Rev Author Line No. Line
2959 kaklik 1 \documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article}
2955 kaklik 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}
2958 kaklik 23 \includegraphics [width=80mm] {./img/AWS01B_complete.JPG}
2955 kaklik 24 \end{center}
25 \end{figure}
26  
2959 kaklik 27 \newpage
2955 kaklik 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
2959 kaklik 37 Napájecí napětí & +5V & 100mA \\ \hline
38 Provozní teplotní rozsah & -40 - 80 &
39 \\ \hline
2955 kaklik 40 \end{tabular}
41 \end{center}
42 \end{table}
43  
44 \newpage
3625 kaklik 45 \section{Konstrukce meteostanice}
2955 kaklik 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  
3625 kaklik 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.
2957 kaklik 50  
2955 kaklik 51 \subsection{Použité snímače}
52  
53  
54 \subsubsection{Anemometr}
55  
2959 kaklik 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.
2957 kaklik 57  
2959 kaklik 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}
2957 kaklik 64  
2959 kaklik 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  
2957 kaklik 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  
2959 kaklik 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  
3625 kaklik 108 \subsection{Zapojení modulů}
2959 kaklik 109  
3625 kaklik 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
116  
2957 kaklik 117 \section{Struktura zpracování dat}
118  
2959 kaklik 119 Pro zpracování dat je zvolen víceúrovňový systém, kdy v první úrovni jsou data pouze vyčítána a provedeno jejich základní zpracování do fyzikálního rozměru.
2957 kaklik 120  
121  
122 \subsubsection{Autodiagnostický systém}
123  
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.
125  
126  
2959 kaklik 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.
2957 kaklik 128  
2959 kaklik 129 \begin{table}[htbp]
130 \caption{Tabulka křížových efektů mezi jednotlivými měřenými veličinami}
131 \begin{tabular}{|l|c|c|c|c|c|}
132 \hline
133 & \multicolumn{ 5}{c|}{Changed variable} \\ \hline
134 Impacted variable & Humidity & Wind speed & Wind direction & Rain & Temperature \\ \hline
135 Humidity & & Change & Independent & increased & Proportional \\ \hline
136 Wind speed & Almost Independent & & Contrained & Independent & Independent \\ \hline
137 Wind direction & Independent & Contrained & & Independent & Independent \\ \hline
138 Rain & Proportional on high values & Almost Independent & Independent & & Independent \\ \hline
139 Temperature & Change & Change & Independent & Decrease & \\ \hline
140 \end{tabular}
141 \label{}
142 \end{table}
143  
2957 kaklik 144  
2959 kaklik 145  
2955 kaklik 146 \subsection{Mechanická konstrukce}
147  
2959 kaklik 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.
2955 kaklik 149  
2957 kaklik 150 \section{Kalibrace a testování}
2955 kaklik 151  
2957 kaklik 152 Použitá čidla vlhkosti jsou od výroby kalibrována na chybu v toleranci 2\%. Anemometr lze zkalibrovat buď v aerodynamickém tunelu, nebo
2955 kaklik 153  
2957 kaklik 154 \subsubsection{Instalace}
2955 kaklik 155  
2959 kaklik 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.
2955 kaklik 157  
2957 kaklik 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.
159  
160  
3019 kaklik 161 \section{Výsledky}
2957 kaklik 162  
3625 kaklik 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.
3019 kaklik 164  
165  
2955 kaklik 166 \begin{thebibliography}{99}
2959 kaklik 167 \bibitem{MAG01A}{Magnetický snímač} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/MAG01A}{Tříosý digitální magnetometr MAG01A}
168 \bibitem{SHT25V01A}{Měření teploty} \href{http://www.mlab.cz/PermaLink/SHT25V01A}{ Digitální senzor relativní vlhkosti a teploty}
2955 kaklik 169 \end{thebibliography}
170 \end{document}