Wstęp

Od tropików po koła polarne, klimatolodzy, rolnicy i badacze naukowi korzystają z bezobsługowych stacji meteorologicznych do rejestrowania danych. Na przykład amerykański Departament Rolnictwa wykorzystuje stacje meteo do badania wszystkiego, od patologii molekularnej roślin po gospodarkę leśną.

Grupy pozarządowe, takie jak uczelnie, używają stacji meteorologicznych do badania szerokiej gamy tematów, w tym np. wpływu aktywności glacjalnej na temperaturę powietrza. Ponadto firmy komercyjne są zależne od stacji pogodowych w prowadzeniu działalności gospodarczej. Np. właściciele szklarni wykorzystują badawcze stacje meteo do określenia położenia szyb ochronnych w swoich szklarniach.

Stacje pogodowe monitorują parametry środowiska, takie jak temperatura, prędkość wiatru, kierunek wiatru, opady, wilgotność gleby, ciśnienie atmosferyczne i promieniowanie słoneczne (PAR). Naukowcy używający stacji meteorologicznych zazwyczaj wymagają bardzo dokładnych i niezawodnych pomiarów przez długi okres czasu. Co więcej, ich wdrożenia są często zlokalizowane w trudnych warunkach. Ponieważ stacje pogodowe monitorują warunki 24/7 w konkretnym miejscu, naukowcy mogą uzyskać dokładne pomiary, zamiast dokonywać szacunków na podstawie regionalnych danych pogodowych.

Elementy stacji pogodowej

Typowa stacja meteo składa się z rejestratora danych i czujników zamontowanych na metalowym statywie. System zazwyczaj działa na zasilaniu bateryjnym lub kombinacji energii słonecznej i akumulatora. Kluczowe elementy stacji meteorologicznej to:

• Rejestrator danych

• Czujniki

• Kable

• Statyw lub inny system mocowania

• Uziemienie

• Zabezpieczenie sprzętu, np. przewody odciągowe.

Rejestrator danych jest jednostką centralną w stacji pogodowej. Jego głównymi komponentami są mikroprocesor, kanały wprowadzania danych, akumulator i obudowa odporna na warunki atmosferyczne. Użytkownik powinien rozważyć liczbę kanałów wprowadzania danych, które zapewnia rejestrator przed zakupem. Liczba ta określa, ile czujników można dodać do stacji pogodowej. Następnie powinien zastanowić się, jak odporna na warunki atmosferyczne jest obudowa. Dobra odporność na czynniki atmosferyczne zapewnia, że komponenty elektroniczne pozostają suche i działają prawidłowo w mokrych lub w trudnych warunkach zewnętrznych.

Rejestratory danych zapisują i przechowują dane zebrane z czujników w ustalonych odstępach czasu. Użytkownicy pobierają te dane, przesyłając je do komputera PC / Macintosh lub poprzez pendrive, ewentualnie uzyskując do niego dostęp zdalnie przez sieć komórkową, Wi-Fi lub inne rodzaje zdalnej komunikacji.

Miejsce lokalizacji stacji meteo i rozmieszczenia czujników

Umiejscowienie stacji meteorologicznej

Niektórzy użytkownicy potrzebują danych o ogólnych warunkach pogodowych dla danego obszaru. W tych zastosowaniach powinni oni umieszczać swoje stacje pogodowe w otwartych, pozbawionych przeszkód miejscach. Budynki i drzewa mogą wpływać na temperaturę, wilgotność względną, opady, prędkość i kierunek wiatru. Z tego powodu stacje pogodowe powinny znajdować się w odległości co najmniej dziesięciokrotności wysokości pobliskich drzew i budynków, oddalonych od tych przeszkód.

