¿Qué instrumentos están incluidos en una estación meteorológica?

¿Sabía que las estaciones meteorológicas modernas, que miden 158 mm de altura y 93 mm de diámetro, pueden detectar hasta seis parámetros meteorológicos esenciales? Gracias a la instrumentación ultrasónica, estos sensores compactos pueden proporcionar velocidad del viento, dirección del viento, temperatura del aire, humedad relativa, presión barométrica y radiación solar, al tiempo que garantizan durabilidad, bajo mantenimiento y alta precisión.

Una estación meteorológica ultrasónica típica pesa menos de 0.5 kg, lo que los hace ideales para una amplia gama de aplicaciones, que incluyen agricultura, energía renovable e investigación climática. Los agricultores pueden optimizar el riego, los operadores de PV pueden usarlos para hacer ajustes a la inclinación, y los municipios pueden planificar la gestión de aguas pluviales.

Si bien los diferentes tipos de estaciones meteorológicas a menudo miden parámetros similares, pueden variar significativamente en términos de tecnología de sensores, precisión y resolución de medición. Asegurar que tenga la estación meteorológica adecuada para su aplicación requiere una comprensión más profunda de las capacidades de instrumentación y detección.

Este artículo examina los instrumentos centrales utilizados en las estaciones meteorológicas, describe los diversos tipos de estación (incluidas las estaciones meteorológicas meteorológicas profesionales completas) y proporciona respuestas a preguntas frecuentes.—Todo diseñado para equiparlo con el conocimiento para tomar decisiones informadas.

1. Tipos de estaciones meteorológicas

Existen diferentes tipos de estaciones meteorológicas, cada una diseñada y construida con un propósito específico. Comprender la intención de su diseño nos ayuda a encontrar su aplicación en nuestro escenario. Analicemos estos tipos en profundidad:

1.1 estaciones meteorológicas de uso general

Una estación meteorológica de uso general está diseñada para medir los parámetros atmosféricos esenciales, incluida la velocidad del viento, la temperatura, la humedad, la presión atmosférica y la lluvia. Estos son los instrumentos mínimos para analizar las condiciones atmosféricas.

• Instrumentación:  Sensor de dirección del viento, sensor PAR, sensor de iluminancia, sensor de velocidad del viento, piranómetro, sensores de química del suelo y temperatura del aire & Sensor RH.
• Solicitud: Aeropuertos, centros de investigación y oficinas meteorológicas

1 .2 Estaciones meteorológicas agrícolas

Las estaciones meteorológicas diseñadas para fines agrícolas cuentan con sensores especializados junto con la instrumentación meteorológica típica que monitorean las condiciones del suelo para optimizar los rendimientos de los cultivos. Estas estaciones actúan como una unidad central que recopila datos valiosos del campo y proporciona monitoreo en vivo a sus dueños. Pueden continuar trabajando durante la noche para proporcionar luz de horticultura direccional para el crecimiento de las plantas.

• Instrumentación:  Sensor de humedad de la hoja, sensor de humedad y temperatura del suelo, sensor PAR, sensor de temperatura del dosel de cultivo, sensor de radiación UV y sensor de temperatura de la superficie de la hoja (IR, raro pero emergente).
• Aplicaciones:  Optimización de riego, pronóstico de plagas y enfermedades, predicción del rendimiento del cultivo, aplicación segura de pesticidas y fertilizantes, análisis de microclimas y soporte de tiempo de recolección.

1 .3 estaciones de monitoreo PV (fotovoltaica)

La aparición de tecnologías de energía limpia está impulsando el sector eléctrico a instalar grandes granjas fotovoltaicas (PV) que aprovechan la energía solar del sol. Para utilizar completamente y maximizar la gestión de las granjas fotovoltaicas, se requieren estaciones meteorológicas profesionales que cuenten con instrumentación específica para la radiación solar y el monitoreo de la temperatura fotovoltaica. La temperatura puede afectar negativamente el rendimiento fotovoltaico (PV). Por lo tanto, estas estaciones de monitoreo pueden iniciar el sistema de enfriamiento para mejorar la eficiencia.

• Instrumentación:  Irradiancia horizontal global (GHI), irradiancia inclinada global (GTI), irradiancia normal directa (DNI), temperatura del módulo PV y monitoreo de temperatura ambiente.
• Aplicaciones:  Las granjas fotovoltaicas solares para monitorear la temperatura y la eficiencia del PV.
  

