Prosta automatyczna stacja meteorologiczna w szkole – pomiar ...

Uniwersytet Warszawski
Wydział Fizyki
Anna Karolina Jagodnicka
177775
Prosta automatyczna stacja meteorologiczna
w szkole – pomiar zmienności ciśnienia
atmosferycznego, temperatury i wilgotności
powietrza
Praca magisterska
na kierunku Fizyka, NKF
w zakresie nauczania fizyki i matematyki
Praca wykonana pod kierunkiem
dr hab. Szymona Malinowskiego prof. UW
w Zakładzie Fizyki Atmosfery
Warszawa, wrzesień 2005
1

Oświadczenie kierującego pracą
Oświadczam, że niniejsza praca została przygotowana pod moim kierunkiem i stwierdzam, że
spełnia ona warunki do przedstawienia jej w postępowaniu o nadanie tytułu zawodowego.
Data
Podpis kierującego pracą
Oświadczenie autora (autorów) pracy
Świadom odpowiedzialności prawnej oświadczam, że niniejsza praca dyplomowa została
napisana przeze mnie samodzielnie i nie zawiera treści uzyskanych w sposób niezgodny z
obowiązującymi przepisami.
Oświadczam również, że przedstawiona praca nie była wcześniej przedmiotem procedur
związanych z uzyskaniem tytułu zawodowego w wyższej uczelni.
Oświadczam ponadto, że niniejsza wersja pracy jest identyczna z załączoną wersją
elektroniczną.
Data
Podpis autora (autorów) pracy
2

Streszczenie
Celem pracy była kalibracja czujników zastosowanych w automatycznej stacji meteorologicznej (ASM)
skonstruowanej na Wydziale Fizyki UW. Krótko opisana została budowa, zasada działania i
zastosowanie automatycznych stacji pomiarowych oraz w szczególności – budowa stacji na WF.
Przedstawiono przebieg i wyniki kalibracji oraz przykładowe przebiegi zmienności parametrów.
Wskazano możliwości dalszego rozwoju stacji, jako urządzenia użytecznego w badaniach
prowadzonych w Zakładzie Fizyki Atmosfery. Przedstawiono również potencjalne zastosowanie takich
prostych ASM jako cennego narzędzia edukacyjnego.
Słowa kluczowe
automatyczna stacja meteorologiczna, pomiary meteorologiczne, pogoda
Dziedzina pracy (kody wg programu Socrates­Erasmus)
13.2 fizyka
3

Spis treści
Wstęp............................................................................................................................................5
I. Automatyczne stacje meteorologiczne......................................................................................7
1. Podział..................................................................................................................................7
2. Budowa.................................................................................................................................8
2.1. Przyrządy pomiarowe...................................................................................................9
2.1.1. Informacje ogólne .....................................................................................................9
2.1.2. Podstawowe przyrządy pomiarowe parametrów meteorologicznych ......................11
Temperatura...................................................................................................................11
Ciśnienie.......................................................................................................................13
Wilgotność....................................................................................................................14
2.2. Układ rejestrujący ......................................................................................................17
2.3. Układ wizualizacji i transmisji ..................................................................................18
2.4. Mikrokontroler............................................................................................................18
2.5. Zasilanie......................................................................................................................20
3. Zalety..................................................................................................................................20
4. Zastosowanie .....................................................................................................................21
II. Automatyczna stacja meteorologiczna Wydziału Fizyki ....................................................23
1. Budowa..............................................................................................................................23
Czujniki..............................................................................................................................26
2. Kalibracja czujników .........................................................................................................27
2.1. Kalibracja termometru................................................................................................27
2.2. Kalibracja czujnika ciśnienia......................................................................................30
2.3. Kalibracja czujnika wilgotności..................................................................................32
3. Zmienność czasowa mierzonych parametrów ................................................................34
4. Możliwości rozwoju ........................................................................................................42
III. Automatyczna stacja meteorologiczna w szkole..................................................................44
Podsumowanie........................................................................................................................47
Literatura.................................................................................................................................48
4

Wstęp
Od najdawniejszych czasów człowiek interesował się pogodą. Obserwacją pogody
zajmowały się wszystkie ludy na kuli ziemskiej. Najdawniejsze zapisy pochodzą z epoki
babilońskiej ­ już wtedy spisywano kroniki pogodowe na kamiennych tabliczkach. Pogodą i
klimatem interesowali się starożytni Grecy ­ to oni wprowadzili słowa atmosfera i meteorologia;
meteorami określali wszelkie zjawiska atmosferyczne, które też opisywali w swoich dziełach.
“Meteorologia” Arystotelesa uznawana jest za książkę, która dała początek meteorologii jako
nauce.
Początkowo pomiary meteorologiczne polegały na zapisie i gromadzeniu spostrzeżeń i
obserwacji zjawisk. Istotny postęp nastąpił dopiero w XVI i XVII wieku, kiedy wynaleziono
pierwsze przyrządy pomiarowe. W 1542 roku Galileusz skonstruował pierwowzór termometru
powietrznego, a w 1643 roku jego uczeń, Toricelli zbudował pierwszy barometr rtęciowy. Te
wynalazki rozpoczęły okres opisu atmosfery za pomocą parametrów meteorologicznych.
Zaczęto tworzyć stacje meteorologiczne, w których wykonywano obserwacje i pomiary
instrumentalne, korzystając z dostępnych wówczas przyrządów. Pierwsza europejską sieć
obserwatoriów meteorologicznych powstała już w połowie XVII wieku. W wieku XVIII
systematyczne i regularne pomiary stały się powszechne w całej Europie. Gromadzone wyniki
obserwacji i pomiarów porządkowano i systematyzowano, próbowano wyciągać z nich wnioski
statystyczne. Jednak dopiero od połowy XX wieku szerzej zaczęto stosować prawa fizyki i
metody matematyczne do wyjaśniania obserwowanych zjawisk i ustalania zależności miedzy
nimi, tworzenia pełnych teorii funkcjonowania atmosfery. Meteorologia stała się nauką ścisłą.
Znajomość ogólnych praw rządzących zjawiskami pogodowymi ma podstawowe znaczenie
praktyczne – pozwala bowiem przewidywać wystąpienie tych zjawisk. Do prognozowania
pogody potrzebny jest jednak pełen obraz stanu i dynamiki atmosfery całej Ziemi, a więc
niezbędna ­ możliwość szybkiej wymiany informacji meteorologicznych na skalę globalną.
Przez długi czas na przeszkodzie był brak środków łączności. Dopiero wynalezienie telegrafu,
telefonu i radia umożliwiło sprawne przekazywanie wyników pomiarów i rozwój meteorologii
synoptycznej. Obecnie przesyłanie danych odbywa się głównie za pomocą szybkich łączy
komputerowych.
Dziś niemal każdy dział gospodarki korzysta z danych meteorologicznych. Na całym świecie
działają służby meteorologiczne, które prowadzą obserwacje i pomiary pogody i stanu klimatu
za pomocą sieci stacji meteorologicznych. Do głównych parametrów mierzonych w stacjach
należą: temperatura i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, kierunek i prędkość wiatru,
wielkość opadów i osadów, a także parowanie, promieniowanie słoneczne i podczerwone,
widzialność, wyładowania elektryczne. W procesach pogodowych najważniejsze są temperatura,
ciśnienie i wilgotność.
Obecnie coraz powszechniej korzysta się z automatycznych stacji meteorologicznych, w
których pomiar, analiza oraz najczęściej również przesyłanie danych jest zautomatyzowane.
Taką prostą stację pomiarową skonstruowano na Wydziale Fizyki UW. Rejestruje ona
temperaturę i wilgotność powietrza oraz ciśnienie atmosferyczne. Wyniki pomiarów dostępne są
na uczelnianej stronie internetowej. Stacja taka stanowi podstawowe narzędzie do badania
atmosfery i jako takie ma być jednym z ważniejszych instrumentów pomiarowych w Zakładzie
5

Fizyki Atmosfery UW.
Automatyczne stacje meteorologiczne ­ jako automatyczne systemy pomiarowe ­
wykorzystywane są obecnie powszechnie nie tylko w meteorologii, ale również w innych
dziedzinach. Mogą też stanowić cenne i pomocne narzędzie edukacyjne.
Głównym celem pracy była kalibracja użytych w stacji na Wydziale Fizyki UW czujników
oraz wskazanie korzyści wynikających z posiadania takiej stacji w szkole. Krótko opisana
została budowa, zasada działania i zastosowanie automatycznych stacji meteorologicznych oraz
w szczególności – budowa stacji skonstruowanej na WF UW. Przedstawiono przebieg i wyniki
kalibracji oraz przykładowe przebiegi zmienności parametrów.
Chciałabym podziękować dr hab. Szymonowi Malinowskiemu za opiekę naukową,
oraz mgr Pawłowi Klimczewskiemu i dr Wojciechowi Kumali za pomoc w czasie pisania tej
pracy.
6

I. Automatyczne stacje meteorologiczne (ASM)
W pierwszych obsługowych stacjach meteorologicznych pomiar polegał na systematycznym
odczycie i zapisie wskazań przyrządów. Pewną automatyzację umożliwiło zastosowanie
przyrządów pomiarowych zaopatrzonych w mechaniczne urządzenia samopiszące, które
pozwalały na ciągły zapis wartości parametrów mierzonych przez odpowiednie czujniki. Do
takich urządzeń należały między innymi termografy, barografy, higrografy – mierzące
odpowiednio temperaturę, ciśnienie, wilgotność oraz tzw meteorografy, rejestrujące te trzy
parametry jednocześnie. Nadal jednak pomiar i analiza tak zebranych danych była czasochłonna
i pracochłonna. Naturalnym dążeniem było zminimalizowanie konieczności obsługi, a celem ­
stworzenie stacji automatycznych nie wymagających obsługi.
Wraz z postępem technicznym stopniowo doskonalono stosowane metody i urządzenia.
Jednak dopiero wykorzystanie zaawansowanych układów mikroelektronicznych dokonało
przełomu w automatyzacji stacji meteorologicznych. Zastosowanie mikroprocesorowych
rejestratorów danych, komputerów i transmisji danych na odległość znacznie uprościło całą
procedurę pomiaru i analizy danych oraz stworzyło zupełnie nowe możliwości szybkiego
przekazywania zebranych informacji.
Obecnie rośnie zapotrzebowanie na coraz więcej bardziej szczegółowych informacji o
atmosferze, zarówno w celach czysto naukowych jak i praktycznych. Dokładne dane
meteorologiczne pozwalają doskonalić znajomość procesów atmosferycznych, są też kluczowe
w poprawianiu jakości prognoz meteorologicznych. Stąd potrzeba większej ilości stacji i
częściej wykonywanych pomiarów, a co za tym idzie – coraz większej ilości danych do
przetworzenia. Dlatego też ASM są ciągle udoskonalane i coraz powszechniej stosowane.
1. Podział ASM
Pod względem budowy i zastosowanej technologii ASM można podzielić na:
mechaniczne,
elektroniczne
Najprostszą mechaniczną stacją jest stacja obsługowa ze wspomnianymi już przyrządami
pomiarowymi wyposażonymi w mechaniczne urządzenia samopiszące, rejestrujące na taśmie
wyniki pomiarów.
Obecnie stosuje się głównie elektroniczne ASM – wykorzystujące elektryczne czujniki i
przyrządy pomiarowe.
Wynalezienie tranzystora oraz układu scalonego umożliwiło stworzenie cyfrowych ASM, w
budowie których wykorzystuje się technologię cyfrową. Rozwój mikroelektroniki doprowadził
do skonstruowania mikroprocesorowych rejestratorów danych – w miejsce tradycyjnych
papierowych elementów zapisujących ­ jak też urządzeń do zdalnej transmisji, a więc układów ,
które stanowią podstawowe zalety stacji automatycznych i decydują o ich przewadze nad
układami tradycyjnymi. Ze względu na ogromny rozwój układów cyfrowych cyfrowe
elektroniczne ASM odgrywają obecnie podstawową rolę w pomiarach meteorologicznych.
ASM można sklasyfikować również według innych kryteriów.
7