W wielu przypadkach stacje meteorologiczne używane są do pomiaru mikroklimatu. Na przykład użytkownik może mierzyć mikroklimat, aby dowiedzieć się, w jaki sposób podniesienie terenu wpływa na temperaturę na danym obszarze, podczas gdy inne mogą badać, w jaki sposób brak czaszy drzewa wpływa na mikroklimat. Chociaż wytyczne meteorologiczne są pomocne przy ustawianiu stacji meteorologicznych, które mierzą ogólne warunki pogodowe, mogą nie mieć zastosowania do pomiaru określonych mikroklimatów. W takich przypadkach użytkownicy wybierają miejsca właściwe dla ich badań i zazwyczaj korzystają z wielu stacji w różnych lokalizacjach lub poruszają się pomiędzy poszczególnymi stacjami pogodowymi, podczas swoich badań.

Wskazówki dotyczące rozmieszczania stacji meteorologicznej

Użytkownicy zwykle używają statywu podczas rozkładania stacji meteorologicznych. Montują swoje czujniki na statywie lub prowadzą kable do pobliskich lokalizacji. Jeśli korzystamy ze statywu, należy go zabezpieczyć, aby mógł wytrzymać maksymalne możliwe powiewy wiatru w danym miejscu.

Podczas montażu statywu należy zachować porządek i zbudować jak największą część stacji pogodowej w pomieszczeniu. To ogranicza utratę ważnych, małych elementów. Na miejscu należy ułożyć plandekę i umieść wszystkie narzędzia i elementy na górze.

Niektórzy montują czujniki na górnym maszcie statywu, zanim zostaną przymocowane do dolnego masztu. Ułatwia to podłączanie czujników. Aby to zrobić, należy ustawić górny maszt w pozycji pionowej i użyj opasek zaciskowych, aby przymocować go do jednego wspornika nogi i jednej nogi statywu. Po zainstalowaniu ramienia poprzecznego i czujników, należy zdjąć opaski zaciskowe i umieścić górny maszt na szczycie dolnego masztu. Następnie wykonać końcową regulację wysokości i wyrównania czujnika.

Aby zapobiec korozji czujników i portów czujników, dobrą praktyką jest rozpylenie WD40 lub podobnego środka smarnego na portach czujników przed ich podłączeniem. Rejestrator danych powinien zostać zamontowany na maszcie, aby kable wychodziły z dołu rejestratora. Umożliwia to zwisanie kabli, co zapobiega przedostawaniu się kropel wody na kable. Jeśli rejestrator jest wyposażony w otwór wentylacyjny, należy upewnić się, że otwór wentylacyjny jest ustawiony zgodnie z zaleceniem dostawcy, aby zapewnić odpowiednią wentylację.

Następnie należy zakotwiczyć nogi z prętami zbrojeniowymi przez stopy statywu i założyć druty kolczaste i je oznakować, aby ludzie nie wpadali na nie.

Umieszczenie czujników

Po odpowiednim ustawieniu stacji pogodowej czujniki muszą być odpowiednio ustawione, aby uzyskać dokładne pomiary. Poniższy wykaz pokazuje zalecenia dotyczące umiejscowienia niektórych typów czujników:

• Promieniowanie słoneczne PAR: należy montować je na ramieniu lub wsporniku na południowej stronie masztu, jeśli znajduje się on na półkuli północnej, aby nie wszedł w ceń masztu lub innych czujników. Należy podnieść czujnik i go wyprostować.

• Prędkość i kierunek wiatru: należy przymocować go do górnej części masztu i ustawić czujnik kierunku wiatru na 0 lub 360 stopni, gdy skierujemy go na północ. O ile to możliwe, czujniki położenia powinny znajdować się na tej samej wysokości dla wszystkich stacji. Jeśli jeden czujnik jest umieszczony niżej lub wyżej niż inny, danych wiatru nie można bezpośrednio porównać. Prędkości wiatru są zwykle niższe bliżej ziemi.

• Wilgotność gleby: należy go mieścić na obszarze gleby z niewielką ilością kamieni i kamyków. Jeśli sondy dotkną skał lub kamyczków, pomiary mogą być niedokładne. Należy ustawić czujniki wystarczająco daleko od statywu, aby uniknąć ich stania w cieniu statywu.

