Klimamesstechnik
Solange die Menschheit existiert, war es ihr Wunsch, das Wetter vorauszusagen und anhand dieses Wissens planen zu können. Eine Wettervorhersage wird mit einem Messsystem niemals möglich sein, bestenfalls ist das möglich mit einer Vielzahl von Stationen und einer Riesenrechenkapazität. Klimamesstechnik soll deshalb ganz klar umrissen werden als Messmöglichkeiten für die elementaren Parameter wie Temperatur, Feuchte, Luftdruck, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Sonnenenergie und Regenmenge. Diese physikalischen Größen sind an jeder Stelle anders und man kann leider nicht davon ausgehen, dass die Messwerte an beliebigen Punkten wiederholbar sind. Diese Messwerte sind nur punktuell feststellbar und um ein umfassendes Bild zu bekommen, verlangen sie eine große Anzahl an Messstationen, die je nach Aufgabenstellung in entsprechenden Abständen aufgestellt sind. Selbst in der Höhe können wir unterschiedlichste Messwerte ermitteln, sodass auch hier eine Absolutmessung nicht möglich ist, sondern nur Relativmessungen proportional zur Höhe. Wir wissen also, dass Temperaturen in unterschiedlichen Höhen, auch wenn nur wenige Meter Abstand dazwischen liegen, durchaus unterschiedliche Werte anzeigen können. Um dennoch in diesem komplizierten Metier messen zu können, bedarf es einer Sensorik, die den Aufgabenstellungen optimal entspricht und die ermessenen Parameter linearisiert, digitalisiert und in ein Format umsetzt, das über mehrere hundert Meter oder gar Kilometer oder über Funk- oder Satellitenübertragung übermittelt wird, ohne dass Verluste oder Fehlweisungen bei der Übertragung entstehen.
Umwandlung der physikalischen Werte in elektronische/digitale Werte
Jeder, der sich mit Messtechnik befasst hat, wird seine Erfahrungen mit den Störfaktoren der Nicht-Linearität und der Trägheit gemacht haben. Deshalb haben wir für unsere Wetterstationen eine besondere Messtechnik entwickelt, welche hohe Stabilität und klimatische Widerstandsfähigkeit besitzt und die Wandlung der Messwerte in elektrische Signale vor Ort am Sensor übernimmt. Infolgedessen muss die Linearisierung innerhalb des Sensors erfolgen und für einen Umgebungsbereich von -40 °C bis +65 °C ausgelegt werden, um eine sichere Aufnahme der Messwerte und deren Umwandlung zu gewährleisten. Bei den Übertragungsverfahren über Spannungs- oder Stromschleifen, wie sie seit vielen Jahrzehnten üblich sind, treten bei der Übertragung Messwertverfälschungen auf und lassen auch nur begrenzte Entfernungen zu. Störungen wie Gewitter, statische Aufladungen etc. erzeugen ein weiteres Fehlerfeld, durch das die Messwerte bis zur Unbrauchbarkeit verfälscht werden.
Mikroprozessor-Messtechnik mit Linearisierung und Datenumwandlung
Die heutigen Mikroprozessoren mit eingebauten Analog-zu-Digital-Wandlern mit Auflösungen von 12 oder sogar 16 Bit erlauben die entsprechende Auflösung der Messdaten. Mit der hohen Auflösung ist es möglich, für die Linearisierungsaufgaben des Sensors, aber auch für die Temperaturlinearisierung der Auswertelektronik, Stützpunkte zu berechnen und über viele Punkte entlang der Anzeigekurve zu nutzen und damit die zu erwartenden Fehler auszugleichen. Die Temperaturmessung ist heute so weit linearisierbar, dass kaum noch Probleme entstehen können. Bei der Feuchte- und Luftdruckmessung ist jedoch bereits ein enormer Linearisierungsaufwand notwendig, um die ermessenen Werte fehlerfrei über den kompletten Temperaturbereich zu linearisieren und später zu digitalisieren. Die Windgeschwindigkeit ist ein weiterer Parameter, der nicht linear auf die drei Schalen des Anemometers übertragen wird, denn das Interesse an möglichst leichtem Anlauf mit großer Oberfläche hat den Nachteil, dass bei hohen Geschwindigkeiten von über 120 km/h die vorhandene Masse eine Trägheit bedeutet, die es zwingend notwendig macht, wieder