Pod względem przeznaczenia informacji wyjściowych można wyróżnić stacje:
klimatyczne,
synoptyczne,
specjalne (lotniskowe, ostrzegawcze, agrometeorologiczne, monitoringu skażeń i in).
Zależnie od sposobu wykorzystywania gromadzonych danych stacje można podzielić na dwie
grupy:
stacje, w których informacje przekazywane są na bieżąco (w tzw czasie rzeczywistym, ang.
real time),
stacje, w których przekaz i wykorzystanie danych następuje z opóźnieniem, po ich
zgromadzeniu (w tzw czasie nierzeczywistym, ang. non real time).
Stacje pierwszego typu stosuje się w celach operacyjnych ­ tam, gdzie istotna jest bieżąca
kontrola i ostrzeganie, drugiego ­ w klimatologii i badaniach meteorologicznych. Często w
uproszczeniu mówi się o stacjach typu klimatologicznego i synoptycznego.
Stacje mogą być instalowane w obszarach zaludnionych lub bezludnych ­ mają one inne
zadania, ale też przede wszystkim różne rozwiązania konstrukcyjne i techniczne. Stacje na
terenach bezludnych ­ arktycznych, pustynnych, wyspowych, morskich, wysokogórskich ­
muszą przede wszystkim być odporne na panujące w miejscu lokalizacji ekstremalne warunki
środowiskowe, ponadto powinny przez określony czas pracować bezawaryjnie i bez nadzoru.
Wymagania pomiarowe mogą być niewielkie – stacje te mierzą nieliczne parametry, pracują w
prostych układach. Najczęściej są one zasilane z własnych źródeł energii, której zużycie
powinno być możliwie najmniejsze. Stacje takie wyposażone są zwykle w uruchamiane
okresowo nadajniki radiowe.
Stacje dla obszarów zaludnionych mają za zadanie częściowo zastąpić personel stacji w
wykonywaniu powtarzalnych czynności. Wymagania co do takich stacji są wysokie – zarówno
względem zakresu i jakości pomiarów jak i przetwarzania danych. [2]
2. Budowa ASM
Automatyczne stacje wykonują pomiary wielkości meteorologicznych za pomocą czujników,
wyliczają wielkości pochodne, równolegle korygując jakość danych na podstawie informacji z
wewnętrznych źródeł sygnałów wzorcowych i realizując wstępny program kontroli wyników
pomiarów i obliczeń. Tak zweryfikowane dane są gromadzone lub przesyłane dalej.
Prowadzony jest monitoring parametrów bezpośrednio mierzonych i pochodnych pod kątem
jakości danych i w razie niezgodności ­ redagowane są automatyczne komunikaty ostrzegawcze,
wysyłane sygnały alarmowe. Realizowane jest automatyczne formatowanie i wysyłanie
komunikatów i meldunków. [2]
Do podstawowych podzespołów stacji należą:
przyrządy pomiarowe
układy rejestrujące
układy wizualizacji i transmisji
Stacje automatyczne powinny mieć kompaktową konstrukcję, odpowiednią obudowę,
możliwie niewielkie rozmiary i ciężar oraz wykazywać odporność na wstrząsy mechaniczne,
warunki klimatyczne, wibracje, co jest ważne np. przy transporcie.
8

2.1. Przyrządy pomiarowe
2.1.1. Informacje ogólne
Każdy przyrząd i układ pomiarowy służy do zamiany informacji wejściowej – mierzonej
wielkości fizycznej ­ na równoważną jej wielkość fizyczną pojawiającą się na wyjściu. W
najprostszym układzie przyrząd pomiarowy składa się z czujnika, przetwornika sygnału oraz
wskaźnika lub rejestratora. Czujnik jest elementem pomiarowym, którego jakaś własność
fizyczna zmienia się pod wpływem mierzonej wielkości. Przetwornik sygnału ­ mechanizm
przekazujący ­ zamienia sygnał z czujnika na inną wielkość, która jest dalej mierzona,
odczytywana, zapisywana. W najprostszym przypadku może to być układ mechaniczny (np.
ciśnieniomierz) lub obwód elektryczny (np. termopara i woltomierz) .
W zależności od zastosowanych przetworników przyrządy można podzielić na:
mechaniczne,
elektryczne.
W urządzeniach pierwszej grupy stosuje się przetworniki mechaniczne i hydrauliczne, które
zamieniają mierzony sygnał na inną nieelektryczna wielkość (np. wychylenie wskazówki,
zmiana poziomu cieczy). W czujnikach i przyrządach elektrycznych nośnikiem informacji o
wartości wielkości mierzonej jest sygnał elektryczny (amplituda napięcia, natężenia,
częstotliwość, przesunięcie fazowe), określany dalej metodami miernictwa elektrycznego. [1]
Mierniki elektryczne często mają znacznie lepsze parametry techniczne. Sygnał elektryczny
jest łatwy w obróbce i może być łatwo przekształcony do postaci danych możliwych do
przesyłania.
Przyrządy mogą jedynie mierzyć lub też rejestrować w sposób ciągły albo okresowy wartość
mierzonego parametru ­ zależnie od tego można wyróżnić:
mierniki (np. termometry),
rejestratory (np. termografy).
Ze względu na sposób przetwarzania informacji czujniki i przyrządy elektryczne można
podzielić na:
analogowe,
cyfrowe.
W przyrządach analogowych sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do mierzonej wielkości,
wskazania odczytywane są na skali – podziałka tej skali determinuje dokładność pomiaru. W
urządzeniach cyfrowych sygnał wyjściowy ­ w przeciwieństwie do parametru mierzonego –
zmienia się w sposób dyskretny, składa się z kolejnych bitów informacji, w których zakodowana
jest wartość mierzonej wielkości. Zakres zmienności składa się z równych przedziałów, które
odpowiadają najmniejszej możliwej do detekcji zmianie parametru. [1]
W czujnikach cyfrowych informacja o mierzonej wielkości może być przesyłana w sposób:
równoległy,
szeregowy.
W przypadku transmisji równoległej każdy bit informacji przesyłany jest osobnym
przewodem. Dzięki temu informacje można przesyłać z dużą prędkością, ale niezbędne są
wielożyłowe kable połączeniowe. W układach szeregowych kolejne bity przesyłane są jeden za
drugim. Transmisja jest wolniejsza, ale układ połączeniowy prostszy.
9

W cyfrowych ASM stosuje się oba typy czujników elektrycznych. Jednocześnie większość
stosowanych współcześnie rejestratorów zapisuje informacje w postaci cyfrowej. Przy
zastosowaniu czujników analogowych konieczne jest więc dołączenie układów
dostosowujących informację wyjściową czujnika do wejściowej rejestratora. Pierwszym
wstępnym etapem jest zamiana sygnału analogowego na napięcie o odpowiedniej
charakterystyce. Takimi elementami dopasowującymi mogą być układy przedwzmacniaczy,
wzmacniaczy, układów mostkowych, filtrów. Dalej sygnał napięciowy z każdego czujnika jest
kierowany za pomocą elektronicznego przełącznika (ang. multiplexer) do przetwornika
analogowo­cyfrowego A/C (ang. A/D converter) obecnie wykonanego najczęściej w postaci
układu scalonego. Końcowym niezbędnym elementem jest tzw interfejs, dostosowujący sposób
transmisji do wymagań dalszej części ASM. Powszechnie stosowane są interfejsy transmisji
szeregowej o różnej konstrukcji, najczęściej spotykany jest 9­żyłowy interfejs RS232, ale
używane są również układy o mniejszej ilości przewodów łączących ( 3­żyłowy SPI, 2­żyłowy
I2C, USB). Upraszczanie konstrukcji budowy interfejsów spowalnia i komplikuje sposób
transmisji.
Czujniki cyfrowe mają postać układu scalonego, w którym wbudowane są wszystkie
wymienione powyżej elementy: czujnik analogowy, układ dopasowujący, przetwornik A/C oraz
interfejs służący do komunikacji z rejestratorem.
Sygnały w formie cyfrowej mogą być rejestrowane i dalej przetwarzane w rejestratorze.
Wskazania przyrządów pomiarowych obarczone są zawsze pewnymi błędami wynikającymi
z konstrukcji przyrządu oraz stosowanej metody.
Dla zapewnienia właściwych pomiarów każdy czujnik powinien być używany zgodnie z
warunkami eksploatacji oraz podlegać okresowej kontroli i kalibracji, zgodnie z obowiązującą
procedurą i przy użyciu urządzeń wzorcowych. Do właściwego wykonywania pomiarów ważne
jest: znajomość zasady działania przyrządów i czujników oraz źródeł błędów, sposobu ich
redukcji, ogólne rozumienie zasady działania układów pomiarowych, rozumienie warunków
prawidłowej ekspozycji sprzętu, zasad lokalizacji stanowisk pomiarowych, prawidłowego
użytkowania przyrządów i urządzeń. Ustalone są też programy interkalibracji przyrządów –
określające reguły dotyczące ich wzorcowania i kontroli jakości, oceny własności sprzętu oraz
zagadnienia standaryzacji i unifikacji metod i przyrządów.
Każdy typ miernika ma inne wymagania, inne warunki ekspozycji, a wykonywane nim
pomiary są obarczone innymi błędami. Wymienione cechy oraz parametry przyrządu
determinują zakres jego zastosowania. [1]
Każdy przyrząd pomiarowy określają dane techniczne, parametry, które składają się na jego
charakterystykę. Do podstawowych parametrów należą:
zasada działania (sposób przetwarzania sygnału)
zakres pomiarowy (zakres wartości wielkości mierzonej, dla której przyrząd może być
stosowany )
dokładność wskazań, rejestracji (błąd bezwzględny)
czułość (stosunek sygnału czujnika do sygnału, zmiany wielkości mierzonej)
rozdzielczość (najmniejsza mierzalna wielkość)
stała czasowa i czas reakcji (związane z bezwładnością czujnika)
liniowość (liniowa zależność między wartością parametru a wskazaniem czujnika)
histereza (wpływ historii pomiarów na wskazania czujnika)
10

