Каковы компоненты автоматической метеостанции и их назначение?

Введение в автоматические метеостанции

Автоматические метеостанции (АМС) обладают исключительными эксплуатационными возможностями. Они могут работать как при арктических морозах (-40°C), так и при палящем пустынном зное (+80°C). Экстремальные высоты в 9000 метров также не представляют угрозы для АМС. Помимо способности автономно работать, собирая данные в таких экстремальных условиях, современные АМС предлагают специализированные компоненты, которые могут помочь в сборе данных для таких специализированных областей, как сельское хозяйство, солнечная энергетика, метеорологические исследования и гидрология. Эти мощные устройства не только компактны, но и чрезвычайно эффективны, что позволяет использовать их, например, для питания от компактных фотоэлектрических (ФЭ) панелей и аккумуляторов.

Чтобы полностью понять, как система AWS может собирать параметры атмосферы, почвы и окружающей среды, необходимо подробно изучить её компоненты и датчики. Современная система AWS может определять более 32 параметров, включая температуру, влажность, давление, скорость и направление ветра, количество осадков, солнечную радиацию, влажность почвы, pH, CO2, пыль и шум.

В этой статье описываются компоненты автоматической метеостанции и их применение. К концу статьи читатели получат полное представление о том, как каждый компонент полезен в различных приложениях и какой из них лучше всего подходит для их сценария использования.

Основные компоненты и приложения

Практически все метеостанции оснащены этими основными компонентами. В совокупности они генерируют ключевые статистические данные на основе параметров, которые помогают эффективно оценивать погодные условия. Давайте начнём разбираться в каждом компоненте:

● Датчики температуры и влажности

Анализ погодных условий без данных о температуре и влажности невозможен. Каждая метеостанция обязательно оснащена датчиками, измеряющими эти параметры. Сочетание этих двух параметров позволяет измерять точку росы, тепловой индекс и температуру по влажному термометру, которые являются ключевыми параметрами мониторинга погоды.

В прогнозах погоды они могут совместно обеспечивать данные об осадках, изменении давления воздуха, тумане и дымке. Однако принцип работы этих датчиков может различаться. Каждый тип датчика обладает своими преимуществами перед другим. Вот некоторые важные типы датчиков температуры и влажности:

▪ Типы датчиков температуры

• Термисторы: высокая чувствительность и быстрое время отклика
• Термометры сопротивления (RTD): высокая точность и стабильность
• Термопары: диапазоны самых высоких и самых низких температур без внешнего источника питания

▪ Типы датчиков влажности

• Емкостные датчики влажности: превосходная линейность, высокая точность и широкий диапазон
• Резистивные датчики влажности (гигрометры): простые и недорогие
• Гигрометры с охлаждаемым зеркалом: золотой стандарт точности

▪ Использование датчиков температуры и влажности

• Прогнозирование атмосферных условий
• Мониторинг климата
• Авиация
• Сельское хозяйство

● Датчик барометрического давления

Измерение давления также является ключевым компонентом автоматических метеостанций. Они предоставляют важную информацию о зонах давления, которую можно напрямую связать с движением и интенсивностью погодных систем.

▪ Тип датчика барометрического давления

Эти датчики содержат пьезорезистивные элементы. Механическая деформация возникает при изменении атмосферного давления. Деформация вызывает изменение сопротивления или ёмкости. Интегральные схемы регистрируют это изменение, отражающее изменение давления.

▪ Использование датчика барометрического давления

Датчик просто измеряет вес столба воздуха над метеостанцией. Изменение параметра обеспечивает:

• Повышение давления: система высокого давления обычно означает стабильные погодные условия.
• Падение давления: это сигнал для системы низкого давления, указывающий на нестабильные или штормовые погодные условия.

● Ультразвуковые датчики скорости и направления ветра

Измерение скорости и направления ветра имеет решающее значение для метеостанции. Использование ультразвуковой технологии — новейший метод определения этих параметров. Ниже приведены основные сведения об этих датчиках:

▪ Технология ультразвуковых датчиков

Использование ультразвуковых волн для определения скорости ветра позволяет создавать компактные датчики. Они не имеют подвижных частей, что позволяет им получать одинаковые результаты в течение длительного времени и значительно сокращать потребность в периодическом обслуживании и калибровке. Датчик оснащен передатчиками и приемниками, расположенными под разными углами. Используя теорию времени пролета, он определяет скорость и направление ветра.