1 .4 estaciones ultrasónicas todo en uno

Los sensores ultrasónicos son la respuesta a las partes móviles mecánicas en las estaciones meteorológicas tradicionales. Utilizan ondas ultrasónicas para medir los parámetros del viento, el radar para la precipitación y los detectores de estado sólido para la temperatura, la humedad y la calidad del aire. Su sistema de detección basado en electrónica garantiza la longevidad y la precisión con actividades de mantenimiento mínimas.

• Instrumentación:  Velocidad y dirección del viento ultrasónico, temperatura del aire, humedad relativa, presión barométrica, lluvia a base de radar, radiación solar, índice UV, iluminancia, nivel de ruido, concentración de PM2.5/PM10 y visibilidad
• Aplicaciones:  Infraestructura de la ciudad inteligente, aeropuertos, carreteras, estaciones de monitoreo ambiental, parques industriales y monitoreo de clima autónomo remoto

1 .5 estaciones meteorológicas en miniatura

Las estaciones meteorológicas en miniatura son factibles en los casos en que las limitaciones de espacio y peso son aplicables. Estos son excelentes para la portabilidad y tienen dimensiones más pequeñas que la palma de su mano, al tiempo que protegen contra las condiciones climáticas más básicas. Debido a su bajo mantenimiento y una operación confiable, se pueden instalar en ubicaciones remotas o fuera de la red.

• Instrumentación:  Velocidad y dirección del viento ultrasónico, temperatura del aire, humedad relativa, presión barométrica, radiación solar, detección de lluvia opcional.
• Aplicaciones:  Monitoreo móvil móvil, detección ambiental montada en drones, estaciones de investigación compactas e instalaciones remotas o fuera de la red donde el bajo peso y la compacidad son cruciales.

2. Instrumentos incluidos en una estación meteorológica

Conocer los sensores que vienen con diferentes tipos de estaciones meteorológicas es el primer paso para comprender su importancia. La instrumentación puede tener una precisión variable basada en su principio de detección. Los fabricantes pueden usar varios tipos para satisfacer los diferentes requisitos, como el precio, la precisión, la velocidad o el rango de detección. En esta sección, aprenderemos sobre los tipos de sensores de la estación meteorológica y sus respectivas capacidades de detección.

2 .1 Instrumentos de medición del viento

El viento es un parámetro clave que ayuda a predecir el clima. Se genera por el calentamiento desigual de la tierra por el sol y su rotación. Lleva calor, humedad, contaminantes y polen a nuevas áreas.

2.1.1 Sensor de velocidad del viento

La medición de la velocidad del viento es crítica en aplicaciones como la aviación y el pronóstico del tiempo. Dos tipos principales de instrumentación en las estaciones meteorológicas pueden detectar la velocidad del viento: anemómetros de taza y sensores ultrasónicos.

Anemómetro:

Los anemómetros de la taza han existido desde 1846. Es un tipo mecánico de detector de velocidad del viento para las estaciones meteorológicas, que consiste en tazas de metal o plástico que giran cuando se exponen al aire en movimiento. El fabricante calibra la velocidad de rotación contra la velocidad del viento. Aquí están sus capacidades de detección típicas:

• Rango: 0–30 m/s o 0–60 m/s.
• Exactitud: ±0.5 m/s (<5 m/s); ±3% FS (& GE; 5 m/s).
• Umbral inicial: <0.5 m/s.
  
  

Sensor de velocidad de viento ultrasónico:

Estos sensores utilizan el efecto Doppler para detectar la velocidad del viento. El tiempo que tarda el pulso ultrasónico en transmitirse y volver al receptor es representativo de la velocidad del viento. Aquí está la capacidad de detección del detector de la velocidad del viento ultrasónico en las estaciones meteorológicas:

Rango de medición:

• Rango: 0–60 m/s (resolución 0.01 m/s)
• Dirección del viento: 0–360° (Resolución 1°)
• Exactitud: ±0.2 m/s (& LE; 10 m/s); <±2% del valor actual (>10 m/s)
• Umbral inicial: 0.1 m/s

2 .1.2 Sensor de dirección del viento

Típicamente hay dos tipos de sensores de dirección del viento. Un tipo de paleta mecánica y un detector de viento ultrasónico. Ambos pueden proporcionar una fiabilidad de la dirección del viento.

