniki, stabilizatory napięć i sieciowe zabezpieczenia przepięciowe. Źródłem zasilania mogą być sieci energetyczne, akumulatory, krzemowe baterie słoneczne, generatory wiatrowe. [2] 3. Zalety ASM Automatyczne stacje meteorologiczne są coraz powszechniej stosowane ze względu na znaczną przewagę jaką mają nad stacjami tradycyjnymi. Stacje takie mogą działać dłuższy czas bez nadzoru – wymagają wizyt jedynie w celu zebrania danych, naprawy lub rutynowej kontroli, a i te wraz z rozwojem i udoskonalaniem systemów, a zwłaszcza zastosowania telemetrii mogą być coraz rzadsze. Układy automatyczne są rozwiązaniem ekonomicznym – zarówno ze względu na coraz mniejsze koszty samej aparatury jak i łatwą, a więc i tanią obsługę. Rejestracja, przetwarzanie i przekazywanie danych przebiega znacznie szybciej niż sposobami tradycyjnymi. Układy takie są bardziej niezawodne, a pozyskiwane dane dokładniejsze i, co ważne, porównywalne pomiar automatyczny pozbawiony jest subiektywnych błędów, które wprowadza obecność obserwatora. Stacje takie mogą mierzyć wiele parametrów meteorologicznych jednocześnie; dane zbierane są w sposób ciągły przy dowolnym, również dowolnie krótkim kroku czasowym. Pozwala to rejestrować więcej szczegółów, obserwować też szybkozmienne zjawiska pogodowe. Zastosowanie układów mikroprocesorowych i cyfrowa forma uzyskanych danych wyników stwarza szerokie możliwości ich dalszego przetwarzania. Oprócz pomiarów parametrów podstawowych można wyznaczać wielkości dodatkowe, których uzyskiwanie jest czasochłonne lub niemożliwe przez obserwatora (np. intensywność opadu, dowolne wartości średnie, dokładne czasy wystąpienia wartości ekstremalnych) oraz parametry pochodne, wielkości wtórne (np. punkt rosy, temperatura odczuwalna). Możliwa zaawansowana analiza statystyczna danych dostarcza znacznie więcej dodatkowych informacji o pogodzie, pozwala pełniej wykorzystać wykonywane pomiary. Stacje automatyczne realizują automatycznie złożone procedury oceny jakości danych, stanu technicznego aparatury przyrządu systemu, sygnalizują awarie, dzięki temu zapewniając znacznie lepszą kontrolę jakości pomiarów. Dzięki rozwojowi metod wizualizacji możliwy jest bezpośredni i ciągły dostęp do wyników pomiarów. Zastosowanie zdalnych metod transmisji pozwala na sprawne przesyłanie danych na bieżąco na duże odległości, co jest kluczowe w prognozowaniu pogody. Zdalna rejestracja 20 umożliwia też wczesne wykrywanie i korektę wszelkich nieprawidłowości w funkcjonowaniu stacji i ogranicza do minimum konieczność wizyt w miejscu pomiarów. Jest to szczególnie istotne w rejonach trudnodostępnych, o ekstremalnych lub niebezpiecznych warunkach środowiskowych. Dane podlegają automatycznej archiwizacji – powstająca baza danych może być w różny sposób wykorzystywana. Automatyzacja pomiarów niesie ze sobą jednocześnie pewne dodatkowe wymagania. Stosowane w stacjach układy pomiarowe muszą mieć odpowiednie parametry umożliwiające pracę bez nadzoru przez ustalony czas. Metody automatyczne nie mogą być stosowane w przypadku obserwacji nieinstrumentalnych, wykonywanych obecnie metodami subiektywnymi. W ostatnich czasach opracowywane są jednak automatyczne wizualizacyjne metody ściśle związane ze zdalnymi metodami rejestracji, które w prosty sposób mogą byś zintegrowane w stacjach automatycznych. By wyniki były porównywalne niezbędna jest również racjonalizacja i ujednolicenie algorytmów przetwarzania danych stąd wprowadzane procedury unifikacji dotyczące stosowanych przyrządów i procedur pomiarowych. Zbierane w celach synoptycznych dane muszą być zgodne z wymaganiami WMO oraz kompatybilne ze stacjami obsługowymi. Producenci urządzeń automatycznych niekiedy nie dostarczają szczegółowych informacji dotyczących zastosowanych czujników i układów elektronicznych, jak też algorytmów przetwarzania, a takie wiadomości często mogą pomóc w zrozumieniu obserwowanych przesunięć i anomalii w wynikach. 4. Zastosowanie ASM ASM wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie istotne i potrzebne jest regularne rejestrowanie wartości parametrów meteorologicznych, znajomość warunków pogodowych. I Ogólniej automatyczne systemy pomiarowe – są stosowane ta, gdzie ważne jest ciągłe kontrolowanie parametrów, które są przez te układy mierzone. Rola systemów automatycznych jest szczególnie duża na obszarach bezludnych, o ekstremalnych warunkach środowiskowych lub klimatycznych, jak pustynie, obszary podbiegunowe wysokie góry, gdzie stacje często bywają jednorazowego użytku, a możliwość zdalnego dostępu do rejestrowanych informacji jest podstawową zaletą. Układy takie wykorzystywane są jako pojedyncze stacje pomiarowe lub komponenty mezoskalowych automatycznych sieci pomiarowych. Gromadzone przez nie dane mogą stanowić podstawę badań naukowych oraz długoterminowego monitoringu. Stacje automatyczne są więc składnikami sieci monitoringu wód, gleb, powietrza (np. jakości powietrza miejskiego). W oparciu o takie sieci pomiarowe działają wszelkie systemy wczesnego ostrzegania, np. przeciwlawinowego, przeciwpowodziowego, przed osuwiskami, pożarami, kumulacją skażeń. Sieci stacji meteorologicznych są podstawą działania systemów osłony lotnisk, opracowywania prognoz pogody. Powstające bazy danych pozwalają realizować różnorodne projekty badawcze z zakresu meteorologii, klimatologii, hydrologii, oceanologii. W rolnictwie, sadownictwie, leśnictwie, hodowli informacje o warunkach środowiskowych, 21 zwłaszcza atmosferycznych pomagają właściwie zorganizować działania w celu maksymalnej efektywności i zminimalizowania strat, często silnie zależnych od pogody. W wielu dziedzinach przemysłu, transporcie układy automatyczne nadzorują działanie systemów, urządzeń przez pomiar ich parametrów technicznych. Właściwe warunki pracy decydują o efektywności, wydajności produkcji, zużyciu energii, bezpieczeństwie. Do kontroli warunków wewnątrz budynków potrzebne są również informacje o warunkach zewnętrznych – umożliwia to ekonomiczne i sprawne działanie systemów grzewczych, klimatyzacyjnych. Wszelkie inwestycje wymagają kontroli parametrów środowiskowych w otoczeniu i zmian, jakie mogą wywołać. Jest to szczególnie