2.1.2. Podstawowe przyrządy pomiarowe parametrów meteorologicznych
W dalszej części przedstawione zostaną w skrócie podstawowe metody pomiaru temperatury,
ciśnienia i wilgotności. Te parametry meteorologiczne mierzone są w opisywanej stacji i
jednocześnie stanowią najważniejsze czynniki pogodowe.
Przegląd metod został opracowany na podstawie książki “Miernictwo meteorologiczne” K.
Różdżyńskiego i uzupełniony z innych źródeł. Dokładniejsze informacje oraz opis metod
pomiaru pozostałych parametrów meteorologicznych znajduje się we wskazanej literaturze. [1,
2, 5]
Temperatura
Temperaturę powietrza wyznacza się w sposób pośredni, bezpośrednio określając
temperaturę własną termometru. Dlatego w pomiarach podstawowym założeniem jest stan
równowagi termodynamicznej między czujnikiem (termometrem) a powietrzem. Odstępstwa od
tego założenia są główną przyczyną błędów pomiarowych.
Do konstrukcji termometru wybiera się ciało termometryczne, które wraz ze zmianą
temperatury podlega jakiemuś zjawisku fizycznemu. Rejestrując zmieniającą się pod wpływem
temperatury jakąś wielkość fizyczna ciała termometrycznego, określa się temperaturę powietrza.
W standardowych termometrach domowych mierzy się poziom rtęci, rozszerzającej się przy
wzroście temperatury.
Termometry umieszcza się w osłonach radiacyjnych (klatkach meteorologicznych), które
mają chronić czujniki przed promieniowaniem i czynnikami zewnętrznymi (osady, opady),
zmieniającymi warunki wymiany ciepła z miedzy czujnikiem a otaczającym go powietrzem.
Jednostką temperatury w układzie SI jest Kelwin [K], stosowany przede wszystkim w
badaniach naukowych. W meteorologii temperatura mierzona jest w stopniach Celsjusza. W
krajach anglosaskich stosowana jest też skala Fahrenheita.
W pomiarach temperatury wykorzystuje się następujące zjawiska fizyczne:
rozszerzalność cieczy i ciał stałych
zmiany oporności metali i półprzewodników
zmiany przenikalności elektrycznej
wytwarzanie siły termoelektrycznej
zależność natężenia i rozkładu widma promieniowania od temperatury
zmiany prędkość dźwięku;
W meteorologii znalazły zastosowanie termometry wykorzystanie pierwsze cztery z
podanych zjawisk:
termometry nieelektryczne (cieczowe i deformacyjne (bimetaliczne)) oraz
termometry elektryczne:
• oporowe (metaliczne) i półprzewodnikowe (termistory)
• termoelektryczne (termoogniwa, termopary)
• termodielektryczne
11

W rutynowych obserwacjach meteorologicznych stosowane są najczęściej szklane
termometry cieczowe, wykorzystujące różnicę cieplnej rozszerzalności objętościowej cieczy
termometrycznej i naczynia szklanego, złożonego ze zbiorniczka i kapilary, w którym ta ciecz
się znajduje. Przy zmianie temperatury przyrządu zmiana objętości cieczy odniesiona do zmiany
objętości naczynia jest wskazywana poprzez zmianę wysokości słupa cieczy w kapilarze.
Rodzaj cieczy termometrycznej zależy od wymaganego zakresu pomiarowego – najczęściej
stosowana jest rtęć oraz alkohole.
Elementem pomiarowym termometrów deformacyjnych jest bimetal – płytka wykonana ze
spojonych dwóch pasków metali o różnych współczynnikach rozszerzalności liniowej,
unieruchomionych na jednym z końców płytki. Zmiany temperatury powodują niejednakowe
rozszerzenie się obu materiałów, a więc wygięcie płytki. Wygięcie to zależy bardzo silnie od jej
długości, stąd paski metali są często zwijane spiralnie lub śrubowo. Czujniki bimetalowe
umożliwiają ciągłą rejestrację zmian temperatury, dlatego są stosowane w termografach
meteorologicznych.
Zasada działania termometru oporowego polega na zmianie oporności czujnika pod wpływem
zmian temperatury. W znacznym zakresie temperatur ta zależność R(T) jest liniowa. Oporniki
termometryczne wykonuje się z platyny, niklu oraz miedzi, przy czym platyna wykorzystywana
jest najczęściej; metal ten działa w dużym zakresie temperatur, ma dobre własności fizyczne i
chemiczne (min wysoki współczynnik temperaturowy oporu), dobrze opracowaną technologię
otrzymywania czystego metalu oraz wykazuje dużą odporność na działanie czynników
zewnętrznych. Termometry oporowe wykonywane są najczęściej w postaci uzwojenia z
cienkiego drutu nawiniętego na element izolujący. Standardowe termometry platynowe mają
oporności 100 w temperaturze T 0°C.
W termometrach półprzewodnikowych czujnikiem pomiarowym jest dioda, tranzystor lub
najczęściej termistor; w elementach tych wykorzystuje się zależność temperaturową,
odpowiednio: napięcia emitor – baza tranzystora, napięcia w kierunku przewodzenia diody oraz
oporności termistora. Czujniki termistorowe mają duża czułość i mogą mieć małe wymiary, a
ich nieliniowość wskazań obecnie łatwo koryguje się układami elektronicznymi czy uwzględnia
przy kalibracji, dlatego są chętnie i powszechnie stosowane, również w stacjach
automatycznych.
Termometr termoelektryczny (termoogniwo, termopara ) stanowi obwód złożony z dwóch
różnych przewodników, których punkty łączące (styku) znajdują się w różnych temperaturach.
W takiej pętli powstaje siła elektromotoryczna (zwana też siłą termoelektryczną), która
powoduje przepływ prądu. W zakresie temperatur występujących w atmosferze siła
termoelektryczna jest w przybliżeniu liniowa funkcją różnicy temperatur punktów styku.
Zwiększenie czułości wspomnianych czujników uzyskuje się tworząc termostosy, czyli obwody
szeregowo połączonych w obwód kilku termopar. W meteorologii termostosy są najczęściej
stosowane do pomiarów natężenia promieniowania słonecznego.
W termometrach termodielektrycznych wykorzystuje się zależność przenikalności
elektrycznej niektórych materiałów od temperatury. Przetwornikiem sygnału jest kondensator z
dielektrykiem o dużej przewodności elektrycznej. Termometry te wykazują dużą czułość
pomiaru, ale mają niewielkie zastosowanie w meteorologii.
12

Ciśnienie
Podstawową jednostką ciśnienia jest Pascal Pa [ N m 2 ] . Do celów meteorologicznych jest to
jednostka niewygodnie mała, dlatego w pomiarach ciśnienia atmosferycznego przyjęto
jednostkę sto razy większą – hektopascal [hPa].
Do pomiaru ciśnienia stosuje się:
barometry cieczowe,
barometry deformacyjne,
hipsometry.
W barometrach cieczowych ciśnienie atmosferyczne równoważone jest ciężarem słupa cieczy
– miarą ciśnienia jest wysokość tego słupa. Teoretycznie do pomiaru można stosować dowolną
ciecz – w praktyce przydatne są ciecze gęstsze, w meteorologii stosuje się rtęć. By wyniki były
porównywalne ustalone zostały tzw warunki standardowe temperatury, gęstości rtęci oraz
przyciągania grawitacyjnego. Obecnie barometry rtęciowe stanowią przede wszystkim
precyzyjne przyrządy wzorcowe.
W hipsometrach (temobarografach) wykorzystuje sie zależność temperatury wrzenia wody od
ciśnienia. Hipsometry wykazują większą dokładność przy mniejszym ciśnieniu i dlatego
stosowane są zwłaszcza w sondażach aerologicznych. Są też odporne na większość czynników
zewnętrznych – stąd ich zastosowanie pomiarach morskich.;
W barometrach deformacyjnych ciśnienie atmosferyczne równoważone jest przez siły
sprężystości materiałów budujących czujnik. Elementem pomiarowym są wypełnione próżnią
lub gazem pod niskim ciśnieniem puszki zbudowane z elastycznych membran (aneroidy) oraz
metalowe cylindry (cylindry rezonatorowe).
W cylindrach rezonatorowych (rezonatorach), stosowanych niegdyś głównie do pomiarów
wysokości, zmiana ciśnienia zmienia naprężenia w ściankach cylindra, a więc wpływa na
częstotliwość drgań rezonatora. W aneroidach lub barografach (stosach aneroidów) miarą
zmiany ciśnienia są – odpowiednio wzmocnione – odkształcenia membran.
W mechanicznych barometrach aneroidowych przetwornikiem sygnału jest dźwignia ­
odkształcenia membran przenoszone za pomocą mechanizmu dźwigni na wskazówkę skali lub
ramię pisaka.
Obecnie znacznie powszechniej używane są barometry mikroelektroniczne wykorzystujące
jako czujniki oba rodzaje barometrów deformacyjnych oraz elektryczne przetworniki,
współpracujące z układami elektronicznymi. W aneroidach tych przetworniki elektryczne –
najczęściej kondensatory – mogą być umieszczone na zewnątrz lub wewnątrz aneroidów lub też
mogą być wbudowane w układy scalone. Zmiana ciśnienia wpływa na odkształcenie takiego
kondensatora, a więc i na jego pojemność.
Współcześnie w meteorologii, szczególnie w stacjach automatycznych coraz częściej
barometry wykonuje się w formie krzemowych membran zintegrowanych z
mikroelektronicznymi układami przetwarzania sygnału w jednym układzie scalonym. Takie
krzemowe czujniki uginają się przy zmianie ciśnienia, co jest mierzone tensometrycznie (za
pomocą mostków piezooporowych) lub pojemnościowo (za pomocą układów rezonansowych)
[4].
13

