| 1 |
\documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article} |
1 |
\documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article} |
| 2 |
\usepackage[colorlinks=true]{hyperref} |
2 |
\usepackage[colorlinks=true]{hyperref} |
| 3 |
\usepackage[utf8]{inputenc} |
3 |
\usepackage[utf8]{inputenc} |
| 4 |
\usepackage[czech]{babel} |
4 |
\usepackage[czech]{babel} |
| 5 |
\usepackage{graphicx} |
5 |
\usepackage{graphicx} |
| 6 |
\textwidth 16cm \textheight 25cm |
6 |
\textwidth 16cm \textheight 25cm |
| 7 |
\topmargin -1.3cm |
7 |
\topmargin -1.3cm |
| 8 |
\oddsidemargin 0cm |
8 |
\oddsidemargin 0cm |
| 9 |
\pagestyle{empty} |
9 |
\pagestyle{empty} |
| 10 |
\begin{document} |
10 |
\begin{document} |
| 11 |
\title{Automatická meteostanice AWS01B} |
11 |
\title{Automatická meteostanice AWS01B} |
| 12 |
\author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz} |
12 |
\author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz} |
| 13 |
\maketitle |
13 |
\maketitle |
| 14 |
|
14 |
|
| 15 |
\thispagestyle{empty} |
15 |
\thispagestyle{empty} |
| 16 |
\begin{abstract} |
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. |
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. |
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} |
19 |
\end{abstract} |
| 20 |
|
20 |
|
| 21 |
\begin{figure} [htbp] |
21 |
\begin{figure} [htbp] |
| 22 |
\begin{center} |
22 |
\begin{center} |
| 23 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/AWS01B_complete.JPG} |
23 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/AWS01B_complete.JPG} |
| 24 |
\end{center} |
24 |
\end{center} |
| 25 |
\end{figure} |
25 |
\end{figure} |
| 26 |
|
26 |
|
| 27 |
\newpage |
27 |
\newpage |
| 28 |
\tableofcontents |
28 |
\tableofcontents |
| 29 |
|
29 |
|
| 30 |
|
30 |
|
| 31 |
\section{Technické parametry} |
31 |
\section{Technické parametry} |
| 32 |
\begin{table}[htbp] |
32 |
\begin{table}[htbp] |
| 33 |
\begin{center} |
33 |
\begin{center} |
| 34 |
\begin{tabular}{|c|c|c|} |
34 |
\begin{tabular}{|c|c|c|} |
| 35 |
\hline |
35 |
\hline |
| 36 |
\multicolumn{1}{|c|}{Parametr} & \multicolumn{1}{|c|}{Hodnota} & \multicolumn{1}{|c|}{Poznámka} \\ \hline |
36 |
\multicolumn{1}{|c|}{Parametr} & \multicolumn{1}{|c|}{Hodnota} & \multicolumn{1}{|c|}{Poznámka} \\ \hline |
| 37 |
Napájecí napětí & +5V & 100mA \\ \hline |
37 |
Napájecí napětí & +5V & 100mA \\ \hline |
| 38 |
Provozní teplotní rozsah & -40 - 80 & |
38 |
Provozní teplotní rozsah & -40 - 80 & |
| 39 |
\\ \hline |
39 |
\\ \hline |
| 40 |
\end{tabular} |
40 |
\end{tabular} |
| 41 |
\end{center} |
41 |
\end{center} |
| 42 |
\end{table} |
42 |
\end{table} |
| 43 |
|
43 |
|
| 44 |
\newpage |
44 |
\newpage |
| 45 |
\section{Úvod} |
45 |
\section{Konstrukce meteostanice} |
| 46 |
|
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. |
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 |
|
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. |
49 |
Za účelem vývoje speciální meteorologické stanice vybavené autodiaognostikou byly vybrány snímače, které umožňují kromě změření dané veličiny získat ještě nějakou další znalost o stavu zařízení. |
| 50 |
|
50 |
|
| 51 |
\subsection{Použité snímače} |
51 |
\subsection{Použité snímače} |
| 52 |
|
52 |
|
| 53 |
|
53 |
|
| 54 |
\subsubsection{Anemometr} |
54 |
\subsubsection{Anemometr} |
| 55 |
|
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. |
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 |
|
57 |
|
| 58 |
\begin{figure} [htbp] |
58 |
\begin{figure} [htbp] |
| 59 |
\begin{center} |
59 |
\begin{center} |
| 60 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/Anemometer_original.JPG} |
60 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/Anemometer_original.JPG} |
| 61 |
\end{center} |
61 |
\end{center} |
| 62 |
\caption{Původní řešení anemometru s jazýčkovým kontaktem} |
62 |
\caption{Původní řešení anemometru s jazýčkovým kontaktem} |
| 63 |
\end{figure} |
63 |