ważne w przypadku inwestycji potencjalnie szkodliwych oraz w rejonach podwyższonego ryzyka, np. katastrof ekologicznych. Znajomość warunków środowiskowych może też być istotna i użyteczna przy planowaniu np. organizacji zawodów sportowych. A sama tak dokładna obserwacja i rejestrowanie pogody jest też wspaniałym, tyle że kosztownym hobby. ASM to również potencjalnie bardzo użyteczne narzędzie edukacyjne – umożliwiające aktywne, zintegrowane uczenie się, zdobywanie różnorodnych umiejętności i szerokiej wiedzy o świecie. W wielu krajach ASM stają się popularną i chętnie stosowaną pomocą naukową, a zbierane dane – podstawą do tworzenia różnych, również międzynarodowych, programów i projektów edukacyjnobadawczych. Współcześnie ASM i ogólniej automatyczne systemy zbierania, gromadzenia i przetwarzania danych środowiskowych (meteorologicznych hydrologicznych i oceanologicznych) są budowane w wielu odmianach przez różne firmy. Zbudowane są z elementów wysokiej jakości, z zastosowaniem najnowszych rozwiązań technicznych, elektroniki mikroprocesorowej i miernictwa cyfrowego. Są one kompaktowe, odporne na warunki zewnętrzne, łatwe w instalacji i obsłudze; często są też dostępne w wersji bezprzewodowej, wyposażone w dodatkową antenę umożliwiającą komunikację ze stacją na dużej odległości. Mają niewielki pobór mocy, mogą być zasilane bateriami, najczęściej również słonecznymi. Dostępne są w wielu modelach, układach, często dostosowanych do konkretnych zastosowań i wymagań, ale jest możliwe ustawianie własnej konfiguracji czujników. Stacje mają proste oprogramowanie, umożliwiające jednocześnie zaawansowaną analizę danych i własne ustawienia programowe. [11,12] 22 II. Automatyczna stacja meteorologiczna Wydziału Fizyki (ASM WF) 1. Budowa ASM opisywana w pracy została wykonana na zajęciach “Sterowanie z wykorzystaniem komputera” jako jeden z projektów, będących przykładem praktycznego zastosowania komputera w sterowaniu zewnętrznymi urządzeniami [7]. Stacja ta stanowi układ mikroprocesorowy oparty na mikrokontrolerze. Mikrokontroler zawiera pamięć programu i danych, mikroprocesor i jest połączony z następującymi urządzeniami wejścia/wyjścia: termometrem cyfrowym przetwornikiem A/C zegarem czasu rzeczywistego (RTC) kartą pamięci MMC układem interfejsu szeregowego do komunikacji z komputerem PC T p RH µC – mikrokontroler T – termometr cyfrowy A/C – przetwornik A/C p – analogowy czujnik ciśnienia RH – analogowy czujnik wilgotności RTC – zegar czasu rzeczywistego MMC – karta pamięci PC – komputer A/C RTC µC PC MMC Rys. III.1. Schemat opisywanej ASM Wymienione urządzenia można zgrupować w trzy wcześniej wyodrębnione podstawowe układy każdej stacji pomiarowej: 1. Przyrządy pomiarowe: termometr przetwornik A/C do czujników analogowych Zastosowanym układem dopasowującym sygnał jest dzielnik napięcia do czujnika ciśnienia. 2. Układ rejestracji : karta MMC zegar RTC Karta zawiera 15440 512 bitowych sektorów, tworzących 64 MB pamięci flash ROM. Zegar RTC – oprócz niezbędnego zewnętrznego rezonatora kwarcowego zaopatrzony jest w baterię, by w przypadku przerwy w zasilaniu kontynuować odmierzanie czasu. 23 3. Układ transmisji interfejs szeregowy umożliwiający wymianę danych z komputerem W stacji wykorzystywane są cztery różne interfejsy transmisji szeregowej do komunikacji z urządzeniami wejścia/wyjścia: • standardowy RS232 ( 9 przewodowy, do komputera PC) • SPI ( 3 przewodowy, do karty MMC) • I2C ( 2 przewodowy, do zegara RTC) • One Wire (1 przewodowy, do termometru cyfrowego) ; Właściwe zasilanie zapewniają dwa stabilizatory napięcia (na 3.3 i 5 V). Wymienione elementy umieszczone są na trzech płytkach drukowanych: czujników (z przetwornikiem A/C) mikrokontrolera, interfejsu (z pozostałymi układami). Płytka czujników umieszczana jest w miejscu wykonywania pomiarów, dwie pozostałe w pobliżu komputera. Brak połączenia tych dwóch płytek w jedną wynika z faktu, że płytka mikrokontrolera została zaadoptowana z innego projektu. mikrokontroler> <zegar RTC <karta MMC Rys. III.2. Płytka interfejsu i mikrokontrolera. 24 <termometr cyfrowy przetwornik A/C > czujnik wilgotności > < czujnik ciśnienia Rys. III.2. Płytka czujników. Oprogramowanie Mikrokontroler zawiera pamięć programu flash ROM (2KB) oraz pomocniczą operacyjną pamięć danych RAM (128 B). Zapis kodu programu i danych w rozłącznych obszarach pamięci umożliwia szybsze działanie. Zastosowanie pamięci flash ROM pozwala na wielokrotne i łatwe programowanie układu. Program mikrokontrolera (stacja) obsługuje: termometr układ przetwornika A/C układ zegara czasu rzeczywistego ( z nieulotną pamięcią RAM 64 B) układ karty pamięci MMC (64 MB pamięci flash ROM) układ transmisji szeregowej komputera PC Program dokonuje w stałych i ustalonych odstępach pomiarów napięć na przetworniku i odczytuje temperaturę z termometru cyfrowego. Wyniki wraz z aktualnym wskazaniem zegara (datą i godziną ) zapisywane są w kolejnym sektorze karty pamięci. Zmienne – numer sektora idx oraz krok czasowy dt są zapisywane w nieulotnej pamięci zegara, co umożliwia kontynuację zapisu po przerwie w zasilaniu z takim samym odstępem czasu. Wyniki zapisują zaledwie 36 bajtów z 512 bitów każdego sektora. Program wykrywa koniec karty i wraca na początek – nowe dane nadpisują stare. Okres przechowywania danych (do nadpisania) zależy od ustalonego kroku czasowego (częstości wykonywania pomiarów). Podstawowym programem współpracującym ze stacją jest program stacjad, który umożliwia zgranie wyników z karty MMC oraz udostępnia wyniki przez Internet. Komunikacja z komputerem zachodzi przez port szeregowy za pomocą programamów setup i sektory. Program setup pozwala odczytać aktualne wskazania zegara oraz wartości idx i dt, dane z wybranego sektora karty, ustawić nowe wskazania zegara i wartości zmiennych idx i dt. Program sektory pozwala zapisać do pliku dane z dowolnych wskazanych sektorów. 