Wilgotność
Wilgotność powietrza – zawartość pary wodnej – może być określana za pomocą różnych
wielkości; w tabeli podano definicje, zależności oraz jednostki wielkości zalecanych przez
WMO dla służb meteorologicznych.
wielkość zależność jednostka
prężność (ciśnienie) pary wodnej e [hPa]
wilgotność względna
(ang relative humidity)
RH = e [%]
E ∗100
stosunek zmieszania
wilgotność właściwa
(zawartość pary wodnej)
wilgotność bezwzględna
(stężenie, koncentracja pary
wodnej)
r= m v
m a
q= m v
m a
m v
d= m v
V
E – maksymalna prężność pary wodnej w stanie nasycenia
m v ­masa pary wodnej,
m a ­masa suchego powietrza,
m v +m v ­ masa wilgotnego powietrza,
V­ objętość zajmowana przez powietrze wilgotne
[ g
kg ]
[ g
kg ]
[ kg
m 3 ]
Z wymienionych wielkości w pomiarach meteorologicznych najczęściej określa się
wilgotność względną powietrza. Wielkość tę można określić też jako stosunek aktualnej ilości
pary wodnej do takiej ilości, która nasyca powietrze w danej temperaturze.
Czujniki wilgotności wykorzystuje się w służbach meteorologicznych, w badaniach
mikrometeorologicznych, w badaniach turbulencyjnych fluktuacji pary wodnej oraz stosuje jako
wzorce.
Miernictwo wilgotności (higrometria) obejmuje zespół różnych technik i metod. Istotny jest
wybór właściwej techniki do zamierzonego celu. Klasyfikacji można dokonać stosując różne
kryteria.
Najczęściej metody pomiaru dzieli się według zasady działania na metody:
psychrometryczne (termodynamiczne),
kondensacyjne,
parametryczne
wzorcowe bezwzględne
14

W psychrometrach wykorzystuje się zjawisko pobierania ciepła przy procesie parowania.
Psychrometry składają się z dwóch termometrów ­ suchego który wskazuje temperaturę
otoczenia oraz zwilżonego, owiniętego wilgotnym materiałem, którego temperatura jest
odpowiednio mniejsza w związku z parowaniem cieczy. Różnica wskazań obu termometrów jest
miarą wilgotności; jednocześnie zależy ona również od innych czynników: aktualnej
temperatury, ciśnienia, prędkości wentylacji, budowy i konstrukcji psychrometru. Na podstawie
empirycznych lub fizycznych zależności, uwzględniających te parametry, sporządzane są tzw
tablice psychrometryczne, z których bezpośrednio – ze znanej różnicy temperatur – określa się
wilgotność względną powietrza. Często przetwarza się też wyniki pomiarów
psychrometrycznych elektronicznie.
Dokładność pomiaru psychrometrem zależy od przepływu powietrza wokół czujnika –
dlatego ważna jest znajomość warunków wentylacji wokół czujnika. Pomiary standardowymi
psychrometrami wykonuje się w klatce meteorologicznej, ale i w nich ta prędkość zależy w
pewnym stopniu od warunków pogodowych. Większą precyzję mają przyrządy o wymuszonej
cyrkulacji powietrza wokół czujnika. Taką kontrolę warunków wentylacyjnych uzyskuje się
bezpośrednio za pomocą wentylatora (w tzw psychrometrach aspiracyjnych) lub ­ w dziś już
rzadko stosowanych psychrometrach procowych ­ przez równomierne obracanie całym
przyrządem [3]. W stacjach załogowych nadal korzysta się ze standardowych psychrometrów
Augusta oraz aspiracyjnych psychrometrów Assmana z termometrami rtęciowymi. W stacjach
automatycznych stosowane są psychrometry z termometrami elektrycznymi, np. oporowymi ­
dają one dokładne wskazania, ale działają tylko w dodatnich temperaturach i wymagają ciągłej
dostawy wody destylowanej . [4]
W higrometrach kondensacyjnych (punktu rosy lub szronu) wykorzystywane jest zjawisko
skraplania się pary wodnej na chłodzonej powierzchni. W wyniku elektrycznego chłodzenia
metalowego zwierciadła para wodna nad metalem ulega nasyceniu i kondensuje na jego
powierzchni co podwyższa współczynnik odbicia zwierciadła. Obecność kropel rosy jest
wykrywana za pośrednictwem czujników, najczęściej fotoelektrycznych, a temperatura
zwierciadła – temperatura punktu rosy ­ mierzona, zazwyczaj elektrycznymi termometrami
oporowymi. Znajomość temperatury powietrza oraz temperatury stanu nasycenia pozwala
określić wilgotność powietrza. Higrometry kondensacyjne mają bardzo dobre własności
metrologiczne, ale ze względu na złożony układ pomiarowy nie są powszechnie stosowane w
ASM. Korzysta się z nich głównie w pomiarach laboratoryjnych. [4]
W metodach parametrycznych wykorzystuje się zmiany różnych parametrów fizycznych
substancji pod wpływem zmian wilgotności otoczenia – własności mechanicznych,
elektrycznych, absorpcji promieniowania.
Zmiany własności mechanicznych – rozszerzalność – są podstawą działania higrometrów i
higrografów deformacyjnych. W tych miernikach czujnikami są higroskopijne substancje
organiczne i nieorganiczne, które w wyniku absorpcji wilgoci zmieniają swoje rozmiary –
najczęściej długość ­ co jest wzmacniane i mierzone lub rejestrowane. W miernictwie
meteorologicznym wykorzystywane są włosy, włókna syntetyczne i błony organiczne. Włosy i
włókna stosuje się powszechnie w higrografach i higrometrach w klimatologii i meteorologii
synoptycznej, higrometry błonowe – kiedyś stosowane w aerologii – obecnie wychodzą z
użycia.
W higrometrach elektrycznych wykorzystuje się zmiany własności elektrycznych substancji
15

higroskopijnych pod wpływem zawartości wilgoci.
W zależności od stanu skupienia zastosowanych substancji czujniki można podzielić na
elektrolityczne i sorpcyjne. W higrometrach elektrolitycznych elementem pomiarowym jest
wodny roztwór soli (elektrolitu) naniesiony na odpowiednie podłoże. W wyniku absorpcji pary
wodnej z otoczenia zmienia się stężenie roztworu i związana z tym oporność elektryczna.
W higrometrach sorpcyjnych czujnikiem są ciała stałe. W czujnikach adsorpcyjnych
(cienkowarstwowych) para wodna pochłaniana jest tylko przez warstwę powierzchniową, w
czujnikach absorpcyjnych – przez całą objętość substancji higroskopijnej. Do mierników
adsorpcyjnych najczęściej stosowanych należą: węglowe, tlenkowe, i polimerowe, w których
miarą wilgotności jest oporność lub częściej pojemność cienkich warstw wymienionych
substancji.
Pojemnościowe higrometry polimerowe, szczególnie wersje wielowarstwowe są obecnie
najchętniej stosowane ze względu na swoje najlepsze, w porównaniu z innymi elektrycznymi
czujnikami, właściwości – min szybkość działania, liniowość, długookresową stabilność, małą
histerezę i małą czułość na temperaturę, dużą odporność na substancje chemiczne. Ich
mankamentem jest mała dokładność pomiaru przy wysokich wilgotnościach względnych. [4]
Higrometry elektryczne stosuje się powszechnie w miernictwie meteorologicznym, zwłaszcza
w stacjach automatycznych oraz w innych dziedzinach do kontroli wilgotności.
Fale elektromagnetyczne oraz akustyczne są w pewnych zakresach pochłaniane przez parę
wodną zawartą w powietrzu. Zjawisko to wykorzystuje się w higrometrach, działających w
zakresie ultrafioletu, widzialnym, podczerwonym, mikrofalowym oraz higrometrach
akustycznych. Spośród wymienionych rzadko stosuje się higrometry akustyczne, najczęściej
natomiast używane są higrometry Alfa – Laymana pochłaniające promieniowanie UV linii
atomowego wodoru. Ze względu na małą bezwładność czujniki wykorzystujące absorpcję fal
stosowane są głównie w badaniach turbulencji fluktuacji pary wodnej.
Za pomocą metod wzorcowych bezwzględnych wyznacza się wilgotność bezwzględną. Z
próbki powietrza usuwa się za pomocą substancji higroskopijnej parę wodną, zawartość wilgoci
określa się metodami grawimetrycznymi i wolumetrycznymi ( mierząc zmianę ciężaru lub
objętości próbki). Sposoby te nie mają zastosowania w meteorologii.
Instrumenty do pomiaru wilgotności ­ podobnie jak czujniki temperatury – powinny być
umieszczane w osłonach radiacyjnych, jako że zarówno ruch powietrza jak i promieniowanie
słoneczne wpływają istotnie na pomiar wilgotności.
16

W tabeli przedstawiono klasyfikację opisanych metod pomiaru.
termody
namiczna
w stacjach
załogowych
psychro
metr
do pomiaru wilgotności względnej
włosowy
błonowy
pojem
nościowy
Metody
stosowane
w stacjach automatycznych
absorpcyjne
sorpcyjny
oporo
wy
konde
nsacyjne
przyrząd pomiarowy
elektro
lityczny
higrometr
punktu
rosy
(szronu)
jako
wzorce
do monitoringu fluktuacji
wilgotności
do pomiaru wilgotności bezwzględnej
grawi­ i
wolumetr
yczne
podczerwony
mikrofalowy
Lymana­Alfa
absorpcji fal
elektromagnetycznych
akustycznych
akustyczny
2.2. Układ rejestrujący
Układy rejestrujące – rejestratory (ang loggers) służą do zapisu informacji wyjściowej
przyrządu pomiarowego.
Ogólnie przyrządy rejestrujące również można podzielić na mechaniczne i elektroniczne.
Najprostszy rejestrator mechaniczny to właściwie wspomniane wcześniej urządzenie
samopiszące. Składa się ono z bębna rejestracyjnego (napędzanego mechanicznym
mechanizmem zegarowym), nawiniętego na bęben papieru oraz dźwigni z piórkiem. Takie
rejestratory wykorzystywane są dziś sporadycznie w tradycyjnych termografach, higrografach,
barografach; obecnie przyrządy te są najczęściej wyposażane w elektrycznie napędzany
mechanizm dźwigniowy.
Kolejnym krokiem w doskonaleniu rejestratorów było wprowadzenie rejestratorów
elektronicznych ­ gdzie dane były zapisywane na taśmie magnetycznej. Takie układy miały
wiele zalet, ale wymagały mechanicznych nagrywarek, które działały w dość wąskim zakresie
temperatur. Odzyskiwanie danych było procesem bardzo powolnym – taśmy musiały być
wgrywane na specjalnych czytnikach do komputera.
Rejestratory elektroniczne były stosowane od momentu ich skonstruowania (lata 50te) do lat
80tych, kiedy nastąpił rozwój technologii cyfrowej i wprowadzenie pamięci
półprzewodnikowej. Obecnie w większość standardowych ASM stosowane są rejestratory
cyfrowe stanowią, coraz częściej budowane z wykorzystaniem mikrokontrolerów – rodzaju
mikrokomputerów. W takich układach rejestrator składa się z mikrokontrolera oraz urządzeń
wejścia/wyjścia.
Nowoczesne rejestratory są w znacznym stopniu programowalne. Użytkownicy mogą
określać większość istotnych parametrów działania tych układów, takich jak ilość kanałów,
17