▪ Использование ультразвуковых датчиков скорости и направления ветра

Для компактных АМС ультразвуковые датчики скорости и направления ветра являются идеальным выбором. Они оптимизируют сельскохозяйственные задачи, такие как распыление пестицидов. Кроме того, они могут повысить безопасность солнечных панелей и обеспечить безопасность полетов, предоставляя данные о ветре в режиме реального времени.

Диапазон обнаружения таких датчиков обычно составляет:

• Скорость ветра: 0–70 м/с, точность ±2–5% полной шкалы
• Направление: 0-359°, точность ±3°

● Датчик осадков (на основе радара)

Традиционно определение количества осадков сводилось к заполнению физической ёмкости и подсчёту количества её наполнений. Однако традиционные датчики предоставляли ограниченные данные для ограниченной области. Радарные датчики осадков обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными датчиками.

▪ Технология радарных датчиков

В автоматических метеостанциях радарные датчики могут обеспечить более высокую точность и разрешение. В частности, использование технологии 24G. Она не требует механических движущихся частей, что делает её долговечной и неприхотливой в обслуживании. Они способны обнаруживать морось и демонстрируют исключительную эффективность в суровых условиях.

▪ Использование технологии радарных датчиков

В отличие от ультразвуковых датчиков, эти используют микроволновые сигналы на частоте 24 ГГц. Они обнаруживают капли дождя, измеряя отражение или рассеяние этих волн.

Можно измерить количество осадков с помощью:

• Дождь: 0-200 мм/ч
• Разрешение: 0,1 мм
• Точность: ±4–8%

● Регистраторы данных и коммуникационные модули

Для полностью автономной работы автоматической метеостанции необходимы вычислительные мощности, достаточные для хранения данных с временными метками. Кроме того, она должна иметь возможность отправлять эти данные по проводному или беспроводному соединению для анализа. Современные AWS предлагают уникальные протоколы связи:

▪ Технология регистрации данных

Современные AWS могут хранить данные с 32 датчиков на встроенном устройстве хранения. Они также могут включать в себя большие дисплеи с поддержкой мониторинга данных в режиме реального времени и анализа тенденций. Они идеально подходят для удалённой установки благодаря низкому энергопотреблению.

▪ Коммуникационные модули

Такие модули, как RS-485, RS-232, 4G, Wi-Fi и Ethernet, обеспечивают передачу данных в режиме реального времени по протоколам Modbus-RTU, NMEA-0183 или SDI-12. Они поддерживают удалённое обновление и интеграцию с платформами Интернета вещей.

▪ Использование регистратора данных и коммуникационных модулей

Регистраторы данных позволяют владельцам осуществлять мониторинг окружающей среды в режиме реального времени, что может иметь решающее значение для сельского хозяйства, авиации и фотоэлектрических систем. Они могут отслеживать тенденции и генерировать оповещения, предоставляя владельцам время для принятия решений.

Специализированные компоненты и приложения

Помимо типичного использования метеостанций, современные AWS предлагают дополнительные функции, которые могут оказаться чрезвычайно полезными для специализированных приложений. Более того, некоторые разработчики и производители премиальных датчиков предлагают своим покупателям индивидуальную установку датчиков, отвечающую их конкретным потребностям.

● Датчики солнечной радиации и освещенности

Это типичные датчики, использующие фотоэлектрический эффект преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Электрический сигнал представляет собой глобальную горизонтальную освещённость (GHI), прямую нормальную освещённость (DNI) и диффузную горизонтальную освещённость (DHI). Это ключевые параметры, в первую очередь для сельского хозяйства и фотоэлектрических установок.

Для оптимального роста урожая фермерам необходимо обеспечить достаточный уровень освещения. При необходимости в освещении фермеры могут использовать источники света в ночное время для обеспечения равномерного роста растений. Кроме того, они могут помочь департаменту туризма управлять живописными зонами, обеспечивая видимость и безопасность.

● Датчики почвы (влажность, температура, pH, электропроводность, соленость)

Для специализированных приложений современные автоматизированные системы управления (AWS) с высокопроизводительными протоколами связи могут включать почвенные датчики для интеллектуального земледелия. К ним относятся датчики влажности почвы, температуры, pH, электропроводности и солености. Они важны для сельского хозяйства, поскольку:

• Влажность почвы: Обеспечьте достаточный полив растений. Точность измерения составляет 0–100% с допуском ±3%.
• Температура: Для оптимального роста растений ключевое значение имеет мониторинг температуры почвы. Это позволяет фермерам принять меры до того, как растения пострадают.
• pH: Кислотность почвы может быть критическим фактором, определяющим рост определённых видов сельскохозяйственных культур. Кислотность почвы определяет необходимость внесения удобрений. Диапазон значений pH колеблется от 0 до 14 с точностью ±0,1.
• EC: Измеряет уровень питательных веществ в почве для сбалансированного удобрения.
• Соленость: определяет содержание соли в почве для предотвращения повреждения урожая в засоленных средах.

