Rev Author Line No. Line
3622 kaklik 1 \documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article}
2 \usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[czech]{babel}
5 \usepackage{graphicx}
6 \textwidth 16cm \textheight 25cm
7 \topmargin -1.3cm
8 \oddsidemargin 0cm
9 \pagestyle{empty}
10 \begin{document}
11 \title{Automatická meteostanice AWS01B}
12 \author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz}
13 \maketitle
14  
15 \thispagestyle{empty}
16 \begin{abstract}
17 Konstrukce autonomní stanice s vlastní autodiagnostikou. Meteostanice by měla pracovat v odlehlých oblastech společně s dalšími vědeckými přístroji, jako jsou například robotické teleskopy.
18 Typickým problémem těchto aplikací jsou omezené energetické zdroje, přenos dat v dlouhých intervalech, ale možnost bezprostředního nahlášení poruchy přes úzkopásmový datový kanál.
19 \end{abstract}
20  
21 \begin{figure} [htbp]
22 \begin{center}
23 \includegraphics [width=80mm] {./img/AWS01B_complete.JPG}
24 \end{center}
25 \end{figure}
26  
27 \newpage
28 \tableofcontents
29  
30  
31 \section{Technické parametry}
32 \begin{table}[htbp]
33 \begin{center}
34 \begin{tabular}{|c|c|c|}
35 \hline
36 \multicolumn{1}{|c|}{Parametr} & \multicolumn{1}{|c|}{Hodnota} & \multicolumn{1}{|c|}{Poznámka} \\ \hline
37 Napájecí napětí & +5V & 100mA \\ \hline
38 Provozní teplotní rozsah & -40 - 80 &
39 \\ \hline
40 \end{tabular}
41 \end{center}
42 \end{table}
43  
44 \newpage
45 \section{Úvod}
46  
47 Měření meteorologických veličin je běžným problémem v technické praxi neboť je jimi značně ovlivněno mnoho procesů nejen zemědělského systému, ale i výzkumných a ekonomických aktivit, je tudíž žádoucí, aby tyto veličiny byly měřeny s vysokou kvalitou a spolehlivostí.
48  
49 Za účelem vývoje speciální meteorologické stanice vybavené autodiaognostikou byly vybrány speciální snímače, které umožňují kromě změření dané veličiny získat ještě nějakou další znalost o stavu zařízení.
50  
51 \subsection{Použité snímače}
52  
53  
54 \subsubsection{Anemometr}
55  
56 Anemometr je v původním provedení založený na použití jazýčkového kontaktu spínaného permanentním magnetem ve dvou polohách na otáčku. Toto provedení ale neumožňuje získat žádnou informaci o směru otáčení lopatek anemometru. Nelze proto detekovat poruchu typu chybějící lopatka na oběžném kole. Na základě nerovnoměrnosti rotačního pohybu. Tato porucha může v extrémním případě vést až k falešnému měření, kdy se bude poslední lopatka na oběžném kole vlivem aerodynamických sil kývat okolo spínací polohy jazýčkového kontaktu. Vzhledem k tomu, že rychlost kývání je v důsledku vzniku vírové struktury za lopatkou úměrná rychlosti větru, tak výstup se senzoru se bude podobat měřené hodnotě.
57  
58 \begin{figure} [htbp]
59 \begin{center}
60 \includegraphics [width=80mm] {./img/Anemometer_original.JPG}
61 \end{center}
62 \caption{Původní řešení anemometru s jazýčkovým kontaktem}
63 \end{figure}
64  
65 Pro účely autodiagnostiky byl anemometr proto upraven výměnou jazýčkového kontaktu za magnetický snímač MAG01A \cite{MAG01A}, který je sice určen pro použití v elektronických kompasech, ale jeho šířka pásma 160 Hz a rozsah měřeného magnetického pole je vyhovující i pro měření otáček anemometru.
66  
67 \begin{figure} [htbp]
68 \begin{center}
69 \includegraphics [width=80mm] {./img/Anemometer_modified.JPG}
70 \end{center}
71 \caption{Modifikovaný anemometr s magnetickým snímačem MAG01A}
72 \end{figure}
73  
74  
75 Výhodou této úpravy je, že pak lze ze snímače získat absolutní polohu oběžného kola a změřit rychlost otáčení v libovolné pozici (není proto třeba počítat impulzy a měřit periodu, nebo četnost) měření tak lze provést v konstantním čase nezávisle na rychlosti otáčení.
76  
77  
78 \subsubsection{Směr větru}
79  
80 Snímač směru větru v originální konfiguraci obsahuje jazýčkové kontakty, které připojuji vždy jeden z rezistorů do odporového děliče tak, aby poloha praporku byla jednoznačně kódovaná napětím na výstupu.
81  
82 \begin{figure} [htbp]
83 \begin{center}
84 \includegraphics [width=80mm] {./img/Wind_direction.JPG}
85 \end{center}
86 \caption{Jazýčkové kontakty snímající pozici magnetu v rotoru s praporkem}
87 \end{figure}
88  
89 Tento způsob snímání je značně nerobustní a je i nedostatečný pro autodiagnostiku senzoru, protože poskytuje málo informací o pohybu praporku. Proto byl tento snímač nahrazen senzorem magnetického pole \cite{MAG01A} podobně, jako v případě anemometru.