odzaj podłączonych czujników, zakres i jednostki pomiarowe, krok czasowy (częstość
próbkowania), czas przechowywania danych, sposób przetwarzania. W programie można ustalić
czas rozpoczęcia rejestracji (jeśli nie jest natychmiastowy), format przekazywania danych oraz
szczegóły dotyczące komunikacji z komputerem. Program obsługuje również urządzenia
autotestowe, zapewniające kontrolę stanu stacji i lokalizację usterek. [5]
2.3. Układ wizualizacji i transmisji
We współczesnych ASM – oprócz zapisu – możliwy jest najczęściej również bezpośredni
odczyt mierzonych i obliczanych wielkości oraz ich przesyłanie.
Zdalne metody przesyłania informacji umożliwiają zdalny dostęp do danych
meteorologicznych, a więc ich pobieranie, jak też wszelkie inne czynności związane z obsługą
stacji, np. programowanie, kontrolę i in. Wyprowadzanie i transmisja danych wykonywane jest
za pośrednictwem łącz kablowych różnych typów: telefonicznych, radiowych oraz satelitarnych.
Sygnał cyfrowy na wyjściu rejestratora nie może być przesyłany za pomocą linii
komunikacyjnych. Dlatego niezbędnym elementem każdej telemetrycznej stacji automatycznej
jest modem. Modem (MOdulate­DEModulate) zamienia sygnały cyfrowe na impulsy
częstotliwościowe przy nadawaniu i odwrotnie przy odbiorze informacji. Sygnały częstotliwości
są wysyłane i rejestrowane za pomocą anteny nadawczo­odbiorczej. [6]
2.4. Mikrokontrolery
Mikrokontrolery są obecnie powszechnie stosowane do sterowania urządzeniami
elektronicznymi. Są to układy scalone składające się z:
mikroprocesora,
pamięci cyfrowej,
urządzeń wejścia i wyjścia.
Zależnie od budowy mogą one pełnić różne funkcje, w odniesieniu do ASM – służą przede
wszystkim do rejestracji i przetwarzania danych, ale częściowo mogą również odpowiadać za
pomiar, wizualizację, transmisję.
Mikroprocesor
Mikroprocesor jest głównym najważniejszym elementem mikrokontrolera, a więc rejestratora
i zbierania danych w ogólności. Jest to układ scalony, który uruchamia program i zgodnie z nim
pobiera, przetwarza i zapisuje dane z czujników, steruje działaniem wszystkich elementów oraz
komunikacją wewnętrzną i zewnętrzną. Mikroprocesor stanowi jednostka centralna (ang CPU
Central Processing Unit, procesor główny) oraz zegar czyli generator taktujący. CPU składa się
z trzech podstawowych części:
jednostki arytmetyczno­logicznej (ang ALU ­ Arithmetic Logic Unit), która umożliwia
realizacje działań logicznych, arytmetycznych i porównań na danych,
18

jednostki sterującej (ang CU ­ Control Unit ), dekodera rozkazów, którego zadaniem jest
pobieranie kodów instrukcji i ich wykonywanie oraz sterowanie pozostałymi blokami,
zespołu rejestrów, które przechowują argumenty i tymczasowe wyniki obliczeń;
Zegar cyfrowy – tzw generator taktujący ­ wyzwala cykl pomiarowy, wymusza na
mikroprocesorze wykonanie kolejnego kroku, a więc synchronizuje pracę systemu; elementem
taktującym jest w nim dołączony zewnętrznie oscylator, rezonator kwarcowy, który stanowi
wzorzec częstotliwości;
Pamięć cyfrowa
Rozwój pamięci mikrokontrolerów w głównej mierze determinował rozwój rejestratorów.
Pamięć cyfrowa służy do przechowywania programu, stałych danych i parametrów, wyników
pomiarów oraz chwilowych wyników obliczeń. Są dwa główne typy pamięci: pamięć stała,
tylko do odczytu (Read­only­memory ROM) oraz pamięć operacyjna, zapisywalna o
swobodnym dostępie (tzw Random access memory RAM).
Główne parametry pamięci to pojemność oraz szybkość działania.
W pamięci RAM przechowywane są aktualnie wykonywane programy i niezbędne do ich
działania dane, wyniki częściowych obliczeń, komunikaty. Pamięć ta jest ulotna, jej zawartość
jest tracona w momencie zaniku napięcia zasilania, dlatego wyniki pracy programu muszą być
zapisywane na jakimś nośniku informacji, np. karcie magnetycznej.
Z pamięci ROM mikroprocesor może tylko czytać informacje, zapisane są w niej program
stacji oraz niezmieniające się w czasie pracy stałe dane, np. niezbędne do pracy urządzenia,
ustawienia czujników itp. Pamięć ta jest nieulotna, działa również po wyłączeniu zasilania.
W ciągu kilkunastu ostatnich lat nastąpiło znaczne ulepszanie pamięci ROM w sposób
umożliwiający ponowne programowanie ich zawartości. Dzięki temu urządzenia konstruowane
w oparciu o mikrokontrolery mogą korzystać z nowych wersji oprogramowania napisanych już
po zbudowaniu samych urządzeń.
Ogólnie pamięci nieulotne mogą być jednokrotnie zaprogramowane w czasie produkcji
(ROM ), ale coraz częściej i powszechniej stosuje się ich odmiany, które mogą być
programowane przez użytkownika (PROM). Wśród nich można wyróżnić pamięć:
PROM – standardową, jednokrotnie programowalną,
EPROM­ programowalną elektrycznie z możliwością kasowania ustawień promieniami UV,
EEPROM – wielokrotnie programowalną i kasowalną impulsami elektrycznymi.
Bardziej rozwinięta, szybszą formą EEPROM jest pamięć ROM wykonana w tzw technologii
flash (pamięć flash ROM), szczególnie chętnie stosowana w nowoczesnych systemach. Różni
się ona sposobem kasowania i zapisu, który umożliwia łatwe i znacznie częstsze zmiany w
programie.
Bardzo szybki wzrost pojemności pamięci ROM i możliwość łatwego, ponownego zapisu ich
zawartości spowodowały, że zaczęto je stosować także do zapisu mierzonych wielkości.
Urządzenia wejścia/wyjścia
Są nimi standardowe układy umożliwiające współpracę z pozostałymi elementami stacji
(np. ustawianie i odczytywanie sygnałów, sterowanie układami wewnętrznymi).
19

2.5. Zasilanie ASM
Zasilanie w dużej mierze zależy od rodzaju stacji, a konkretnie dostępności i rodzaju źródeł
zasilania w miejscu instalacji. W rejonach trudnodostępnych np. stosuje się źródła zasilania o
małym poborze mocy, które muszą zapewnić działanie systemu w przeznaczonym do zebrania
danych czasie. Istotnym problemem stacji automatycznych są awarie źródeł zasilania oraz
uszkodzenia przepięciowe mikroprocesora, układów pomiarowych, urządzeń wyjścia. Dlatego
ważnym elementem są dodatkowe źródła zasilania oraz systemy zabezpieczeń przepięciowych.
W skład bloku zasilania oprócz źródeł zasilania (głównych, pomocniczych oraz zapasowych)
wchodzą przetworniki, stabilizatory napięć i sieciowe zabezpieczenia przepięciowe.
Źródłem zasilania mogą być sieci energetyczne, akumulatory, krzemowe baterie słoneczne,
generatory wiatrowe. [2]
3. Zalety ASM
Automatyczne stacje meteorologiczne są coraz powszechniej stosowane ze względu na
znaczną przewagę jaką mają nad stacjami tradycyjnymi.
Stacje takie mogą działać dłuższy czas bez nadzoru – wymagają wizyt jedynie w celu
zebrania danych, naprawy lub rutynowej kontroli, a i te wraz z rozwojem i udoskonalaniem
systemów, a zwłaszcza zastosowania telemetrii ­ mogą być coraz rzadsze.
Układy automatyczne są rozwiązaniem ekonomicznym – zarówno ze względu na coraz
mniejsze koszty samej aparatury jak i łatwą, a więc i tanią obsługę. Rejestracja, przetwarzanie i
przekazywanie danych przebiega znacznie szybciej niż sposobami tradycyjnymi. Układy takie
są bardziej niezawodne, a pozyskiwane dane dokładniejsze i, co ważne, porównywalne ­ pomiar
automatyczny pozbawiony jest subiektywnych błędów, które wprowadza obecność obserwatora.
Stacje takie mogą mierzyć wiele parametrów meteorologicznych jednocześnie; dane zbierane są
w sposób ciągły przy dowolnym, również dowolnie krótkim kroku czasowym. Pozwala to
rejestrować więcej szczegółów, obserwować też szybkozmienne zjawiska pogodowe.
Zastosowanie układów mikroprocesorowych i cyfrowa forma uzyskanych danych wyników
stwarza szerokie możliwości ich dalszego przetwarzania. Oprócz pomiarów parametrów
podstawowych można wyznaczać wielkości dodatkowe, których uzyskiwanie jest czasochłonne
lub niemożliwe przez obserwatora (np. intensywność opadu, dowolne wartości średnie,
dokładne czasy wystąpienia wartości ekstremalnych) oraz parametry pochodne, wielkości
wtórne (np. punkt rosy, temperatura odczuwalna). Możliwa zaawansowana analiza statystyczna
danych dostarcza znacznie więcej dodatkowych informacji o pogodzie, pozwala pełniej
wykorzystać wykonywane pomiary. Stacje automatyczne realizują automatycznie złożone
procedury oceny jakości danych, stanu technicznego aparatury przyrządu systemu, sygnalizują
awarie, dzięki temu zapewniając znacznie lepszą kontrolę jakości pomiarów.
Dzięki rozwojowi metod wizualizacji możliwy jest bezpośredni i ciągły dostęp do wyników
pomiarów. Zastosowanie zdalnych metod transmisji pozwala na sprawne przesyłanie danych na
bieżąco na duże odległości, co jest kluczowe w prognozowaniu pogody. Zdalna rejestracja
20