\end{figure} |
| 64 |
|
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. |
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 |
|
66 |
|
| 67 |
\begin{figure} [htbp] |
67 |
\begin{figure} [htbp] |
| 68 |
\begin{center} |
68 |
\begin{center} |
| 69 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/Anemometer_modified.JPG} |
69 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/Anemometer_modified.JPG} |
| 70 |
\end{center} |
70 |
\end{center} |
| 71 |
\caption{Modifikovaný anemometr s magnetickým snímačem MAG01A} |
71 |
\caption{Modifikovaný anemometr s magnetickým snímačem MAG01A} |
| 72 |
\end{figure} |
72 |
\end{figure} |
| 73 |
|
73 |
|
| 74 |
|
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. |
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 |
|
76 |
|
| 77 |
|
77 |
|
| 78 |
\subsubsection{Směr větru} |
78 |
\subsubsection{Směr větru} |
| 79 |
|
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. |
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 |
|
81 |
|
| 82 |
\begin{figure} [htbp] |
82 |
\begin{figure} [htbp] |
| 83 |
\begin{center} |
83 |
\begin{center} |
| 84 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/Wind_direction.JPG} |
84 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/Wind_direction.JPG} |
| 85 |
\end{center} |
85 |
\end{center} |
| 86 |
\caption{Jazýčkové kontakty snímající pozici magnetu v rotoru s praporkem} |
86 |
\caption{Jazýčkové kontakty snímající pozici magnetu v rotoru s praporkem} |
| 87 |
\end{figure} |
87 |
\end{figure} |
| 88 |
|
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. |
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 |
|
90 |
|
| 91 |
\begin{figure} [htbp] |
91 |
\begin{figure} [htbp] |
| 92 |
\begin{center} |
92 |
\begin{center} |
| 93 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/Wind_direction_modified1.JPG} |
93 |
\includegraphics [width=80mm] {./img/Wind_direction_modified1.JPG} |
| 94 |
\end{center} |
94 |
\end{center} |
| 95 |
\caption{Jazýčkové kontakty byly nahrazeny magnetometrem} |
95 |
\caption{Jazýčkové kontakty byly nahrazeny magnetometrem} |
| 96 |
\end{figure} |
96 |
\end{figure} |
| 97 |
|
97 |
|
| 98 |
\subsubsection{Srážky} |
98 |
\subsubsection{Srážky} |
| 99 |
|
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. |
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 |
|
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. |
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 |
|
103 |
|
| 104 |
\subsubsection{Vlhkost a teplota vzduchu} |
104 |
\subsubsection{Vlhkost a teplota vzduchu} |
| 105 |
|
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. |
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 |
|
107 |
|
| - |
|
108 |
\subsection{Zapojení modulů} |
| - |
|
109 |
|
| - |
|
110 |
\begin{figure} [htbp] |
| - |
|
111 |
\begin{center} |
| - |
|
112 |
\includegraphics [width=100mm] {./img/Block_schematic.png} |
| - |
|
113 |
\end{center} |
| - |
|
114 |
\caption{Blokové schéma celé konstrukce meteostanice} |
| - |
|
115 |
\end{figure}0 |
| 108 |
|
116 |
|
| 109 |
\section{Struktura zpracování dat} |
117 |
\section{Struktura zpracování dat} |
| 110 |
|
118 |
|
| 111 |
Pro zpracování dat je zvolen víceúrovňový systém, kdy v první úrovni jsou data pouze vyčítána a provedeno jejich základní zpracování do fyzikálního rozměru. |
119 |
Pro zpracování dat je zvolen víceúrovňový systém, kdy v první úrovni jsou data pouze vyčítána a provedeno jejich základní zpracování do fyzikálního rozměru. |
| 112 |
|
120 |
|
| 113 |
|
121 |
|
| 114 |
\subsubsection{Autodiagnostický systém} |
122 |
\subsubsection{Autodiagnostický systém} |
| 115 |
|
123 |
|
| 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. |
124 |
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 |
|
125 |
|
| 118 |
|
126 |
|
| 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. |
127 |
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 |
|
128 |
|
| 121 |
