| 0,0 → 1,162 |
|---|
| \documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article} |
| \usepackage[colorlinks=true]{hyperref} |
| \usepackage[utf8]{inputenc} |
| \usepackage[czech]{babel} |
| \usepackage{graphicx} |
| \textwidth 16cm \textheight 25cm |
| \topmargin -1.3cm |
| \oddsidemargin 0cm |
| \pagestyle{empty} |
| \begin{document} |
| \title{Automatická meteostanice AWS01B} |
| \author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz} |
| \maketitle |
| |
| \thispagestyle{empty} |
| \begin{abstract} |
| Konstrukce autonomní stanice s vlastní autodiagnostikou. Meteostanice by měla pracovat v odlehlých oblastech společně s dalšími vědeckými přístroji, jako jsou například robotické teleskopy. |
| Typickým problémem těchto aplikací jsou omezené energetické zdroje, přenos dat v dlouhých intervalech, ale možnost bezprostředního nahlášení poruchy přes úzkopásmový datový kanál. |
| \end{abstract} |
| |
| \begin{figure} [htbp] |
| \begin{center} |
| \includegraphics [width=80mm] {./img/AWS01B_complete.JPG} |
| \end{center} |
| \end{figure} |
| |
| \newpage |
| \tableofcontents |
| |
| |
| \section{Technické parametry} |
| \begin{table}[htbp] |
| \begin{center} |
| \begin{tabular}{|c|c|c|} |
| \hline |
| \multicolumn{1}{|c|}{Parametr} & \multicolumn{1}{|c|}{Hodnota} & \multicolumn{1}{|c|}{Poznámka} \\ \hline |
| Napájecí napětí & +5V & 100mA \\ \hline |
| Provozní teplotní rozsah & -40 - 80 & |
| \\ \hline |
| \end{tabular} |
| \end{center} |
| \end{table} |
| |
| \newpage |
| \section{Úvod} |
| |
| 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. |
| |
| 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. |
| |
| \subsection{Použité snímače} |
| |
| |
| \subsubsection{Anemometr} |
| |
| 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. |
| |
| \begin{figure} [htbp] |
| \begin{center} |
| \includegraphics [width=80mm] {./img/Anemometer_original.JPG} |
| \end{center} |
| \caption{Původní řešení anemometru s jazýčkovým kontaktem} |
| \end{figure} |
| |
| 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. |
| |
| \begin{figure} [htbp] |
| \begin{center} |
| \includegraphics [width=80mm] {./img/Anemometer_modified.JPG} |
| \end{center} |
| \caption{Modifikovaný anemometr s magnetickým snímačem MAG01A} |
| \end{figure} |
| |
| |
| 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. |
| |
| |
| \subsubsection{Směr větru} |
| |
| 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. |
| |
| \begin{figure} [htbp] |
| \begin{center} |
| \includegraphics [width=80mm] {./img/Wind_direction.JPG} |
| \end{center} |
| \caption{Jazýčkové kontakty snímající pozici magnetu v rotoru s praporkem} |
| \end{figure} |
| |
| 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. |
| |
| \begin{figure} [htbp] |
| \begin{center} |
| \includegraphics [width=80mm] {./img/Wind_direction_modified1.JPG} |
| \end{center} |
| \caption{Jazýčkové kontakty byly nahrazeny magnetometrem} |
| \end{figure} |
| |
| \subsubsection{Srážky} |
| |
| 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. |
| |
| 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. |
| |
| \subsubsection{Vlhkost a teplota vzduchu} |
| |
| 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. |
| |
| |
| \section{Struktura zpracování dat} |
| |
| Pro zpracování dat je zvolen víceúrovňový systém, kdy v první úrovni jsou data pouze vyčítána a provedeno jejich základní zpracování do fyzikálního rozměru. |
| |
| |
| \subsubsection{Autodiagnostický systém} |
| |
| 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. |
| |
| |
| 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. |
| |
| \begin{table}[htbp] |
| \caption{Tabulka křížových efektů mezi jednotlivými měřenými veličinami} |
| \begin{tabular}{|l|c|c|c|c|c|} |
| \hline |
| & \multicolumn{ 5}{c|}{Changed variable} \\ \hline |
| Impacted variable & Humidity & Wind speed & Wind direction & Rain & Temperature \\ \hline |
| Humidity & & Change & Independent & increased & Proportional \\ \hline |
| Wind speed & Almost Independent & & Contrained & Independent & Independent \\ \hline |
| Wind direction & Independent & Contrained & & Independent & Independent \\ \hline |
| Rain & Proportional on high values & Almost Independent & Independent & & Independent \\ \hline |
| Temperature & Change & Change & Independent & Decrease & \\ \hline |
| \end{tabular} |
| \label{} |
| \end{table} |
| |
| |
| |
| \subsection{Mechanická konstrukce} |
| |
| 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. |
| |
| \section{Kalibrace a testování} |
| |
| Použitá čidla vlhkosti jsou od výroby kalibrována na chybu v toleranci 2\%. Anemometr lze zkalibrovat buď v aerodynamickém tunelu, nebo |
| |
| \subsubsection{Instalace} |
| |
| 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. |
| |
| 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. |
| |
| |
| \section{Výsledky} |
| |
| Podařilo se vylepšit stávající klasickou konstrukci meteorologických čidel do stavu vhodného k implementaci do meteostanice obsahující interní autodiagnostiku. |
| |
| |
| \begin{thebibliography}{99} |
| \bibitem{MAG01A}{Magnetický snímač} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/MAG01A}{Tříosý digitální magnetometr MAG01A} |
| \bibitem{SHT25V01A}{Měření teploty} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/SHT25V01A}{ Digitální senzor relativní vlhkosti a teploty} |
| \end{thebibliography} |
| \end{document} |