umożliwia też wczesne wykrywanie i korektę wszelkich nieprawidłowości w funkcjonowaniu
stacji i ogranicza do minimum konieczność wizyt w miejscu pomiarów. Jest to szczególnie
istotne w rejonach trudnodostępnych, o ekstremalnych lub niebezpiecznych warunkach
środowiskowych.
Dane podlegają automatycznej archiwizacji – powstająca baza danych może być w różny
sposób wykorzystywana.
Automatyzacja pomiarów niesie ze sobą jednocześnie pewne dodatkowe wymagania.
Stosowane w stacjach układy pomiarowe muszą mieć odpowiednie parametry umożliwiające
pracę bez nadzoru przez ustalony czas. Metody automatyczne nie mogą być stosowane w
przypadku obserwacji nieinstrumentalnych, wykonywanych obecnie metodami subiektywnymi.
W ostatnich czasach opracowywane są jednak automatyczne wizualizacyjne metody ściśle
związane ze zdalnymi metodami rejestracji, które w prosty sposób mogą byś zintegrowane w
stacjach automatycznych.
By wyniki były porównywalne niezbędna jest również racjonalizacja i ujednolicenie
algorytmów przetwarzania danych ­ stąd wprowadzane procedury unifikacji dotyczące
stosowanych przyrządów i procedur pomiarowych. Zbierane w celach synoptycznych dane
muszą być zgodne z wymaganiami WMO oraz kompatybilne ze stacjami obsługowymi.
Producenci urządzeń automatycznych niekiedy nie dostarczają szczegółowych informacji
dotyczących zastosowanych czujników i układów elektronicznych, jak też algorytmów
przetwarzania, a takie wiadomości często mogą pomóc w zrozumieniu obserwowanych
przesunięć i anomalii w wynikach.
4. Zastosowanie ASM
ASM wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie istotne i potrzebne jest regularne rejestrowanie
wartości parametrów meteorologicznych, znajomość warunków pogodowych.
I Ogólniej ­ automatyczne systemy pomiarowe – są stosowane ta, gdzie ważne jest ciągłe
kontrolowanie parametrów, które są przez te układy mierzone.
Rola systemów automatycznych jest szczególnie duża na obszarach bezludnych, o
ekstremalnych warunkach środowiskowych lub klimatycznych, jak pustynie, obszary
podbiegunowe wysokie góry, gdzie stacje często bywają jednorazowego użytku, a możliwość
zdalnego dostępu do rejestrowanych informacji jest podstawową zaletą.
Układy takie wykorzystywane są jako pojedyncze stacje pomiarowe lub komponenty
mezoskalowych automatycznych sieci pomiarowych. Gromadzone przez nie dane mogą
stanowić podstawę badań naukowych oraz długoterminowego monitoringu.
Stacje automatyczne są więc składnikami sieci monitoringu wód, gleb, powietrza (np. jakości
powietrza miejskiego). W oparciu o takie sieci pomiarowe działają wszelkie systemy wczesnego
ostrzegania, np. przeciwlawinowego, przeciwpowodziowego, przed osuwiskami, pożarami,
kumulacją skażeń. Sieci stacji meteorologicznych są podstawą działania systemów osłony
lotnisk, opracowywania prognoz pogody.
Powstające bazy danych pozwalają realizować różnorodne projekty badawcze z zakresu
meteorologii, klimatologii, hydrologii, oceanologii.
W rolnictwie, sadownictwie, leśnictwie, hodowli informacje o warunkach środowiskowych,
21

zwłaszcza atmosferycznych pomagają właściwie zorganizować działania w celu maksymalnej
efektywności i zminimalizowania strat, często silnie zależnych od pogody.
W wielu dziedzinach przemysłu, transporcie układy automatyczne nadzorują działanie
systemów, urządzeń przez pomiar ich parametrów technicznych. Właściwe warunki pracy
decydują o efektywności, wydajności produkcji, zużyciu energii, bezpieczeństwie.
Do kontroli warunków wewnątrz budynków potrzebne są również informacje o warunkach
zewnętrznych – umożliwia to ekonomiczne i sprawne działanie systemów grzewczych,
klimatyzacyjnych.
Wszelkie inwestycje wymagają kontroli parametrów środowiskowych w otoczeniu i zmian,
jakie mogą wywołać. Jest to szczególnie ważne w przypadku inwestycji potencjalnie
szkodliwych oraz w rejonach podwyższonego ryzyka, np. katastrof ekologicznych.
Znajomość warunków środowiskowych może też być istotna i użyteczna przy planowaniu np.
organizacji zawodów sportowych. A sama tak dokładna obserwacja i rejestrowanie pogody jest
też wspaniałym, tyle że kosztownym hobby.
ASM to również potencjalnie bardzo użyteczne narzędzie edukacyjne – umożliwiające
aktywne, zintegrowane uczenie się, zdobywanie różnorodnych umiejętności i szerokiej wiedzy o
świecie. W wielu krajach ASM stają się popularną i chętnie stosowaną pomocą naukową, a
zbierane dane – podstawą do tworzenia różnych, również międzynarodowych, programów i
projektów edukacyjno­badawczych.
Współcześnie ASM i ogólniej ­ automatyczne systemy zbierania, gromadzenia i
przetwarzania danych środowiskowych (meteorologicznych hydrologicznych i
oceanologicznych) ­ są budowane w wielu odmianach przez różne firmy. Zbudowane są z
elementów wysokiej jakości, z zastosowaniem najnowszych rozwiązań technicznych,
elektroniki mikroprocesorowej i miernictwa cyfrowego. Są one kompaktowe, odporne na
warunki zewnętrzne, łatwe w instalacji i obsłudze; często są też dostępne w wersji
bezprzewodowej, wyposażone w dodatkową antenę umożliwiającą komunikację ze stacją na
dużej odległości. Mają niewielki pobór mocy, mogą być zasilane bateriami, najczęściej również
słonecznymi. Dostępne są w wielu modelach, układach, często dostosowanych do konkretnych
zastosowań i wymagań, ale jest możliwe ustawianie własnej konfiguracji czujników. Stacje
mają proste oprogramowanie, umożliwiające jednocześnie zaawansowaną analizę danych i
własne ustawienia programowe. [11,12]
22

II. Automatyczna stacja meteorologiczna Wydziału Fizyki (ASM WF)
1. Budowa
ASM opisywana w pracy została wykonana na zajęciach “Sterowanie z wykorzystaniem
komputera” jako jeden z projektów, będących przykładem praktycznego zastosowania
komputera w sterowaniu zewnętrznymi urządzeniami [7]. Stacja ta stanowi układ
mikroprocesorowy oparty na mikrokontrolerze. Mikrokontroler zawiera pamięć programu i
danych, mikroprocesor i jest połączony z następującymi urządzeniami wejścia/wyjścia:
termometrem cyfrowym
przetwornikiem A/C
zegarem czasu rzeczywistego (RTC)
kartą pamięci MMC
układem interfejsu szeregowego do komunikacji z komputerem PC
RTC
p RH
A/C
µC
T
MMC
PC
µC – mikrokontroler
T – termometr cyfrowy
A/C – przetwornik A/C
p – analogowy czujnik ciśnienia
RH – analogowy czujnik wilgotności
RTC – zegar czasu rzeczywistego
MMC – karta pamięci
PC – komputer
Rys. III.1. Schemat opisywanej ASM
Wymienione urządzenia można zgrupować w trzy wcześniej wyodrębnione podstawowe
układy każdej stacji pomiarowej:
1. Przyrządy pomiarowe:
termometr
przetwornik A/C do czujników analogowych
Zastosowanym układem dopasowującym sygnał jest dzielnik napięcia do czujnika ciśnienia.
2. Układ rejestracji :
karta MMC
zegar RTC
Karta zawiera 15440 512 bitowych sektorów, tworzących 64 MB pamięci flash ROM.
Zegar RTC – oprócz niezbędnego zewnętrznego rezonatora kwarcowego ­ zaopatrzony jest w
baterię, by w przypadku przerwy w zasilaniu kontynuować odmierzanie czasu.
23

3. Układ transmisji
interfejs szeregowy umożliwiający wymianę danych z komputerem
W stacji wykorzystywane są cztery różne interfejsy transmisji szeregowej do komunikacji z
urządzeniami wejścia/wyjścia:
• standardowy RS­232 ( 9 przewodowy, do komputera PC)
• SPI ( 3 przewodowy, do karty MMC)
• I 2 C ( 2 przewodowy, do zegara RTC)
• One Wire (1 przewodowy, do termometru cyfrowego) ;
Właściwe zasilanie zapewniają dwa stabilizatory napięcia (na 3.3 i 5 V).
Wymienione elementy umieszczone są na trzech płytkach drukowanych:
czujników (z przetwornikiem A/C)
mikrokontrolera,
interfejsu (z pozostałymi układami).
Płytka czujników umieszczana jest w miejscu wykonywania pomiarów, dwie pozostałe ­ w
pobliżu komputera. Brak połączenia tych dwóch płytek w jedną wynika z faktu, że płytka
mikrokontrolera została zaadoptowana z innego projektu.
mikrokontroler­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­>