\begin{table}[htbp] |
129 |
\begin{table}[htbp] |
| 122 |
\caption{Tabulka křížových efektů mezi jednotlivými měřenými veličinami} |
130 |
\caption{Tabulka křížových efektů mezi jednotlivými měřenými veličinami} |
| 123 |
\begin{tabular}{|l|c|c|c|c|c|} |
131 |
\begin{tabular}{|l|c|c|c|c|c|} |
| 124 |
\hline |
132 |
\hline |
| 125 |
& \multicolumn{ 5}{c|}{Changed variable} \\ \hline |
133 |
& \multicolumn{ 5}{c|}{Changed variable} \\ \hline |
| 126 |
Impacted variable & Humidity & Wind speed & Wind direction & Rain & Temperature \\ \hline |
134 |
Impacted variable & Humidity & Wind speed & Wind direction & Rain & Temperature \\ \hline |
| 127 |
Humidity & & Change & Independent & increased & Proportional \\ \hline |
135 |
Humidity & & Change & Independent & increased & Proportional \\ \hline |
| 128 |
Wind speed & Almost Independent & & Contrained & Independent & Independent \\ \hline |
136 |
Wind speed & Almost Independent & & Contrained & Independent & Independent \\ \hline |
| 129 |
Wind direction & Independent & Contrained & & Independent & Independent \\ \hline |
137 |
Wind direction & Independent & Contrained & & Independent & Independent \\ \hline |
| 130 |
Rain & Proportional on high values & Almost Independent & Independent & & Independent \\ \hline |
138 |
Rain & Proportional on high values & Almost Independent & Independent & & Independent \\ \hline |
| 131 |
Temperature & Change & Change & Independent & Decrease & \\ \hline |
139 |
Temperature & Change & Change & Independent & Decrease & \\ \hline |
| 132 |
\end{tabular} |
140 |
\end{tabular} |
| 133 |
\label{} |
141 |
\label{} |
| 134 |
\end{table} |
142 |
\end{table} |
| 135 |
|
143 |
|
| 136 |
|
144 |
|
| 137 |
|
145 |
|
| 138 |
\subsection{Mechanická konstrukce} |
146 |
\subsection{Mechanická konstrukce} |
| 139 |
|
147 |
|
| 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. |
148 |
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 |
|
149 |
|
| 142 |
\section{Kalibrace a testování} |
150 |
\section{Kalibrace a testování} |
| 143 |
|
151 |
|
| 144 |
Použitá čidla vlhkosti jsou od výroby kalibrována na chybu v toleranci 2\%. Anemometr lze zkalibrovat buď v aerodynamickém tunelu, nebo |
152 |
Použitá čidla vlhkosti jsou od výroby kalibrována na chybu v toleranci 2\%. Anemometr lze zkalibrovat buď v aerodynamickém tunelu, nebo |
| 145 |
|
153 |
|
| 146 |
\subsubsection{Instalace} |
154 |
\subsubsection{Instalace} |
| 147 |
|
155 |
|
| 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. |
156 |
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 |
|
157 |
|
| 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. |
158 |
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 |
|
159 |
|
| 152 |
|
160 |
|
| 153 |
\section{Výsledky} |
161 |
\section{Výsledky} |
| 154 |
|
162 |
|
| 155 |
Podařilo se vylepšit stávající klasickou konstrukci meteorologických čidel do stavu vhodného k implementaci do meteostanice obsahující interní autodiagnostiku. |
163 |
Podařilo se vylepšit stávající klasickou konstrukci meteorologických čidel do stavu vhodného k implementaci do meteostanice obsahující interní autodiagnostiku. Avšak měřené hodnoty z magnetometru v anemometru mají komplikovaný průběch. Ze kterého bude těžké určit rychlost větru. Proto je možné, že tento způsob měření bude v budoucnu nahrazen například ultrazvukovým anemometrem. |
| 156 |
|
164 |
|
| 157 |
|
165 |
|
| 158 |
\begin{thebibliography}{99} |
166 |
\begin{thebibliography}{99} |
| 159 |
\bibitem{MAG01A}{Magnetický snímač} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/MAG01A}{Tříosý digitální magnetometr MAG01A} |
167 |
\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} |
168 |
\bibitem{SHT25V01A}{Měření teploty} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/SHT25V01A}{ Digitální senzor relativní vlhkosti a teploty} |
| 161 |
\end{thebibliography} |
169 |
\end{thebibliography} |
| 162 |
\end{document} |
170 |
\end{document} |