● Специальные датчики (CO2, УФ, пыли, шума, видимости)

Автоматическая метеостанция, помимо предоставления критически важной информации о погоде, может также предоставлять данные об окружающей среде. Факторы, определяющие качество жизни, можно отслеживать в режиме реального времени, предоставляя ценную информацию туристам и департаментам туризма. Более того, они играют ключевую роль в оценке качества воздуха для агентств по охране окружающей среды. Эти датчики включают в себя:

• CO2:Углекислый газ способствует возникновению парникового эффекта, поэтому его уровень используется для мониторинга качества воздуха.
• УФ-излучение: Для защиты населения от вредного УФ-излучения решающее значение имеет мониторинг в живописных районах.
• Пыль (PM2,5/PM10): Воздействие твердых частиц, особенно PM2,5 и PM10, может оказывать серьёзное влияние на здоровье человека. Поэтому они играют ключевую роль в мониторинге качества городского воздуха.
• Шум: помогает специалистам по мониторингу окружающей среды и городским планировщикам отслеживать уровень шумового загрязнения в общественных местах для получения информации и принятия мер по его снижению.
• Видимость: В путешествиях и туризме видимость может играть ключевую роль в наслаждении живописными видами и организации досуга.

● Дополнительные модули (GPS, электронный компас, датчик наклона)

Для автоматических метеостанций, которые постоянно находятся в движении, предусмотрены дополнительные модули, которые могут помочь в сборе данных.

• GPS:Отслеживает широту, долготу и скорость, предоставляя данные о местоположении в реальном времени для мобильных платформ, таких как корабли или транспортные средства.
• Электронный компас: измеряет правильное направление ветра (0–359°, точность ±3°), компенсируя движение платформы.
• Датчики наклона: отслеживают наклон (от -90° до +90°) по осям X, Y, Z, обеспечивая точные данные на неровных или движущихся поверхностях.

Заключение

Автоматические метеостанции (АМС) являются ключевыми устройствами для агентств по мониторингу окружающей среды, правительств, фермеров, авиационных экспертов и исследователей атмосферы. Современные сверхкомпактные АМС с низким энергопотреблением и питанием от солнечной энергии производят революцию в области мониторинга и прогнозирования погоды благодаря использованию интегрированных многопараметрических датчиков. АМС высокого или премиум-класса могут предоставлять данные с полей в режиме реального времени, контролируя более 32 параметров, от температуры до уровня CO2. Они могут работать в экстремальных условиях, передавая ценные и достоверные данные по указанному адресу.

Ниже приведены примеры AWS от RIKA, в которых представлена ​​таблица с несколькими датчиками, в которой объясняются некоторые типы метеостанций и их основные параметры, которые они отслеживают:

Часто задаваемые вопросы

В. Как используются данные автоматической метеостанции?

Данные из AWS передаются в виде информации, которая затем преобразуется в визуально понятные тренды или оповещения. В частности, мониторинг ключевых погодных условий в интересующем регионе может быть полезен для таких отраслей, как авиация, сельское хозяйство, туризм, солнечные электростанции и многие другие.

В. Какова стоимость установки AWS?

Стоимость AWS варьируется в зависимости от датчиков и функций, начиная с нескольких тысяч долларов. Вы можете связаться с производителями AWS, чтобы получить расценки. Некоторые производители, например, RIKA, предлагают решения для самостоятельной сборки, в том числе на солнечных батареях, которые легко настроить. Посетите их веб-сайт и оставьте запрос по контактному адресу электронной почты, номеру телефона или странице на сайте. Они обязательно свяжутся с вами и предоставят расценки.

В. Можно ли интегрировать AWS в более крупные системы мониторинга погоды?

Да, AWS, предлагая автономные возможности, также может подключаться к более крупным системам через 4G, Wi-Fi или RS-485. Они обеспечивают обмен данными в режиме реального времени для анализа, что может привести к созданию глобальных и региональных сетей мониторинга и прогнозирования погоды.