25 Czujniki Stacja posiada czujniki: ciśnienia, wilgotności i temperatury. Czujnik ciśnienia ma formę krzemowej membrany, której ugięcie związane z różnicą ciśnienia mierzone jest tensometrycznie. Układ przetwarzania sygnału oraz kompensacji temperaturowej jest wbudowany w układ scalony. [9] Miernikiem wilgotności jest cienkowarstwowy polimerowy higrometr pojemnościowy. Czujnik zbudowany jest z platynowych elektrod (będących okładkami kondensatora) oraz polimerowego higroskopijnego dielektryka, stanowiącego część czynna czujnika. W wyniku zmian wilgotności zmieniają się własności dielektryczne polimeru, a więc i pojemność kondensatora. Układ przetwarzania sygnału jest wraz z czujnikiem wbudowany w układ scalony. Kilkuwarstwowa budowa zapewnia dobrą ochronę przed zanieczyszczeniami(takimi jak tłuszcz, kurz, brud), które utrudniają dostęp pary wodnej do dielektryka, co znacznie spowalnia działanie czujnika. Zastosowany typ czujników – jak zostało wcześniej wspomniane – ma bardzo dobre parametry techniczne. Higrometry te są szybkie, liniowe, wykazują długookresową stabilność; jako jedne z niewielu czujników obejmują prawie cały zakres zmienności wilgotności i dają wskazania również przy bardzo niskich wartościach. Ze względu na niewielki efekt temperaturowy mogą być wykorzystywane w dużym zakresie temperatur bez kompensacji. Jednocześnie wykazują mniejszą dokładność przy wysokich wilgotnościach. Już przy wilgotności powyżej 95 % zazwyczaj zachodzi kondensacja. Skroplona para powoli paruje przy dużej zawartości pary wodnej, dlatego czas potrzebny na ponowne prawidłowe działanie czujnika po kondensacji lub zamoczeniu jest znacznie dłuższy niż standardowy czas odpowiedzi w tym czasie czujnik wskazuje 100 % wilgotność. Przy dłuższej niż 24godzinna ekspozycji na wilgotność ponad 95 % może nastąpić trwałe zawyżenie wskazań o 23 %, które można usunąć przez umieszczenie czujnika na kilkanaście godzin w środowisku o bardzo niskiej wilgotności (poniżej 10 %). [11] Do pomiaru temperatury zastosowano termometr cyfrowy. Jest to prawdopodobnie termometr termistorowy, jak większość cyfrowych czujników temperatury, niemniej zasada działania nie została podana przez producenta. Każdy termometr ma własny kod (zapisany w pamięci ROM), dzięki czemu wiele czujników może być podłączonych do jednego mikroprocesora. W nieulotnej pamięci EEPROM można zapisać ustawienia alarmowe oraz rozdzielczość odczytu temperatury. [8] W tabeli zestawiono podstawowe parametry zastosowanych czujników. termometr cyfrowy czujnik ciśnienia czujnik wilgotności własność T [°C] p [hPa] RH [%] zakres pomiarowy 50 + 120 1501150 0100 0.5 15 2 dokładność 26 2. Kalibracja czujników Wszystkie instalowane w stacjach przyrządy pomiarowe wymagają kalibracji oraz okresowego sprawdzania. Dlatego niezbędne do prawidłowego działania stacji było skalibrowanie użytych czujników. Istnieją określone reguły i standardy dotyczące kalibracji z wykorzystaniem ustalonych wzorcowych przyrządów pomiarowych. W stosowanych programach wzorcowniczych większości mierzonych parametrów stosuje się dwie podstawowe metody: porównawczą, w której porównuje się wskazania przyrządu sprawdzanego i kontrolnego (wzorcowego), umieszczonych w takich samych warunkach pod względem badanego parametru, punktową, w której dokonuje się pomiaru badanej wielkości w określonych warunkach – przy znanej i ustalonej wartości parametru. Do kalibracji czujników stacji użyto standardowych przyrządów mierzących badane parametry oraz, kiedy to było niezbędne, odpowiednich układów pomiarowych prostej konstrukcji. Termometr cyfrowy wymagał standardowej kalibracji, natomiast czujniki analogowe (ciśnienia i wilgotności) wyskalowania w odpowiednich jednostkach. Szukane zależności ustalono metodą regresji liniowej Zarówno do obliczeń jak i graficznej prezentacji skorzystano z programu Matlab. 2.1. Kalibracja termometru Do kalibracji termometrów meteorologicznych stosuje się obie wspomniane wcześniej metody. Jako punkty stałe (temperatury odniesienia) najczęściej wybiera się temperaturę: topnienia lodu, wrzenia wody oraz zamarzania rtęci. Jednocześnie metodę tą stosuje się dość rzadko, ze względu na koszt urządzeń wzorcowniczych. Do wykonywania pomiarów porównawczych niezbędne jest zapewnienie jednorodnego rozkładu temperatury w otoczeniu obu czujników sprawdzanego i wzorcowego oraz możliwości ciągłej i kontrolowanej zmiany tego parametru. Urządzenia wzorcownicze, zapewniające odpowiednie warunki – termostaty – składają się z komory termostatycznej oraz tzw instalacji chłodniczej z czynnikiem chłodzącym, która pozwala ustalić określoną temperaturę otoczenia komory. Elektryczne mieszadło zapewnia jednorodny rozkład temperatury w zastosowanym płynie chłodzącym. W kalibracji termometru cyfrowego użyto platynowego termometru oporowego Pt100, stosowanego jako wzorzec dla innych termometrów w laboratorium, ze względu na jego dużą stabilność. Czujnik ten podłączony był do przetwornika, źródła zasilania i woltomierza. Przetwornik zamieniał napięcie na temperaturę zgodnie z ustaloną zależnością. Jako komory termostatycznej użyto puszki, w której umieszczono termometr wzorcowy i płytkę z czujnikami. Rolę instalacji chłodzącej pełniło naczynie wypełnione wodą, w którego pokrywę wmontowane było mieszadło elektryczne, zapewniające jednorodną temperaturę czynnika chłodzącego. Do likwidacji ewentualnych gradientów temperatury wewnątrz puszki, służył wirnik wbudowany w jej pokrywę. Schemat układu przedstawia rysunek III.4. 27 Z P V Z Z Z I µC PC Pt – platynowy termometr wzorcowy ASM – temometr cyfrowy na płytce czujników I – płytka interfejsu µC – płytka mikrokontrolera Z – zasilanie P – przetwornik V – woltomierz ASM Rys. III.4. Schemat układu do kalibracji termometru cyfrowego. Wykonano cztery serie pomiarowe, rejestrując trzykrotnie powolny wzrost temperatury podczas ogrzewania mieszaniny wody z lodem i jednokrotnie spadek temperatury przy ochładzaniu ciepłej wody. Przebieg serii pomiarowej wyglądał następująco: do naczynia wrzucany był lód (lub wlewana gorąca woda), po czym wewnątrz naczynia mocowano uszczelnioną puszkę z płytką czujników. Pomiary termometrem cyfrowym rejestrowane były automatycznie z ustalonym krokiem czasowym, w pewnych odstępach czasu notowano wskazania przetwornika, które w dalszej kolejności były przeliczane na jednostki temperatury. Do wyznaczenia zależności między temperaturą obu termometrów porównano ich wskazania w tych samych momentach. Dane z termometru cyfrowego do analizy wybrane zostały metodą interpolacji. Dokonano selekcji punktów odrzucono te, w których przebieg zmian temperatury był szybki lub niestabilny. Na kolejnych wykresach przedstawiono zmiany temperatury mierzonej termometrem cyfrowym w trakcie przeprowadzonych kalibracji. Zaznaczono także wyniki pomiarów termometrem wzorcowym wszystkie wykonane (a) oraz wzięte do analizy (b). 