Linearisierungen vorzunehmen, um die Messwerte so nahe wie möglich an die tatsächlichen Gegebenheiten anzugleichen. Auch dafür werden Stützpunkte verwendet. Die Windrichtung ist einer der einfachsten Parameter, da ihre Linearität durch die Temperatur kaum verfälscht wird und kann dadurch relativ einfach gehandhabt werden. Die Messung der Globalstrahlung dagegen ist stark durch die Außentemperatur beeinflusst und muss durch besondere Stützpunkte und möglichst hoch auflösende Signale linearisiert werden. Die Regenmenge ist ein Parameter, der relativ einfach ermittelt werden kann. Hier wird nur das Selbstentleeren einer Wippe gezählt, wobei temperaturmäßig kaum Veränderungen zu erwarten sind. Damit die Linearisierung nicht allzu breit wird, ist in der Wetterstation eine Heizung (optional) eingebaut, sodass die Wetterstation selbst bei Minustemperaturen von -35°C bis -40 °C nicht einfrieren kann und auch keine Schneeablagerungen entstehen, welche das ganze Konzept zur Nichtfunktion verdammen würden. Diese Heizung beeinflusst andererseits diverse Sensoren, die wiederum linearisiert werden müssen, um die Zusatzwärme der Heizung zu kompensieren. Die Linearisierung innerhalb der Wetterstation und der einzelnen Sensoren hat also enorme Vorteile. Bei Einzelsensoren dagegen, welche ihr Signal noch analog zu ihrem Datenlogger übermitteln, wird es niemals möglich sein, diese Kompensierungen vorzunehmen. Deshalb erzeugen sie in einem Bereich von 65 ° bis -45 ° C enorme Messfehler, die bis zum Datenlogger und weiter über die Schnittstelle des Datenloggers zum eigentlichen PC übertragen werden.
Die Vorteile der Ein-Kabel-Übertragung
Wie oben bereits gezeigt, besitzen die meisten Einzelsensoren nur eingeschränkt Linearisierungsmöglichkeiten für das eigentliche Messsignal und bieten für die eigentliche Umgebungstemperatur kaum Möglichkeiten. Die analoge Übertragung, sei sie spannungs- oder stromschleifenmäßig, hat je nach Quellimpedanz relativ hohe Spannungen und Ströme, die bei den entsprechenden ohmschen Übergangswiderständen der Kabel und Stecker zu Fehlern führen, was eine Nutzung der optimalen Messdatenwandlung nur begrenzt gewährleistet. Der nachfolgende Datenlogger übernimmt analog linear die Daten und wandelt sie selten über 12 bit in digitale Daten, wobei eine Ein-Kabel-Datenübertragung nicht die Regel ist, sondern es wird für jedes Kabel und Sensor ein separates Datenkabel zur Übertragung an den Computer oder an das Endauswertgerät benötigt. Bei unserer Methode werden bereits innerhalb der Wetterstation Linearisierung, Temperaturlinearisierung, Datenwandlung mit hohen Auflösungen vorgenommen und dann die Umwandlung in alphanumerische Daten wie Parameter, Text, Messwert numerisch und Maßeinheit Text übertragen. Diese Parameter werden durch Komma getrennt und es können so Folgen bis über 20 Parameter hintereinander übertragen werden mit Baudraten bis zu 38.400 Baud. Verschiedene Schnittstellen wie RS232 erlauben eine Übertragung bis zu 100 m, Schnittstellen wie RS422 bis zu einem Kilometer und unter Zuhilfenahme von Telefonmodem oder Funkmodem und sogar GPS-Handies und Satellitentelefonen können die Daten sogar um die ganze Welt gesandt werden. Die von uns verwendete Mikroprozessortechnologie und genutzte Messtechnik benötigt geringste Stromaufnahme und erlaubt so die Datenaufnahme und das Abspeichern in einen Datenlogger innerhalb der Wetterstation für 3-5 Wochen. So kann z.B. eine Wetterstation mit einem Solarpanel versorgt werden und die Daten physikalisch über Steckverbinder an der Wetterstation abgeholt oder bei schlechter Zugänglichkeit über diverse Funksysteme übertragen werden. Natürlich können heute GPS-Telefone mit Digitalbereich mit geringsten Stromaufnahmen genutzt werden, wobei nur wenig über 100 mA an Stromaufnahme für Wetterstation und GPS-Datenübertragung benötigt werden.