Tipo de paleta mecánica:

Consiste en una veleta que se ajusta al aire en movimiento, lo que indica la dirección del viento en una estación meteorológica. Es similar al muy popular Windsock. La dirección se convierte en una señal digital o analógica para leer.:

• Rango: 0–360°
• Exactitud: ±3°
• Umbral inicial: <0.5 m/s
  
  

Sensor de dirección de viento ultrasónico:

Un sensor de viento ultrasónico es un dispositivo que combina una velocidad del viento y un sensor de dirección. Hay múltiples transductores en diferentes direcciones. Induce pulsos ultrasónicos en todas las direcciones, que se reflejan después de viajar a través del aire hacia el receptor. El cambio en el tiempo de viaje del pulso ultrasónico en cada transductor representa la velocidad y la dirección del viento alrededor de la estación meteorológica.

• Rango: 0–360°
• Exactitud: ±1°
• Umbral inicial: 0.1 m/s

2 .2 sensores de temperatura y humedad

La temperatura y la humedad también son clave para detectar las condiciones climáticas. La alta humedad junto con una temperatura específica indica el enfoque de la precipitación.

2 .2.1 Temperatura del aire

Hay dos tipos principales de detectores utilizados en la detección de la temperatura del aire en las estaciones meteorológicas.:

Termistores

Es un semiconductor que actúa como una resistencia, cuya resistencia varía con la temperatura.

• Rango: –40°C a +80°C
• Exactitud: ±0.5°C a ±1.0°C (más bajo que los sensores PT)

Detector de temperatura de resistencia (RTD)

Una corriente pasa a través de un circuito de resistencia, que cambia su resistencia en respuesta a la temperatura.

• Rango: –40°C a +80°C (personalizable hasta 200°C)
• Exactitud: ±0.2°C o mejor

2 .2.2 Humedad relativa

La humedad relativa es una medida de la cantidad de humedad en el aire en relación con la cantidad máxima que el aire puede contener a una temperatura dada. Los sensores de humedad utilizados en las estaciones meteorológicas suelen ser capacitivos o resistentes, proporcionando lecturas rápidas y confiables.

• Rango: 0–100% RH
• Exactitud: ±2–3% RH

Los sensores de humedad emparejados con sensores de temperatura pueden proporcionar el punto de rocío.

2 .2.3 humedad del suelo

Los sensores de temperatura del suelo son típicamente detectores de temperatura de resistencia (RTD) y operan con el mismo principio, rango y precisión como se mencionó anteriormente. Mientras que un detector de humedad del suelo puede basarse en la permitividad o resistencia dieléctrica.

• Rango: 0–100% VWC (contenido de agua volumétrica)
• Exactitud: ±3%
• Tiempo de respuesta: <2 artículos de segunda clase

2 .3 sensor de presión barométrica

La detección de presión es la variable central para detectar tormentas, variaciones de altitud y calibración de sensores. Las estaciones meteorológicas utilizan sensores de presión piezo-resistivos o capacitivos de alta precisión alojados en un recinto ventilado con temperatura compensada.

• Rango: 300–1100 HPA
• Exactitud: ±0.5–1 HPA
• Resolución: 0.1 HPA

2 .4 Sensores de precipitación

Los sensores de precipitación detectan la acumulación de lluvia. Es clave para planificar el riego, las predicciones de inundaciones y los estudios hidrológicos. Dos tipos principales de sensores de precipitación vienen con estaciones meteorológicas:

2 .4.1 Discutor de cubierta de cubo

Como su nombre indica, el cubo de propina se llena de agua hasta cierto nivel, después de lo cual se inclina. La señal envía el número de puntas que sufre el balde, que representa la lluvia.

• Rango: lluvia acumulada (mm/h)
• Exactitud: ±2%
• Resolución: 0.2 mm/punta

2 .4.2 Sensor de lluvia de radar

Los sensores de lluvia a base de radar utilizan la reflexión de microondas o ultrasónicos para detectar gotas de lluvia. Se acumula la lluvia que pasa por su camino. Estos son de naturaleza de estado sólido, lo que los hace de bajo mantenimiento.

• Rango: lluvia acumulativa (mm/h)
• Exactitud: ±5%
• Resolución: 0.1 mm

2 .5 Radiación solar y sensores de luz

La luz solar puede ser crucial en aplicaciones como las células fotovoltaicas y la horticultura. Detectarlos puede ayudar a analizar y predecir salidas:

2 .5.1 piranómetro

Un piranómetro detecta la irradiancia horizontal global (GHI). Puede detectar la radiación solar directa y difusa.