28 a b Rys.1. Przebieg zmian temperatury w pomiarach kalibracyjnych – ochładzanie (17 IV) a b 16 IV 24 IV 7 V Rys. 2. Przebieg zmian temperatury w pomiarach kalibracyjnych – ogrzewanie. 29 Na wykresach łatwo zauważyć reakcję czujnika cyfrowego na wszelkie zmiany w układzie pomiarowym: • włączanie wirnika i związany z tym spadek temperatury przy ochładzaniu (seria 17IV) • wyjęcie płytki z czujnikami (ok godz 13), dolanie wrzątku (ok godz 16) w serii z 16 IV . Widać też jak powoli zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem. Między wskazaniami obu termometrów szukano zależności w przybliżeniu liniowym, postaci T Pt =a∗T asm b [°C] Znalezione współczynniki dopasowania: a= 0.98±0.00 b= 0.62±0.00 [°C] (otrzymano dużą dokładność dopasowania prostej) Uzyskaną zależność Tpt (Tasm) przedstawiono na rysunku 3; na wykresie b) odznaczono kolorami poszczególne serie pomiarowe. a b Rys. 3. Zależność między temperaturą termometru wzorcowego (TPt) i badanego (Tasm). 2.2. Kalibracja czujnika ciśnienia Przy kalibracji mierników ciśnienia korzysta się z układu, który umożliwi wytworzenie wokół czujnika ciśnień z wymaganego zakresu oraz kontrolę ich wartości. Standardowo służą do tego komory ciśnieniowe, w których umieszcza się badany czujnik połączony z pompą i barometrem wzorcowym. Pompa wytwarza wymagane nadciśnienia i podciśnienia, odczytywane na barometrze wzorcowym, np. manometrze. Do kalibracji czujnika ciśnienia w opisywanej stacji zastosowano prostszy układ. Konstrukcja składała się z pompki i manometru wodnego, który ze względu na małe rozmiary czujnika spełniał też funkcję komory ciśnieniowej. Jeden koniec rurki połączony był z czujnikiem i pompką, drugi był w kontakcie z otaczającym powietrzem. Do obu ramion rurki przymocowana była taśma miernicza. Opisany układ przedstawiono bardzo schematycznie na rysunku III.5. 30 p Rys. III.5. Schemat układu do kalibracji czujnika ciśnienia. Za pomocą pompki zmieniano ciśnienie działające na czujnik, które z kolei wpływało na położenie słupa wody w manometrze. Odczytywano wysokość słupa wody w obu jego ramionach, jednocześnie notując wskazywane wartości napięcia. Z różnicy poziomów wody w manometrze wyliczano całkowite ciśnienie (atmosferyczne i hydrostatyczne) wywierane na czujnik. Aktualną wartość ciśnienia atmosferycznego określano na podstawie danych z automatycznej stacji w Ursusie, skorygowanych o różnicę wysokości. W warstwach przy powierzchni ziemi stopień baryczny wynosi około 8m taką wartość przyjęto w obliczeniach, przeliczając aktualne ciśnienie atmosferyczne. Różnicę wysokości między stacjami ustalono na podstawie informacji o położeniu stacji w Ursusie (110 m) oraz pomiaru aktualnej wysokości opisywanej stacji WF za pomocą GPS (128 m). 18 p= pU − [ hPa] 8 p – ciśnienie na poziomie stacji WF, pU ciśnienie na poziomie stacji w Ursusie. Ciśnienie hydrostatyczne wyznaczono ze standardowego wzoru ph = g h gdzie: g przyciąganie grawitacyjne (przyjęto średnią wartość), h różnica poziomów wody w manometrze (odczytana) , gęstość wody (przyjęto tablicową wartość w aktualnej temperaturze). Wykonano dwie serie pomiarów, otrzymując pary odpowiadających sobie wartości – ciśnienia i sygnału napięciowego czujnika ciśnienia. Szukano między nimi zależności postaci: p=a∗U b [hPa] 31 Znalezione współczynniki dopasowania: a= 304.31±3.18 [hPa / V] b= 120.21±28.01 [hPa] Otrzymaną zależność p (U) przedstawia rys 4. Rys.4. Zależność między ciśnieniem a napięciem na wyjściu czujnika ciśnienia. Ciśnienie jest parametrem zależącym od temperatury. Zastosowany w stacji przyrząd pomiarowy jest, według informacji producenta, wewnętrznie skompensowany temperaturowo w zakresie mierzonych ciśnień. Niemniej można by było wykonać dodatkową kalibrację w różnych temperaturach, by to sprawdzić. 2.3. Kalibracja czujnika wilgotności Sprawdzanie przyrządów do pomiaru wilgotności wykonuje się również dwiema podstawowymi metodami porównawczą i punktową. Metodę punktową stosuje się tylko w kalibracji czujników elektrycznych, korzysta się w niej ze szczelnych komór oraz używa standardowych roztworów kwasów i soli. W zależności od stężenia i rodzaju tych substancji, nad powierzchnią ich nasyconych roztworów występuje określone ciśnienie pary wodnej, a zatem i znana jest wilgotność. Substancje te służą jako wzorce wilgotności. Metoda porównawcza jest prostsza i tańsza i powszechnie stosowana. Kalibrację wykonuje się przy pomocy wzorcowych psychrometrów wentylacyjnych. Metoda ta jest jednak dosyć wrażliwa na (krótkotrwałe fluktuacje temperatury i wilgotności, ze względu na różne stałe czasowe czujników wzorcowego i badanego. Kalibrację czujnika wilgotności wykonano metodą porównawczą. Kilkakrotnie mierzona była wilgotność powietrza w pomieszczeniu za pomocą psychrometru Assmana, umieszczonego w pobliżu płytki z czujnikami i zestawiana z aktualnym wskazaniem czujnika ciśnienia. 32 Uzyskano odpowiadające sobie pary wielkości – napięcie czujnika wilgotności i wilgotność. Szukano między nimi zależności liniowej postaci [%] RH =a∗U b Znalezione współczynniki dopasowania: a = 29.7±0.6 [% / V] b = 24.6±3.2 [%] Otrzymaną zależność RH (U) przedstawia rysunek 5. Rys. 5. Zależność między wilgotnością a napięciem na wyjściu czujnika wilgotności. Wykonano również kilka prób kalibracji metodą punktową z wykorzystaniem nasyconego roztworu soli umieszczano płytkę z czujnikami w szczelnie zamkniętym słoiku z roztworem. Wyników nie zamieszczono w pracy, ponieważ użyty roztwór nie był standardowy (sól z domieszkami), a wyniki budzą poważne wątpliwości. Pomiary wykonano w zakresie 2050 % wilgotności. Za wilgotność 100 % przyjęto maksymalne rejestrowane przez przetwornik napięcie, co trudno uznać za punkt pomiarowy – stan nasycenia osiągany był również przy niższych napięciach. Dlatego warto byłoby powtórzyć kalibrację – wykonać pomiary porównawcze również w przy niskich i wysokich wilgotnościach. Można by również powtórzyć kalibrację punktową z wykorzystaniem standardowych wzorcowych roztworów, w szczelnych układach. Ze względu na przeprowadzone pomiary kalibracyjne termometru i zachodzącą podczas pomiarów kondensację czujnik wilgotności wskazuje nieco zawyżone wartości. By to skorygować należałoby zgodnie z zaleceniami producenta umieścić czujnik na dłuższy czas w warunkach niskiej wilgotności. 