czujnik wilgotności ­­­>

Czujniki
Stacja posiada czujniki: ciśnienia, wilgotności i temperatury.
Czujnik ciśnienia ma formę krzemowej membrany, której ugięcie związane z różnicą
ciśnienia mierzone jest tensometrycznie. Układ przetwarzania sygnału oraz kompensacji
temperaturowej jest wbudowany w układ scalony. [9]
Miernikiem wilgotności jest cienkowarstwowy polimerowy higrometr pojemnościowy.
Czujnik zbudowany jest z platynowych elektrod (będących okładkami kondensatora) oraz
polimerowego higroskopijnego dielektryka, stanowiącego część czynna czujnika. W wyniku
zmian wilgotności zmieniają się własności dielektryczne polimeru, a więc i pojemność
kondensatora. Układ przetwarzania sygnału jest wraz z czujnikiem wbudowany w układ
scalony. Kilkuwarstwowa budowa zapewnia dobrą ochronę przed zanieczyszczeniami(takimi
jak tłuszcz, kurz, brud), które utrudniają dostęp pary wodnej do dielektryka, co znacznie
spowalnia działanie czujnika.
Zastosowany typ czujników – jak zostało wcześniej wspomniane – ma bardzo dobre
parametry techniczne. Higrometry te są szybkie, liniowe, wykazują długookresową stabilność;
jako jedne z niewielu czujników obejmują prawie cały zakres zmienności wilgotności i dają
wskazania również przy bardzo niskich wartościach. Ze względu na niewielki efekt
temperaturowy mogą być wykorzystywane w dużym zakresie temperatur bez kompensacji.
Jednocześnie wykazują mniejszą dokładność przy wysokich wilgotnościach. Już przy
wilgotności powyżej 95 % zazwyczaj zachodzi kondensacja. Skroplona para powoli paruje przy
dużej zawartości pary wodnej, dlatego czas potrzebny na ponowne prawidłowe działanie
czujnika po kondensacji lub zamoczeniu jest znacznie dłuższy niż standardowy czas odpowiedzi
­ w tym czasie czujnik wskazuje 100 % wilgotność. Przy dłuższej niż 24­godzinna ekspozycji na
wilgotność ponad 95 % może nastąpić trwałe zawyżenie wskazań o 2­3 %, które można usunąć
przez umieszczenie czujnika na kilkanaście godzin w środowisku o bardzo niskiej wilgotności
(poniżej 10 %). [11]
Do pomiaru temperatury zastosowano termometr cyfrowy. Jest to prawdopodobnie
termometr termistorowy, jak większość cyfrowych czujników temperatury, niemniej zasada
działania nie została podana przez producenta. Każdy termometr ma własny kod (zapisany w
pamięci ROM), dzięki czemu wiele czujników może być podłączonych do jednego
mikroprocesora. W nieulotnej pamięci EEPROM można zapisać ustawienia alarmowe oraz
rozdzielczość odczytu temperatury. [8]
W tabeli zestawiono podstawowe parametry zastosowanych czujników.
termometr cyfrowy czujnik ciśnienia czujnik wilgotności
własność T [°C] p [hPa] RH [%]
zakres pomiarowy ­50 ­ + 120 150­1150 0­100
dokładność 0.5 15 2
26

2. Kalibracja czujników
Wszystkie instalowane w stacjach przyrządy pomiarowe wymagają kalibracji oraz
okresowego sprawdzania. Dlatego niezbędne do prawidłowego działania stacji było
skalibrowanie użytych czujników.
Istnieją określone reguły i standardy dotyczące kalibracji z wykorzystaniem ustalonych
wzorcowych przyrządów pomiarowych. W stosowanych programach wzorcowniczych
większości mierzonych parametrów stosuje się dwie podstawowe metody:
porównawczą, w której porównuje się wskazania przyrządu sprawdzanego i kontrolnego
(wzorcowego), umieszczonych w takich samych warunkach pod względem badanego
parametru,
punktową, w której dokonuje się pomiaru badanej wielkości w określonych warunkach –
przy znanej i ustalonej wartości parametru.
Do kalibracji czujników stacji użyto standardowych przyrządów mierzących badane
parametry oraz, kiedy to było niezbędne, odpowiednich układów pomiarowych prostej
konstrukcji.
Termometr cyfrowy wymagał standardowej kalibracji, natomiast czujniki analogowe
(ciśnienia i wilgotności) wyskalowania w odpowiednich jednostkach.
Szukane zależności ustalono metodą regresji liniowej
Zarówno do obliczeń jak i graficznej prezentacji skorzystano z programu Matlab.
2.1. Kalibracja termometru
Do kalibracji termometrów meteorologicznych stosuje się obie wspomniane wcześniej
metody. Jako punkty stałe (temperatury odniesienia) najczęściej wybiera się temperaturę:
topnienia lodu, wrzenia wody oraz zamarzania rtęci. Jednocześnie metodę tą stosuje się dość
rzadko, ze względu na koszt urządzeń wzorcowniczych.
Do wykonywania pomiarów porównawczych niezbędne jest zapewnienie jednorodnego
rozkładu temperatury w otoczeniu obu czujników ­ sprawdzanego i wzorcowego oraz
możliwości ciągłej i kontrolowanej zmiany tego parametru. Urządzenia wzorcownicze,
zapewniające odpowiednie warunki – termostaty – składają się z komory termostatycznej oraz
tzw instalacji chłodniczej z czynnikiem chłodzącym, która pozwala ustalić określoną
temperaturę otoczenia komory. Elektryczne mieszadło zapewnia jednorodny rozkład
temperatury w zastosowanym płynie chłodzącym.
W kalibracji termometru cyfrowego użyto platynowego termometru oporowego Pt100,
stosowanego jako wzorzec dla innych termometrów w laboratorium, ze względu na jego dużą
stabilność. Czujnik ten podłączony był do przetwornika, źródła zasilania i woltomierza.
Przetwornik zamieniał napięcie na temperaturę zgodnie z ustaloną zależnością.
Jako komory termostatycznej użyto puszki, w której umieszczono termometr wzorcowy i
płytkę z czujnikami. Rolę instalacji chłodzącej pełniło naczynie wypełnione wodą, w którego
pokrywę wmontowane było mieszadło elektryczne, zapewniające jednorodną temperaturę
czynnika chłodzącego. Do likwidacji ewentualnych gradientów temperatury wewnątrz puszki,
służył wirnik wbudowany w jej pokrywę. Schemat układu przedstawia rysunek III.4.
27

Z
Z
Z
P
V
Z
I
µC
PC
Pt – platynowy termometr
wzorcowy
ASM – temometr cyfrowy na
płytce czujników
I – płytka interfejsu
µC – płytka mikrokontrolera
Z – zasilanie
P – przetwornik
V – woltomierz
ASM
Rys. III.4. Schemat układu do kalibracji termometru cyfrowego.
Wykonano cztery serie pomiarowe, rejestrując trzykrotnie powolny wzrost temperatury
podczas ogrzewania mieszaniny wody z lodem i jednokrotnie spadek temperatury przy
ochładzaniu ciepłej wody.
Przebieg serii pomiarowej wyglądał następująco: do naczynia wrzucany był lód (lub wlewana
gorąca woda), po czym wewnątrz naczynia mocowano uszczelnioną puszkę z płytką czujników.
Pomiary termometrem cyfrowym rejestrowane były automatycznie z ustalonym krokiem
czasowym, w pewnych odstępach czasu notowano wskazania przetwornika, które w dalszej
kolejności były przeliczane na jednostki temperatury.
Do wyznaczenia zależności między temperaturą obu termometrów porównano ich wskazania
w tych samych momentach. Dane z termometru cyfrowego do analizy wybrane zostały metodą
interpolacji. Dokonano selekcji punktów ­ odrzucono te, w których przebieg zmian temperatury
był szybki lub niestabilny.
Na kolejnych wykresach przedstawiono zmiany temperatury mierzonej termometrem
cyfrowym w trakcie przeprowadzonych kalibracji. Zaznaczono także wyniki pomiarów
termometrem wzorcowym ­ wszystkie wykonane (a) oraz wzięte do analizy (b).
28

a b
Rys.1. Przebieg zmian temperatury w pomiarach kalibracyjnych – ochładzanie (17 IV)
a
b
16 IV
24 IV
7 V
Rys. 2. Przebieg zmian temperatury w pomiarach kalibracyjnych – ogrzewanie.
29

Na wykresach łatwo zauważyć reakcję czujnika cyfrowego na wszelkie zmiany w układzie
pomiarowym:
• włączanie wirnika i związany z tym spadek temperatury przy ochładzaniu (seria 17IV)
• wyjęcie płytki z czujnikami (ok godz 13), dolanie wrzątku (ok godz 16) w serii z 16 IV .
Widać też jak powoli zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem.
Między wskazaniami obu termometrów szukano zależności w przybliżeniu liniowym, postaci
T Pt
=a∗T asm
b [°C]
Znalezione współczynniki dopasowania:
a= 0.98±0.00
b= 0.62±0.00 [°C]
(otrzymano dużą dokładność dopasowania prostej)
Uzyskaną zależność T pt (T asm ) przedstawiono na rysunku 3; na wykresie b) odznaczono
kolorami poszczególne serie pomiarowe.
a
b
Rys. 3. Zależność między temperaturą termometru wzorcowego (T Pt ) i badanego (T asm ).
2.2. Kalibracja czujnika ciśnienia
Przy kalibracji mierników ciśnienia korzysta się z układu, który umożliwi wytworzenie
wokół czujnika ciśnień z wymaganego zakresu oraz kontrolę ich wartości. Standardowo służą
do tego komory ciśnieniowe, w których umieszcza się badany czujnik połączony z pompą i
barometrem wzorcowym. Pompa wytwarza wymagane nadciśnienia i podciśnienia,
odczytywane na barometrze wzorcowym, np. manometrze.
Do kalibracji czujnika ciśnienia w opisywanej stacji zastosowano prostszy układ. Konstrukcja
składała się z pompki i manometru wodnego, który ze względu na małe rozmiary czujnika
spełniał też funkcję komory ciśnieniowej. Jeden koniec rurki połączony był z czujnikiem i
pompką, drugi był w kontakcie z otaczającym powietrzem. Do obu ramion rurki przymocowana
była taśma miernicza. Opisany układ przedstawiono bardzo schematycznie na rysunku III.5.
30

p
Rys. III.5. Schemat układu do kalibracji czujnika ciśnienia.
Za pomocą pompki zmieniano ciśnienie działające na czujnik, które z kolei wpływało na
położenie słupa wody w manometrze. Odczytywano wysokość słupa wody w obu jego
ramionach, jednocześnie notując wskazywane wartości napięcia. Z różnicy poziomów wody w
manometrze wyliczano całkowite ciśnienie (atmosferyczne i hydrostatyczne) wywierane na
czujnik. Aktualną wartość ciśnienia atmosferycznego określano na podstawie danych z
automatycznej stacji w Ursusie, skorygowanych o różnicę wysokości. W warstwach przy
powierzchni ziemi stopień baryczny wynosi około 8m ­ taką wartość przyjęto w obliczeniach,
przeliczając aktualne ciśnienie atmosferyczne.
Różnicę wysokości między stacjami ustalono na podstawie informacji o położeniu stacji w
Ursusie (110 m) oraz pomiaru aktualnej wysokości opisywanej stacji WF za pomocą GPS (128
m).
p= p U
− 18
8 [hPa]
p – ciśnienie na poziomie stacji WF,
p U ­ ciśnienie na poziomie stacji w Ursusie.
Ciśnienie hydrostatyczne wyznaczono ze standardowego wzoru
p h = g h
gdzie:
g ­ przyciąganie grawitacyjne (przyjęto średnią wartość),
h ­ różnica poziomów wody w manometrze (odczytana) ,
­gęstość wody (przyjęto tablicową wartość w aktualnej temperaturze).
Wykonano dwie serie pomiarów, otrzymując pary odpowiadających sobie wartości –
ciśnienia i sygnału napięciowego czujnika ciśnienia.
Szukano między nimi zależności postaci:
p=a∗Ub [hPa]
31