• Czujnik opadów deszczu: należy umieścić czujnik tak, aby jego wierzchołek znajdował się jeden metr nad ziemią, na oddzielnym maszcie w odległości co najmniej dwa razy większej niż wysokość stacji pogodowej.

• Wilgotność liści: należy go zamontować jak najbliżej czaszy roślinnej. Jednak wystarczająco daleko od drzew, aby liście roślin nie dotykały czujnika. Pomoże to także czujnikom uniknąć kontaktu z opryskiwaczami chemicznymi.

• Ciśnienie barometryczne: należy stosować czujniki barometryczne odporne na warunki atmosferyczne i zamontować je na zewnątrz obudowy rejestratora, ponieważ uszczelki i otwory w obudowie mogą powodować różnice w ciśnieniu wewnątrz obudowy. Wysokość czujnika barometrycznego nie jest czynnikiem istotnym.

Instalowanie czujników wilgotności gleby:

Dokładne sondy do pomiaru wilgotności gleby muszą mieć dobry kontakt z otaczającą ją ziemią. Oto kilka wskazówek, które pomogą w instalacji:

• Należy zamontować sondy czujnikowe w pozbawionej kamieni glebie.

• Aby uzyskać głębsze pomiary wilgotności gleby, trzeba użyj wiertnicy do gleby do wydrążenia otworu. Idealnie powinien być on ustawiony pod kątem tak, aby gleba nad czujnikiem była nienaruszona. Następnie trzeba wepchnąć sondy w nienaruszoną glebę na dnie otworu.

• Należy użyć rury PVC z trzema szczelinami wykonanymi pod kątem 90 stopni na końcu rury: dwie szczeliny dla czujnika i dłuższa szczelina dla kabla.

Po zainstalowaniu czujnika w glebie, należy częściowo wypełnić glebą otwór, umożliwiając osiadanie jej wokół czujnika. Następnie dokładnie nawodnić glebę wokół czujnika, aby gleba całkowicie osiadła wokół czujnika.

Oto kilka ogólnych wskazówek dotyczących umiejscowienia czujników:

• Aby lepiej uwzględnić zmienność przestrzenną, przy parametrach takich jak opady, należy przymocować dwa lub więcej identycznych czujników na tej samej stacji pogodowej. Należy umieścić jeden na statywie, a drugi kilka metrów dalej.

• Generalnie należy unikać umieszczania czujników w pobliżu wież radiowych, telewizyjnych lub mikrofalowych i sprzętu. Silne zakłócenia elektromagnetyczne mogą powodować błędy odczytu czujnika.

• Aby uniknąć śmiertelnego porażenia prądem, nie należy ustawiać stacji pogodowych w pobliżu linii energetycznych. Po prawidłowym ustawieniu czujników na statywie lub w innych miejscach, należy podłączyć kable czujników do rejestratora.

Konfiguracja stacji pogodowej

Podczas, gdy niektóre rejestracje danych stacji pogodowych mogą być trudne do skonfigurowania i często wymagają usług profesjonalnego integratora systemu, dzisiejsze najbardziej zaawansowane systemy nie wymagają programowania ani skomplikowanego okablowania. Zamiast tego, systemy te wykorzystują technologię Smart Sensor, która zapewnia użytkownikowi wydajność plug-and-play: po podłączeniu czujnika do rejestratora danych jest on automatycznie rozpoznawany i może rozpocząć wykonywanie pomiarów. Tego typu architektura systemu może znacznie skrócić czas instalacji i wdrażania oraz ograniczyć lub wyeliminować potrzebę specjalistycznej pomocy integratora.

W niektórych przypadkach czujniki będą wymagać kalibracji przed i okresowo podczas wdrażania. Na przykład pyranometry krzemu muszą być kalibrowane do użytku w warunkach otwartego nieba. Aby dokonać ponownej kalibracji dla mikroklimatu, takiego jak pod zadaszeniem drzew, niektórzy badacze używają dodatkowego pyranometru termopilowego do kalibrowania odczytów dla takich warunków.