33 Po wykonaniu kalibracji czujników płytka z czujnikami została zamontowana w osłonie radiacyjnej i umieszczona na dachu budynku (rys. III 6). Rys. III.6. Stacja w osłonie radiacyjnej. 3. Zmienność czasowa mierzonych parametrów Korzystając z wyników przeprowadzonych kalibracji i znalezionych zależności p(U) i RH (U), przedstawiono przykładowe przebiegi zmienności parametrów z wybranych dni IVVIII. W IV i V wykonywano pomiary kalibracyjne i rejestrowane były wartości parametrów w pomieszczeniu. Pod koniec maja stacja została umieszczona na zewnątrz budynku. W VI i VII mierzona była temperatura, a w VIII również ciśnienie i wilgotność. Nieciągłości w zapisie zmian parametrów związane były z pracami naprawczymi oraz modyfikacjami układu. • • • • • Na rysunkach poniżej przedstawiono zestawienie zmian ciśnienia, wilgotności i temperatury w pomieszczeniu; zestawienie zmian ciśnienia, wilgotności i temperatury na zewnątrz zmiany wilgotności porównanie wskazań w pomieszczeniu i na zewnątrz; zmiany ciśnienia porównanie wyników ze stacją na Wydziale Geologii i w Ursusie; zmiany temperatury porównanie wskazań w pomieszczeniu i na zewnątrz oraz ze stacją w Ursusie; 34 Na rys 6 i 7 przedstawiono przebieg zmienności wszystkich mierzonych parametrów w pomieszczeniu, w wybranych dniach IV i V. Rys. 6. Zmiany temperatury, ciśnienia, wilgotności IV Rys. 7. Zmiany temperatury, ciśnienia, wilgotności – V 35 • • • Z powyższego zestawienia widać zapis przeprowadzonych kalibracji czujników: zmiany temperatury podczas pomiarów 16IV, 17IV, 24 IV i 8V oraz – niedokończonej z przyczyn technicznych serii pomiarowej z 30 IV, zmiany ciśnienia 16 IV i 5 V, wysokie wartości wilgotności podczas prób kalibracji czujnika wilgotności (metodą punktową) 1416 IV. Można też zauważyć wyraźną korelację między wilgotnością a temperaturą w czasie kalibracji temperatury. W zamkniętej komorze termostatu nawet odrobina wilgoci prowadziła do nasycenia – stąd maksymalne wskazania czujnika. Na kolejnych wykresach zamieszczono przebieg zmian parametrów mierzonych przez czujniki umieszczone w osłonie w ciągu kilkunastu dni sierpnia. Przedstawiono wyniki pomiarów oraz uśrednienia kolejnych dwóch, dziesięciu i dwudziestu pomiarów. a b c d Rys. 8. Zmiany ciśnienia – wyniki pomiarów (a) oraz uśrednienia (b, c, d), VIII. 36 a b c d Rys. 9. Zmiany wilgotności wyniki pomiarów (a) oraz uśrednienia (b, c, d), VIII a b c d Rys.10. Zmiany temperatury wyniki pomiarów (a) oraz uśrednienia (b, c, d), 37 Z wykresów widać, że pomiary czujnikami analogowymi – ciśnienia i wilgotności zawierają zakłócenia. Wynikają one głównie z budowy czujników oraz z działania zewnętrznych układów elektronicznych. Są dwie metody ich likwidacji – filtracja analogowa i cyfrowa. Pierwsza polega na dołączaniu dodatkowych układów elektronicznych, najczęściej obwodów RC. Filtracja cyfrowa to np. uśrednianie kolejnych pomiarów, co zostało właśnie zastosowane [10]. Dzięki uśrednieniu wyników pomiarów wykresy zmienności ciśnienia i wilgotności znacznie zyskały na czytelności. W przypadku temperatury mierzonej czujnikiem cyfrowym – ta procedura nie miała większego znaczenia. Porównując zmiany wilgotności na rysunkach 6, 7 i 9 można zauważyć istotne różnice. W pomiarach na zewnątrz widać pewną, chociaż nieregularną, zmienność dobową. Maksymalne wartości rejestrowano w godzinach nocnych, a więc przy minimalnych temperaturach (rys 9). Przy niższej temperaturze mniejsze jest ciśnienie pary wodnej w stanie nasycenia, a więc większa wilgotność względna. W pomieszczeniu wilgotność jest w przybliżeniu stała i zależy głównie od lokalnych zmian (rys 6,7). Na rys. 9 widać wyraźnie granicę 60 %, poniżej której wilgotność bardzo rzadko spadała. Może to być związane z obecnością w pobliżu lub na powierzchni czujnika substancji higroskopijnej (np. pozostałości po przeprowadzonej wcześniej próbie kalibracji nad roztworem soli), która zakłócała pomiar. Na kolejnych rysunkach przedstawiono przebieg zmian ciśnienia w wybranych dniach IV i V. Zestawiono wskazania czujników ciśnienia automatycznych stacji na Wydziale Fizyki i sąsiedniej stacji Wydziału Geologii i porównano je z pomiarami stacji w Ursusie. Pomiary na WG wykonywane są co godzinę czujnikiem pojemnościowym, pomiary w Ursusie – czujnikiem półprzewodnikowym i są one uśredniane. Rys 11 Zmiany ciśnienia rejestrowane na stacji Wydziału Fizyki (pASM) i Wydziału Geologii (pGeo). 38 a b Rys.12. Zmiany ciśnienia rejestrowane przez: a) stację Wydziału Fizyki (pASM) i Wydziału Geologii (pGeo)'' b) stację w Ursusie. Duża zmienność ciśnienia notowana 16 IV i 6 V związana była z przeprowadzaną kalibracją czujnika. 2628 IV była przerwa w pomiarach w opisywanej stacji połączenie wartości rzeczywiście rejestrowanych prostą jest wynikiem zastosowanej metody graficznej. Z powyższych rysunków widać spodziewane regularności oraz różnice. Przebieg zmian ciśnienia w każdej ze stacji jest zbliżony – warunki baryczne są zazwyczaj jednorodne na większym obszarze. Obserwuje się oczekiwane przesunięcie wartości związane z różnicą wysokości – dla Ursusa i stacji WF jest to 18 m co daje około 2 hPa. Jednocześnie porównanie tych tych trzech przebiegów potwierdza wcześniejsze obserwacje związane z prostą analizą statystyczną, jaką jest uśrednianie. Przy zbyt rzadko wykonywanych pomiarach jest duże prawdopodobieństwo zarejestrowania pojedynczej wartości będącej zakłóceniem. W efekcie wyniki pomiarów mogą nie do końca odpowiadać mierzonej wielkości. Przy pomiarach zbyt częstych natomiast rejestruje się szum, co z kolei zaciera informację. Uśrednianie częstych pomiarów daje najlepsze rezultaty, pozwala uzyskać czytelną i pewniejszą informację o parametrze. 