• Rango: 0–2000 w/m²
• Exactitud: ±5%
• Rango espectral: 300–1100 Nuevo Méjico

2 .5.2 Sensor de iluminancia

Es la medición del brillo de la luz en Lux. Puede ser un sensor esencial para eventos deportivos o actividades que requieren visibilidad. Un fotodiodo o fotorresistor convierte la luz en una señal.

• Rango: 0–100,000 lux
• Exactitud: ±3%
• Tiempo de respuesta: <1 segundo

2 .6 Instrumentos ambientales adicionales

En las áreas urbanas, el aire, el ruido y la contaminación visual pueden ser parámetros críticos, junto con aspectos relacionados con el clima. Las estaciones meteorológicas avanzadas pueden presentar los siguientes sensores basados ​​en los requisitos del usuario:

2 .6.1 Particulados (PM2.5/10)

Estos sensores utilizan la dispersión láser para contar partículas en el aire en función de su tamaño y forma. Los valores de PM2.5 y PM10 son críticos en los índices de calidad del aire basados ​​en la salud.

• Rango: 0–1000 µg/m³
• Exactitud: ±10%
• Resolución: 1 µg/m³
• Producción: µg/m³ o AQI (calculado)

2 .6.2 Sensor de ruido

Los sensores de ruido monitorean los niveles de sonido ambiental para detectar la contaminación o la actividad de rastrear en ciudades inteligentes y zonas públicas.

• Rango: 30–130 db
• Exactitud: ±1.5 db

2 .6.3 Sensor de visibilidad

Durante las tormentas de niebla, neblina o polvo, la visibilidad puede reducirse drásticamente. Para garantizar condiciones de viaje seguras, se puede conectar la instrumentación de visibilidad con las estaciones meteorológicas para el monitoreo avanzado:

• Rango: 10–10,000 metros
• Exactitud: ±10%

3. Integración y comunicación del sistema

Cada uno de los instrumentos en una estación meteorológica genera señales que pueden ser analógicas o digitales. Aquí están las salidas de una instrumentación típica:

Las estaciones meteorológicas requieren una potencia mínima para operar. A 10–20 W Panel solar y una batería de 12V 7AH son suficientes para un funcionamiento estable. Además, estas estaciones pueden incluir capacidad de registro, LCD locales y protocolos de comunicación en tiempo real para la recuperación de datos.

4. Conclusión

Una estación meteorológica es una combinación de instrumentación, dispositivos de comunicación, módulos de potencia y estructura mecánica. La característica clave son sus instrumentos, que definen su capacidad para detectar parámetros atmosféricos de manera precisa, precisa y eficiente. Seleccionar el tipo correcto de sensor (viento, temperatura, lluvia, radiación) puede ser vital para garantizar resultados confiables.

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Preguntas frecuentes (preguntas frecuentes)

• ¿Pueden las estaciones meteorológicas predecir tormentas o eventos meteorológicos extremos?

Sí, las estaciones meteorológicas están equipadas con sensores que miden el viento, la temperatura, la presión, la precipitación y la humedad. Los meteorólogos pueden usar estos parámetros y sus valores que cambian rápidamente para predecir condiciones climáticas extremas y tormentas eléctricas.

• ¿Cuáles son los problemas comunes que se enfrentan al usar una estación meteorológica?

La estación meteorológica consiste en una variedad de instrumentación. Los valores de la deriva, los problemas de comunicación, el agotamiento de la batería, el daño físico e interferencia de insectos pueden causar problemas en el monitoreo del clima. Las estaciones meteorológicas equipadas con paneles fotovoltaicos, así como aquellas con clasificaciones IP e IK, pueden mitigar significativamente estos riesgos operativos.

• ¿Qué tipo de mantenimiento requiere una estación meteorológica?

Las actividades de mantenimiento pueden incluir limpieza, calibración, reemplazo de la batería, limpieza del panel fotovoltaico e inspección física. Además, el mantenimiento remoto puede implicar verificar la precisión de los instrumentos y realizar actualizaciones de firmware.

• ¿Pueden las estaciones meteorológicas rastrear la calidad del aire o los niveles de contaminación?

Una estación meteorológica avanzada equipada con instrumentación como partículas (PM2.5/10), los sensores de ruido y visibilidad pueden rastrear la calidad del aire o los niveles de contaminación. Algunos incluso pueden presentar detectores de VOC, monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2) y ozono (O3).