Leichte Installation
Wer auch immer Wetterstationen historischer Art betrieben hat, weiß, welchen Aufwand es bedeutet, eine solche Wetterstation einzurichten. Meistens ist das in 1-2 Tagen machbar, wobei viele der zur Zeit gängigen elektronischen Stationen ähnliche oder sogar noch längere Installationszeiten beanspruchen. Dass die Kabel wettersicher, UV-sicher und sturmsicher verlegt werden müssen, ist nur eines von vielen Dingen, die beachtet werden müssen. Dazu gehören auch die Halterungen für die verschiedenstartigen Sensoren, die ausgerichtet und so befestigt werden müssen, dass sie bei Kalibrationen oder Wartungsarbeiten erreichbar sind.
Aus diesen Erfahrungen heraus haben wir Wetterstationen entwickelt, die als Befestigungsmast ein Standard 1"-Wasserrohr benötigen. Die Station wird auf dieses Wasserrohr aufgesteckt, mit 2 Schrauben befestigt und nach Norden ausgerichtet. Dann wird ein wasserdichtes, vierpoliges Kabel angesteckt und das vieradrige Kabel am 1"-Wasserrohr befestigt und verlegt. Das ist alles, was zu tun ist und lässt sich innerhalb von 5 Minuten verwirklichen. Das zeigt einen deutlichen Unterschied zu den üblichen Wetterstationen, die 1-2 Tage in Anspruch nehmen und in den meisten Fällen professionelle Elektriker erfordern, um die Kabel sicher zu verlegen.
Grafische Datenanzeige
Wie bereits erklärt, haben unsere Wetterstationen serielle Daten im ASCII-Format, die alphanumerisch und nur durch Komma getrennt sind. Die Baudraten entsprechen den typischen Übertragungskritierien der COM-Ports, wie wir sie heute an allen PCs in ein- oder mehrfacher Ausführung finden. Die kontinuierlich übertragenen Daten der Wetterstation, die dem COM-Port angeboten werden, werden über eine speziell für WINDOWS2000® entwickelte Software übernommen. Die Softwareoberfläche ermöglicht das Auslesen des Datenloggers und natürlich die Darstellung der jeweiligen Daten.Aus diesen 7 Grunddaten werden in ihrer Kombination verschiedenste andere Messwerte dargestellt, wie die Temperatur in verschiedenen Maßeinheiten, °Celsius, °Fahrenheit oder Kelvin. Beim Luftdruck können neben hPa die alten Druckwerte sowie Inch für den angelsächsischen Raum dargestellt werden. Aus der relativen Feuchte und der Temperatur kann der Taupunkt errechnet und aus der Mischung der entsprechenden Parameter Windchill oder Humidex dargestellt werden. Sie können eine Zeitachse wählen, die von einem Datensatz alle 2 Sekunden bis zu Auflösungen von Tagen, Wochen und Monaten. Die Auslenkung der Grafik kann je nach Wunsch auf dem Bildschirm vorgenommen werden. Dabei kann die Skalierung vorgewählt werden, ist aber auch automatisch einstellbar. Das Wählen der entsprechenden Farben für die jeweiligen Messwerte und das Übereinanderlegen beliebiger Kurven mit unterschiedlichen Auslenkungen ermöglicht das Korrelieren verschiedenster Grafikkurven.Die Darstellung der Maximal- und Minimalwerte sowie der typischen Mittelwerte ist ebenso Teil dieser Software wie die Steuerung z.B. für Gebäudeleittechnik über beliebig viele Parameter.
Erweiterung der Sensoren
Neben den Grundsensoren sind natürlich weitere Sensoren lieferbar, z.B. UV-Strahlung, Helligkeit, Blattfeuchte, Gewitterentladung oder Radioaktivität. Für all diese Parameter besteht die Möglichkeit der Umwandlung innerhalb der Wetterstation und in der seriellen Übertragung bis zur Auswertung am PC etc. mit den Möglichkeiten der grafischen Darstellungen. Da wir an unseren Wetterstationen noch diverse analoge Eingänge, aber auch Pulseingänge zur Verfügung haben, können Sie Sensoren Ihrer Wahl in den Aufgabenprozess mit einbinden und die Ergebnisse mit Hilfe der Software grafisch darstellen, wobei auch hier die Parameter und die Auslenkung eingegeben und ebenfalls grafisch dargestellt werden können. Eine komfortable Verwaltung der Messdaten erlaubt es Ihnen, auch nach Jahren und Jahrzehnten im Rahmen der Datenbanknutzung bestimmte Parameter oder Grenzwerte auszufiltern.Sie können diesen Artikel laden unter ART203.pdf.
© 24.03.2003