39 Na kolejnych wykresach przedstawiono przebieg zmian temperatury w wybranych dniach IV/V. Rysunki 13 i 14 przedstawiają zmiany temperatury w pomieszczeniu i na zewnątrz. Rys.13. Zmiany temperatury w pomieszczeniu (IV/V) Rys.14. Zmiany temperatury na zewnątrz (VI/VII) Z porównania obu przebiegów widać wyraźne i spodziewane różnice. W pomieszczeniu wystąpiła mniejsza zmienność dobowa i notowane były mniejsze wartości (mimo wcześniejszej pory roku). w porównaniu z wyraźnym cyklem dobowym na zewnątrz. Maksymalne temperatury rejestrowano w godzinach wczesnopopołudniowych. Obserwacje te potwierdza przebieg zmian temperatury z wybranych kilku dni (rys 15). 40 Rys.15. Zmienność dobowa temperatury w wybranych dniach IVVII. Na rysunku 16 porównano przebieg zmian temperatury rejestrowanych przez opisywaną stację w czerwcu z wynikami pomiarów w Ursusie. a b Rys.16. Zmiany temperatury notowane w stacji Wydziału Fizyki (a) i w Ursusie (b) VI 41 Na obu wykresach tendencja zmian temperatury jest bardzo zbliżona – zależy w głównej mierze od warunków synoptycznych, jednorodnych na większym obszarze. Warunki lokalne wpływają na nieco inny przebieg tych zmian i inne notowane wartości. Z przedstawionych przebiegów zmienności widać, że czujniki analogowe wymagają lepszej filtracji szumów. Zastosowane uśrednianie jest skuteczne, jednak przy szybkich zamianach parametru nie jest to metoda najlepsza. Dlatego warto by poprawić jakość uzyskiwanych wyników również na poziomie elektroniki budując lepsze układy przetwarzania sygnału. By badać pogodę trzeba dużej ilości danych i pomiarów wielu parametrów oraz zastosowania zaawansowanych metod statystycznych. Zamieszczone w tym rozdziale wykresy miały wykazać, że nawet z prostej analizy zmienności czasowej tylko trzech parametrów również można uzyskać wiele informacji o atmosferze lub potwierdzić własne obserwacje i intuicyjną wiedzę. Z przedstawionych przebiegów zmian temperatury, ciśnienia i wilgotności doświadczalnie można ustalić zakres zmian i zmienność czasową oraz badać wzajemne zależności między tymi parametrami. Porównanie wyników z danymi z innych źródeł pozwala natomiast zorientować się w zmienności przestrzennej tych czynników meteorologicznych. Sama rejestracja zmian parametrów różnych warunkach pozwala obserwować wszelkie zmiany zachodzące w otoczeniu lub układzie pomiarowym, badać zachodzące procesy. Takie proste pomiary i obserwacje mogą mieć ograniczoną wartość naukową, ale są cenne edukacyjnie. 4. Możliwości rozwoju ASM WF Budowa i uruchomienie automatycznej stacji meteorologicznej było tematem jednego z projektów realizowanych na Wydziale Fizyki. Czujniki w niej wykorzystane wymagały kalibracji i wyskalowania, co było głównym celem niniejszej pracy i zostało wykonane. Obecnie część pomiarowa – płytka z czujnikami – jest umieszczona na zewnątrz w osłonie radiacyjnej. Mierzone są: ciśnienie atmosferyczne, temperatura i wilgotność powietrza, a wyniki zamieszczane na ogólnodostępnej stronie internetowej. Zbudowany układ jest ciekawym przykładem praktycznego zastosowania mikrokontrolerów, ale jednocześnie stanowi podstawowe narzędzie pomiarowe w meteorologii i źródło informacji o pogodzie, a więc jest urządzeniem użytecznym w Zakładzie Fizyki Atmosfery. Dane meteorologiczne niezbędne są do celów synoptycznych, ale również ważne jako informacje dodatkowe w badaniach atmosfery i klimatu. Dlatego też stacja ma być dalej rozbudowana i ulepszana. W planach jest dołączenie dodatkowych czujników: termometru oporowego Pt100, czujnika nasłonecznienia oraz anemometru ultradźwiękowego, jak też kolejnych termometrów cyfrowych. Opracowany ma być również nowy układ elektroniczny z lepszym filtrowaniem zakłóceń i dopasowaniem sygnału. Zmodernizowany ma być układ rejestracji umieszczony na jednej płytce oraz 42 wyposażony w możliwość zasilania z baterii i komunikacji przez port USB. Wprowadzenie tych zmian wymagać będzie korekty i zmian w programie. Zbudowana ASM – zamontowana w ogródku meteorologicznym może stanowić uczelniane obserwatorium meteorologiczne lub też być istotnym elementem, obok innych specjalistycznych przyrządów, planowanej platformy pomiarowej Zakładu. Układ można znacznie rozbudować i ulepszyć, a więc wykonywać przy jego pomocy pełniejsze pomiary. Dzięki karcie pamięci i zasilaniu bateryjnemu urządzenie to może być wykorzystane do pomiarów w dowolnym miejscu. Ze względu na stosunkowo niewielki koszt, względem potencjalnych korzyści, można zbudować kilka takich stacji i prowadzić pomiary różnicowe. Taka prosta ASM to również potencjalne bardzo użyteczne i wartościowe narzędzie edukacyjne. By było ono realną propozycją musi być w zasięgu możliwości finansowych i technicznych przeciętnej szkoły. Pierwszym krokiem byłoby zorganizowanie produkcji gotowych zestawów pomiarowych – płytek drukowanych, czujników i pozostałych niezbędnych elementów elektronicznych oraz osłony radiacyjnej lub obudowy. Obecnie układy scalone i elementy elektroniczne są powszechnie stosowane, a więc coraz tańsze. Złożenie całego układu nie musi być kosztowne. Komplet elementów wraz z dokładną instrukcją umożliwiłby samodzielną budowę takiej stacji w szkole. Niemniej ważne jest zapewnienie źródła informacji i ewentualnej pomocy w każdej dziedzinie związanej z budową i właściwym działaniem stacji oraz z interpretacją i wykorzystaniem uzyskanych wyników. Działająca informacyjna strona internetowa mogłaby też umożliwić wymianę doświadczeń i pomysłów dotyczących pomiarów. Należałoby tylko dotrzeć z tą ofertą do szkół i przekonać nauczycieli, że taka inwestycja się opłaca, jeśli szkoła chce wszechstronnie, w sposób ciekawy i aktywizujący kształcić młodych ludzi, wzbogacać ich wiedzę przyrodniczą i rozwijać różnorodne umiejętności. 