Wskaźniki deszczu mogą również wymagać kalibracji. Powinno to być wykonywane na zewnątrz przez wlewanie wody do miernika z kontrolowaną szybkością i sprawdzanie, czy rejestrowana jest prawidłowa ilość symulowanych opadów. Należy wyregulować śruby przeciwdeszczowe, aż zapewnią prawidłowy odczyt.

Wilgotność względna, ciśnienie barometryczne, kierunek i prędkość wiatru oraz czujniki PAR powinny być sprawdzane lub kalibrowane co roku. Niektórzy użytkownicy wymieniają czujniki, które wymagają kalibracji, na czujniki rezerwowe.

Kilka czujników lub stacji pogodowych można sprawdzić względem siebie. Przed rozmieszczeniem grup czujników lub stacji meteorologicznych należy uruchomić je wszystkie w jednym miejscu. Trzeba sprawdź ich dane pod kątem niespójności. Następnie użyć tych danych, aby określić, czy jakiekolwiek czujniki powinny zostać skalibrowane lub wymienione.

Ochrona kabla czujnika

Kosiarki do trawy, traktory i chemikalia mogą uszkodzić przewody czujnika. Ponadto gryzonie, ptaki, bydło i inne zwierzęta mogą gryźć, dziobać lub deptać przewody czujników. Z tego powodu użytkownicy często pokrywają przewody kablami i chronią również kable zakopane w ziemi. Należy użyć węża hydraulicznego, aby przeciągnąć drut i kable przez kanał. Wskaźniki deszczu również wymagają ochrony. Ptaki lubią budować gniazda wewnątrz takich miejsc zachęcających do odpoczynku. Trzeba instalować kolce wokół wskaźnika deszczu, aby odstraszać ptaki.

Właściwe uziemienie

Właściwe uziemienie stacji pogodowej jest wskazane, ponieważ zapewnia ochronę przed zakłóceniami elektrycznymi, a tym samym może pomóc zminimalizować ryzyko awarii systemu w terenie. Zalecany jest pręt uziemniający o dł. 245 cm, ale często wystarcza o dł. 120 cm. W większości przypadków kierowanie uziemiającego pręta bezpośrednio do ziemi jest proste; jednak czasami czynniki danej lokalizacji wymagają kreatywnego myślenia. Jeśli stacja pogodowa znajduje się na dachu przemysłowym, można podłączyć przewód uziemiający do prawidłowo uziemionej obudowy klimatyzatora.

Konserwacja baterii

Rejestratory danych stacji pogodowej są zwykle zasilane zwykłymi bateriami lub akumulatorami. Akumulatory są ładowane energią z panelu słonecznego. Jeśli stacja pogodowa znajduje się w pobliżu równika, 1-watowy panel słoneczny może generować wystarczającą moc, aby dostatecznie naładować akumulatory. Jeśli jednak ta sama stacja pogodowa znajduje się dalej od równika, może być potrzebny 6-watowy panel słoneczny ze względu na mniejszą liczbę godzin słonecznych w określonych porach roku. W niektórych klimatach nawet panel słoneczny o dużej mocy nie wystarcza, aby akumulator był ładowany zimą, zwłaszcza w mgle. W takim przypadku będziemy potrzebować dodatkowych baterii do wykonania kopii zapasowej. (W celu uzyskania szczegółowych zaleceń należy zapoznać się z instrukcją producenta.) W tych ekstremalnych przypadkach należy przeprowadzić analizę budżetu mocy, aby upewnić się, że system ma wystarczającą moc.

Zasadą jest, że co 3 do 5 lat należy wymieniać akumulatory na nowe, a zwykłe baterie raz w roku. Jednak żywotność baterii zależy od interwałów rejestrowania. Na przykład w przypadku niektórych stacji pogodowych, jeśli interwał rejestrowania jest ustawiony na 1 sekundę, akumulatory wystarczą od 30 do 50 dni. Jeśli interwał zostanie ustawiony na 1 minutę, baterie powinny wystarczyć na jeden rok.

Żródło: Onset Computer Corporation