90  
91 \begin{figure} [htbp]
92 \begin{center}
93 \includegraphics [width=80mm] {./img/Wind_direction_modified1.JPG}
94 \end{center}
95 \caption{Jazýčkové kontakty byly nahrazeny magnetometrem}
96 \end{figure}
97  
98 \subsubsection{Srážky}
99  
100 Pro měření vodních srážek bylo zvoleno klasické čidlo s člunkovým srážkoměrem. A nebylo ani modifikováno. Neboť je nepravděpodobné, že zde vznikne jiná porucha, než zamrznutí, nebo ucpání.
101  
102 Klasický člunkový srážkoměr generuje impulz při překlopení člunku. Překlápění není příliš časté. Proto je vhodnější zaznamenávat okamžik překlopení pro přesnější lokalizaci srážek v čase. Tento systém zaznamenávání dat je dostatečně robustní pro autodiagnostiku čidla s využitím informace z jiných snímačů.
103  
104 \subsubsection{Vlhkost a teplota vzduchu}
105  
106 Měřění relativní vlhkosti a teploty vzduchu je klíčovou součástí meteostanice. Proto byla pro tento účel vybrána speciální čidla \cite{SHT25V01A}, která mají integrováno miniaturní topné těleso umožňující mírné zahřátí senzoru a tím otestování citlivosti senzoru. O tomto testu se předpokládá, že bude aktivován v pseudonáhodném čase nadřazeným systémem.
107  
108  
109 \section{Struktura zpracování dat}
110  
111 Pro zpracování dat je zvolen víceúrovňový systém, kdy v první úrovni jsou data pouze vyčítána a provedeno jejich základní zpracování do fyzikálního rozměru.
112  
113  
114 \subsubsection{Autodiagnostický systém}
115  
116 Z důvodu komplexnosti měřených veličin byly již v prvním stupni zpracování do systému implementovány vlastní metody specifické pro jednotlivá čidla umožňující detekovat značnou část poruch jednotlivých čidel.
117  
118  
119 Další stupeň detekce poruch využívá křížových vazeb mezi jednotlivými veličinami. Uvažované vazby jsou shrnuty v tabulce. Tato úroveň zpracování nevyužívá historii dat, využití historie naměřených veličin se předpokládá až v další úrovni zpracování.
120  
121 \begin{table}[htbp]
122 \caption{Tabulka křížových efektů mezi jednotlivými měřenými veličinami}
123 \begin{tabular}{|l|c|c|c|c|c|}
124 \hline
125 & \multicolumn{ 5}{c|}{Changed variable} \\ \hline
126 Impacted variable & Humidity & Wind speed & Wind direction & Rain & Temperature \\ \hline
127 Humidity & & Change & Independent & increased & Proportional \\ \hline
128 Wind speed & Almost Independent & & Contrained & Independent & Independent \\ \hline
129 Wind direction & Independent & Contrained & & Independent & Independent \\ \hline
130 Rain & Proportional on high values & Almost Independent & Independent & & Independent \\ \hline
131 Temperature & Change & Change & Independent & Decrease & \\ \hline
132 \end{tabular}
133 \label{}
134 \end{table}
135  
136  
137  
138 \subsection{Mechanická konstrukce}
139  
140 Meteostanice má klasickou mechanickou konstrukci, kde je na hlavním nosníku připevněno několik výložníků s jednotlivými snímači. Vyčítací elektronika je umístěna na výložníku ve vodotěsné elektroistalační krabici.
141  
142 \section{Kalibrace a testování}
143  
144 Použitá čidla vlhkosti jsou od výroby kalibrována na chybu v toleranci 2\%. Anemometr lze zkalibrovat buď v aerodynamickém tunelu, nebo
145  
146 \subsubsection{Instalace}
147  
148 Podmínky instalace meteorologické stanice přímo ovlivňují kvalitu z ní získaných dat. CHMU proto vydal směrnici popisující parametry prostředí, ve kterém může být takové měření prováděno se zaručenou kvalitou dat.
149  
150 Větrná korouhev stanice AWS01A musí být směrována podle os magnetometru tak, že kladná část osy X je natočena na geografický sever. Orientace ostatních čidel není kritická.
151  
152  
153 \section{Výsledky}
154  
155 Podařilo se vylepšit stávající klasickou konstrukci meteorologických čidel do stavu vhodného k implementaci do meteostanice obsahující interní autodiagnostiku.
156  
157  
158 \begin{thebibliography}{99}
159 \bibitem{MAG01A}{Magnetický snímač} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/MAG01A}{Tříosý digitální magnetometr MAG01A}
160 \bibitem{SHT25V01A}{Měření teploty} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/SHT25V01A}{ Digitální senzor relativní vlhkosti a teploty}
161 \end{thebibliography}
162 \end{document}