43 III. Automatyczna stacja meteorologiczna (ASM) w szkole Gotowe ASM są obecnie coraz powszechniej stosowane w nauczaniu na świecie [14, 15, 16, 17]. Wiele firm produkuje układy dostosowane do potrzeb szkoły[12, 13, 16]. Jednak bardziej edukacyjne i tańsze jest samodzielne wykonanie takiego urządzenia. Przy niewielkich staraniach przeciętna szkoła mogłaby – przy względnie niedużych nakładach finansowych – posiadać działającą ASM własnej konstrukcji. Zmontowanie układu to propozycja dla bardziej aktywnych uczniów. Mając zestaw wszystkich elementów, schemat ich połączeń oraz instrukcję, przy średnio wyposażonej pracowni fizycznej, niewielkiej praktyce, z pomocą nauczyciela, a w razie potrzeb i problemów – również specjalistów z uczelni, korzystając z informacji i wskazówek na uniwersyteckiej stronie internetowej – chętni uczniowie mogą zbudować urządzenie, z którego będzie korzystać cała szkoła. Program obsługi stacji może być wgrany w gotowej wersji, ale również dowolnie modyfikowany – to jest kolejną propozycja samodzielnego działania dla zainteresowanych i chętnych. Stacja podłączona do komputera może automatycznie rejestrować dane, zamieszczać i uaktualniać wyniki pomiarów na szkolnej stronie internetowej. Układ można umieścić w klatce meteorologicznej (np. własnej konstrukcji) i stworzyć szkolną stację pomiarową, której wyniki można porównywać z innymi dostępnymi w Internecie. Dzięki karcie pamięci i zasilaniu bateryjnemu również w szkole stacja może stanowić mobilny układ pomiarowy do wykonywania pomiarów, badania zmienności parametrów meteorologicznych i pogody w dowolnym miejscu. Wyniki pomiarów można wykorzystać na różnych lekcjach: fizyki, geografii, ścieżek międzyprzedmiotowych, kółek zainteresowań, a zwłaszcza na kursie meteorologii – jeśli taki jest prowadzony. Własną ASM stację warto posiadać, gdyż stanowi ona pomocnicze narzędzie w nauce meteorologii i rozwija wiele umiejętności. Doświadczenia, obserwacje i pomiary są podstawowym i najlepszym źródłem informacji we wszystkich naukach przyrodniczych. Pomiary parametrów meteorologicznych powinny być również podstawowym źródłem wiedzy o pogodzie i uzupełnieniem obserwacji. Stacje automatyczne znacznie te pomiary ułatwiają i pozwalają uzyskać z nich więcej informacji. Ciągły dostęp do wyników pozwala śledzić na bieżąco zmiany parametrów i konfrontować je z obserwacjami, dzięki czemu wyrabia się intuicję meteorologiczną kojarzy się zmiany tych parametrów z obserwowaną pogodą. Porównanie ze sobą różnych wielkości meteorologicznych pozwala szukać zależności między nimi i przyczyn tych zależności. Dane można rejestrować z różnym, nawet bardzo krótkim krokiem czasowym, a więc badać również szybkozmienne zjawiska pogodowe. Zapis danych z dłuższego okresu pozwala natomiast badać lokalny mikroklimat. Uzyskiwanie wyników własnych pomiarów może mobilizować i zachęcać do samodzielnego poszukiwania informacji meteorologicznych z innych źródeł. Takie porównania i zestawienia dają nie tylko pełniejszy obraz pogody, ale też świadomość głębszych przyczyn i reguł nią rządzących, Rejestrowane dane można wymieniać z innymi szkołami, posiadającymi stacje meteorologiczne – pozwala to badać wpływ różnych czynników (np. topografii) na pogodę, 44 śledzić przemieszczanie się systemów pogodowych (np. przechodzenie frontu atmosferycznego). Przy międzynarodowej wymianie wyników pomiarów mając dostęp do danych z całego świata można poznawać klimat kuli ziemskiej nie z książek, ale z bezpośrednich pomiarów, co z pewnością daje więcej satysfakcji i jest znacznie skuteczniejszą metodą nauczania. Gromadzone wyniki mogą być punktem wyjścia do zadawania pytań, formułowania problemów, planowania pomiarów, tworzenia projektów badawczych samodzielnie lub we współpracy z innymi szkołami, korzystając również z dostępnych źródeł informacji i pomocy specjalistów. Wzbogaca to wiedzę o pogodzie, zwiększa rozumienie obserwowanych zjawisk atmosferycznych. Przy spełnieniu niezbędnych kryteriów przy pomiarach gromadzone dane mogą być nie tylko użyteczne edukacyjnie, ale i cenne naukowo. Posiadając własną stację meteorologiczną można uczestniczyć w projektach i programach również o skali ogólnoświatowej. Jednym z takich programów jest Globe międzynarodowy program edukacyjnonaukowy koordynowany przez NASA. Zrzesza on szkoły oraz angażuje inne organizacje i ośrodki naukowe. Globe stwarza możliwość wykonywania pomiarów różnych komponentów środowiska przyrodniczego oraz gromadzenia i wymiany wyników przez Internet z innymi uczestnikami i naukowcami. Pomiary prowadzone są w pięciu dziedzinach, w tym również w szerokim zakresie w badaniach atmosfery. Wykonywane są one zgodnie z dokładnymi instrukcjami, z wykorzystaniem najnowszych technologii. Wyniki są porównywane z danymi z innych źródeł, przy współpracy ze specjalistami z tych dziedzin. Dzięki ustalonym zasadom pomiarów tworzona baza danych jest nie tylko wartościowa edukacyjnie, ale też cenna naukowo. Globe prowadzi szkolenia nauczycieli, by jak najpełniej korzystali z możliwości, jakie oferuje ten program. [14] ASM również rozwijają wiele różnorodnych umiejętności. Wykonanie, instalacja i utrzymanie stacji wymaga zastosowania umiejętności technicznych i informatycznych. Tworzenie i prowadzenie własnej strony pogodowej, wymiana danych oraz poszukiwanie informacji stanowi dobrą praktykę we właściwym korzystaniu z Internetu. Analiza i odczytywanie wykresów, map i zdjęć wyrabia wyobraźnię, uczy analitycznego myślenia. Gromadzenie i opracowywanie danych pozwala wprowadzić podstawy statystyki, wskazać jej związek z rzeczywistością i rolę w wyciąganiu informacji z danych pomiarowych. Posiadanie ASM stanowi też okazję do zapoznania uczniów z budową, działaniem i zastosowaniem automatycznych układów pomiarowych, może być punktem wyjścia do uczenia o roli technologii cyfrowej i mikroelektroniki. Pomiar parametrów meteorologicznych jest ciekawym i skutecznym sposobem nauki o pogodzie. Aktywnie zdobyte wiadomości, informacje, samodzielnie sformułowany i rozwiązany problem, wykonany eksperyment i wnioski z niego – dają więcej satysfakcji i na dłużej zostają w pamięci niż wiedza książkowa. Pomiary wykonane ASM mogą stanowić pierwsze, a dla wielu może jedno z nielicznych, zetknięcie się z prawdziwą pracą naukową, prawdziwym, profesjonalnym sprzętem pomiarowym i być okazją do samodzielnego zbierania prawdziwych danych. 45 Wymiana wyników pomiarów, wspólne tworzenie projektów, uczestniczenie w programach edukacyjnych uczy współpracy. Stwarza również możliwość nawiązywania kontaktów ze specjalistami, co stanowić może pierwsze zetknięcie się ze światem nauki. Posiadanie własnej stacji pomiarowej, badanie lokalnego mikroklimatu, prowadzenie szkolnej strony angażuje w życie szkoły i zachęca do wspólnych działań; ten aspekt społeczny na poziomie szkoły jest również istotny. ASM to jednak przede wszystkim narzędzie pomocne w nauczaniu meteorologii, a wprowadzenie elementów tej nauki w edukacji szkolnej wydaje się być ważne. Pogoda tworzy codzienność, dotyczy zjawisk obserwowanych każdego dnia, wpływa na każdą dziedzinę życia. Meteorologia uczy więc o tym co sie dzieje wokół, pomaga zrozumieć istotę zjawisk i procesów atmosferycznych, ich przyczyny, świadomie obserwować to, co nas otacza. Ma też znaczenie bardziej praktyczne pozwala lepiej rozumieć informacje pogodowe oraz prognozy pogody i pełniej z nich korzystać. Jako nauka o atmosferze meteorologia jest jedną z ważniejszych nauk przyrodniczych, łączącą elementy wielu innych i jako taka interdyscyplinarna znakomicie obrazuje jedność przyrody i konieczność zintegrowanego, całościowego nauczania. Meteorologia korzysta z wielu innych dziedzin, najnowszych osiągnięć nauki i techniki, a przez to stanowi świetną okazję, by o tym uczyć i co nawet ważniejsze – zachęcić do samodzielnej nauki. Znajomość podstaw meteorologii zwiększa świadomość przyrodniczą. Większość problemów środowiska jest przynajmniej częściowo związana z atmosferą i pogodą. Wiedząc jak funkcjonuje atmosfera można identyfikować źródła i przyczyny tych problemów. Wobec coraz większego wpływu człowieka na klimat i środowisko, ważne jest kształcenie ludzi o wysokiej świadomości i wrażliwości przyrodniczej. Meteorologia stanowi też wspaniałą ilustrację fizyki w życiu codziennym i podkreśla jej ogromną rolę jako nauki przyrodniczej. Wskazanie podstawowych praw i zasad fizyki w obserwowanych zjawiskach oraz procesach pogodowych i atmosferycznych jest być może szansą na uczynienie z fizyki przedmiotu bardziej lubianego i zmianę nastawienia młodych ludzi do tej nauki. 46 Podsumowanie Na Wydziale Fizyki skonstruowano automatyczną stację meteorologiczna zawierającą czujniki ciśnienia, temperatury i wilgotności. By można było korzystać ze stacji i otrzymywać prawidłowe wyniki należało skalibrować zastosowane czujniki, co było celem niniejszej pracy. Do kalibracji użyto standardowych przyrządów mierzących badane parametry oraz odpowiednich układów pomiarowych prostej konstrukcji. W wyniku serii pomiarów wyskalowano analogowe czujniki ciśnienia i wilgotności oraz skorygowano wskazania termometru cyfrowego. Korzystając z wyników kalibracji przedstawiono przykładowe przebiegi zmienności mierzonych parametrów. Analiza otrzymanych wykresów sugeruje zmiany jakie należałoby wprowadzić w układzie. Wyniki pomiarów czujnikami analogowymi wymagają filtrowania, by wyeliminować szumy związane z budową czujników i działaniem układu elektronicznego. Uśrednianie jest jednym ze sposobów, lepsze rezultaty jednak dałoby dołączenie elektronicznych układów filtrujących. Wyniki kalibracji pozwalają odczytywać wartości parametrów, ale można byłoby powtórzyć pomiary dla obu czujników analogowych. Czujnik ciśnienia jest skompensowany temperaturowo, można to jednak sprawdzić wykonując pomiary kalibracyjne w różnych temperaturach. Czujnik wilgotności wymaga być może dodatkowych działań. Przede wszystkim należy go staranie oczyścić usuwając możliwe zabrudzenia higroskopijne. Dalej należałoby skorygować jego wskazania w warunkach niskich wilgotności. Można powtórzyć kalibrację wykonując pomiary w ciągu całego roku, uzyskując przez to większy zakres zmienności parametru. Dodatkowe punkty do kalibracji można otrzymać stosując standardowe wzorcowe roztwory. Skonstruowana stacja stanowić może bardzo użyteczne narządzie pomiarowe w Zakładzie Fizyki Atmosfery. Dlatego ma być ulepszana i rozbudowana. Planuje się dołączenie dodatkowych czujników, również mierzących inne parametry meteorologiczne oraz układów elektronicznych, które zwiększą dokładność pomiarów. Układ rejestracji ma być konstrukcyjnie uproszczony i ulepszony. Oprócz naukowego zastosowania w badaniach atmosfery automatyczne stacje meteorologiczne stanowić też mogą cenne narzędzie edukacyjne. Dlatego w planach jest również spopularyzowanie tego urządzenia w szkole. Należy w tym celu zorganizować produkcję zestawów elementów niezbędnych do konstrukcji takiej stacji oraz zapewnić źródło informacji i pomocy. Uczelniana informacyjna strona internetowa mogłaby również umożliwić kontakt oraz wymianę informacji, pomysłów i doświadczeń związanych z korzystaniem ze stacji między szkołami. 47 Literatura [1] Guyot G., Phisics of the environment and climate, John Wiley & Sons,1998 [2] Różdżyński K., Miernictwo meteorologiczne, IMGW, Warszawa 1996 [3] Strangeways I., Back to basics: The 'met.enclosure':Part 5 – Humidity, Weather, X 2000, Vol 55, [4] Strangeways I., Back to basics: The 'met.enclosure':Part 9(a) –Automatic weather stations: Temperature, humidity, barometric pressure and wind, Weather, XI 2003, Vol 58, [5] Strangeways I., Back to basics: The 'met.enclosure':Part 10 – Data loggers, Weather, VII 2004, Vol 58, No.7 [6] Strangeways I., Back to basics: The 'met.enclosure':Part 11 – Telemetry by telephone and groundbased radio, Weather, X 2004, Vol 59, No.10 [7] http://www.fuw.edu.pl/~pablo/s/index.html [8] instrukcja użytkowania termometru cyfrowego DS18B20 (http://www.maximic.com/) [9] instrukcja użytkowania czujnika ciśnienia MPX4115A, [10] Motorola semiconductor note. Noise consideration for Integrated Pressure Sensors (http://ewww.motorola.com) [11] instrukcja użytkowania czujnika wilgotności HIH3610 (http://content.honeywell.com/sensing/products/) [12] http://www.campbellsci.co.uk [13] http://www.weatherstations.co.uk [14] http://www.rmets.org [15] http://www.globe.gov [16] http://www.weatherhawk.com [17] http://www.weatherbugachieve.com 48