Znalezione współczynniki dopasowania:
a= 304.31±3.18 [hPa / V]
b= 120.21±28.01 [hPa]
Otrzymaną zależność p (U) przedstawia rys 4.
Rys.4. Zależność między ciśnieniem a napięciem na wyjściu czujnika ciśnienia.
Ciśnienie jest parametrem zależącym od temperatury. Zastosowany w stacji przyrząd
pomiarowy jest, według informacji producenta, wewnętrznie skompensowany temperaturowo w
zakresie mierzonych ciśnień. Niemniej można by było wykonać dodatkową kalibrację w
różnych temperaturach, by to sprawdzić.
2.3. Kalibracja czujnika wilgotności
Sprawdzanie przyrządów do pomiaru wilgotności wykonuje się również dwiema
podstawowymi metodami ­ porównawczą i punktową. Metodę punktową stosuje się tylko w
kalibracji czujników elektrycznych, korzysta się w niej ze szczelnych komór oraz używa
standardowych roztworów kwasów i soli. W zależności od stężenia i rodzaju tych substancji,
nad powierzchnią ich nasyconych roztworów występuje określone ciśnienie pary wodnej, a
zatem i znana jest wilgotność. Substancje te służą jako wzorce wilgotności.
Metoda porównawcza jest prostsza i tańsza i powszechnie stosowana. Kalibrację wykonuje
się przy pomocy wzorcowych psychrometrów wentylacyjnych. Metoda ta jest jednak dosyć
wrażliwa na (krótkotrwałe fluktuacje temperatury i wilgotności, ze względu na różne stałe
czasowe czujników wzorcowego i badanego.
Kalibrację czujnika wilgotności wykonano metodą porównawczą. Kilkakrotnie mierzona była
wilgotność powietrza w pomieszczeniu za pomocą psychrometru Assmana, umieszczonego w
pobliżu płytki z czujnikami i zestawiana z aktualnym wskazaniem czujnika ciśnienia.
32

Uzyskano odpowiadające sobie pary wielkości – napięcie czujnika wilgotności i wilgotność.
Szukano między nimi zależności liniowej postaci
RH=a∗Ub [%]
Znalezione współczynniki dopasowania:
a = 29.7±0.6 [% / V]
b = ­24.6±3.2 [%]
Otrzymaną zależność RH (U) przedstawia rysunek 5.
Rys. 5. Zależność między wilgotnością a napięciem na wyjściu czujnika wilgotności.
Wykonano również kilka prób kalibracji metodą punktową z wykorzystaniem nasyconego
roztworu soli ­ umieszczano płytkę z czujnikami w szczelnie zamkniętym słoiku z roztworem.
Wyników nie zamieszczono w pracy, ponieważ użyty roztwór nie był standardowy (sól z
domieszkami), a wyniki budzą poważne wątpliwości.
Pomiary wykonano w zakresie 20­50 % wilgotności. Za wilgotność 100 % przyjęto
maksymalne rejestrowane przez przetwornik napięcie, co trudno uznać za punkt pomiarowy –
stan nasycenia osiągany był również przy niższych napięciach. Dlatego warto byłoby powtórzyć
kalibrację – wykonać pomiary porównawcze również w przy niskich i wysokich
wilgotnościach. Można by również powtórzyć kalibrację punktową z wykorzystaniem
standardowych wzorcowych roztworów, w szczelnych układach.
Ze względu na przeprowadzone pomiary kalibracyjne termometru i zachodzącą podczas
pomiarów kondensację czujnik wilgotności wskazuje nieco zawyżone wartości. By to
skorygować należałoby ­ zgodnie z zaleceniami producenta ­ umieścić czujnik na dłuższy czas
w warunkach niskiej wilgotności.
33

Po wykonaniu kalibracji czujników płytka z czujnikami została zamontowana w osłonie
radiacyjnej i umieszczona na dachu budynku (rys. III 6).
Rys. III.6. Stacja w osłonie radiacyjnej.
3. Zmienność czasowa mierzonych parametrów
Korzystając z wyników przeprowadzonych kalibracji i znalezionych zależności p(U) i RH
(U), przedstawiono przykładowe przebiegi zmienności parametrów z wybranych dni IV­VIII. W
IV i V wykonywano pomiary kalibracyjne i rejestrowane były wartości parametrów w
pomieszczeniu. Pod koniec maja stacja została umieszczona na zewnątrz budynku. W VI i VII
mierzona była temperatura, a w VIII również ciśnienie i wilgotność. Nieciągłości w zapisie
zmian parametrów związane były z pracami naprawczymi oraz modyfikacjami układu.
Na rysunkach poniżej przedstawiono
• zestawienie zmian ciśnienia, wilgotności i temperatury w pomieszczeniu;
• zestawienie zmian ciśnienia, wilgotności i temperatury na zewnątrz
• zmiany wilgotności ­ porównanie wskazań w pomieszczeniu i na zewnątrz;
• zmiany ciśnienia ­ porównanie wyników ze stacją na Wydziale Geologii i w Ursusie;
• zmiany temperatury ­ porównanie wskazań w pomieszczeniu i na zewnątrz oraz ze stacją w
Ursusie;
34

Na rys 6 i 7 przedstawiono przebieg zmienności wszystkich mierzonych parametrów w
pomieszczeniu, w wybranych dniach IV i V.
Rys. 6. Zmiany temperatury, ciśnienia, wilgotności ­ IV
Rys. 7. Zmiany temperatury, ciśnienia, wilgotności – V
35

Z powyższego zestawienia widać zapis przeprowadzonych kalibracji czujników:
• zmiany temperatury podczas pomiarów 16IV, 17IV, 24 IV i 8V oraz – niedokończonej z
przyczyn technicznych serii pomiarowej z 30 IV,
• zmiany ciśnienia 16 IV i 5 V,
• wysokie wartości wilgotności podczas prób kalibracji czujnika wilgotności (metodą
punktową) 14­16 IV.
Można też zauważyć wyraźną korelację między wilgotnością a temperaturą w czasie
kalibracji temperatury. W zamkniętej komorze termostatu nawet odrobina wilgoci prowadziła
do nasycenia – stąd maksymalne wskazania czujnika.
Na kolejnych wykresach zamieszczono przebieg zmian parametrów mierzonych przez
czujniki umieszczone w osłonie w ciągu kilkunastu dni sierpnia. Przedstawiono wyniki
pomiarów oraz uśrednienia kolejnych dwóch, dziesięciu i dwudziestu pomiarów.
a
b
c
d
Rys. 8. Zmiany ciśnienia – wyniki pomiarów (a) oraz uśrednienia (b, c, d), VIII.
36

a
b
c
d
Rys. 9. Zmiany wilgotności ­ wyniki pomiarów (a) oraz uśrednienia (b, c, d), VIII
a
b
c
d
Rys.10. Zmiany temperatury ­ wyniki pomiarów (a) oraz uśrednienia (b, c, d),
37

Z wykresów widać, że pomiary czujnikami analogowymi – ciśnienia i wilgotności ­ zawierają
zakłócenia. Wynikają one głównie z budowy czujników oraz z działania zewnętrznych układów
elektronicznych. Są dwie metody ich likwidacji – filtracja analogowa i cyfrowa. Pierwsza
polega na dołączaniu dodatkowych układów elektronicznych, najczęściej obwodów RC.
Filtracja cyfrowa to np. uśrednianie kolejnych pomiarów, co zostało właśnie zastosowane [10].
Dzięki uśrednieniu wyników pomiarów wykresy zmienności ciśnienia i wilgotności znacznie
zyskały na czytelności. W przypadku temperatury ­ mierzonej czujnikiem cyfrowym – ta
procedura nie miała większego znaczenia.
Porównując zmiany wilgotności na rysunkach 6, 7 i 9 można zauważyć istotne różnice. W
pomiarach na zewnątrz widać pewną, chociaż nieregularną, zmienność dobową. Maksymalne
wartości rejestrowano w godzinach nocnych, a więc przy minimalnych temperaturach (rys 9).
Przy niższej temperaturze mniejsze jest ciśnienie pary wodnej w stanie nasycenia, a więc
większa wilgotność względna. W pomieszczeniu wilgotność jest w przybliżeniu stała i zależy
głównie od lokalnych zmian (rys 6,7).
Na rys. 9 widać wyraźnie granicę 60 %, poniżej której wilgotność bardzo rzadko spadała.
Może to być związane z obecnością w pobliżu lub na powierzchni czujnika substancji
higroskopijnej (np. pozostałości po przeprowadzonej wcześniej próbie kalibracji nad roztworem
soli), która zakłócała pomiar.
Na kolejnych rysunkach przedstawiono przebieg zmian ciśnienia w wybranych dniach IV i V.
Zestawiono wskazania czujników ciśnienia automatycznych stacji na Wydziale Fizyki i
sąsiedniej stacji Wydziału Geologii i porównano je z pomiarami stacji w Ursusie. Pomiary na
WG wykonywane są co godzinę czujnikiem pojemnościowym, pomiary w Ursusie – czujnikiem
półprzewodnikowym i są one uśredniane.
Rys 11 Zmiany ciśnienia rejestrowane na stacji Wydziału Fizyki (pASM) i Wydziału
Geologii (pGeo).
38

a
b
Rys.12. Zmiany ciśnienia rejestrowane przez:
a) stację Wydziału Fizyki (pASM) i Wydziału Geologii (pGeo)''
b) stację w Ursusie.
Duża zmienność ciśnienia notowana 16 IV i 6 V związana była z przeprowadzaną kalibracją
czujnika. 26­28 IV była przerwa w pomiarach w opisywanej stacji ­ połączenie wartości
rzeczywiście rejestrowanych prostą jest wynikiem zastosowanej metody graficznej.
Z powyższych rysunków widać spodziewane regularności oraz różnice. Przebieg zmian
ciśnienia w każdej ze stacji jest zbliżony – warunki baryczne są zazwyczaj jednorodne na
większym obszarze. Obserwuje się oczekiwane przesunięcie wartości związane z różnicą
wysokości – dla Ursusa i stacji WF jest to 18 m co daje około 2 hPa.
Jednocześnie porównanie tych tych trzech przebiegów potwierdza wcześniejsze obserwacje
związane z prostą analizą statystyczną, jaką jest uśrednianie. Przy zbyt rzadko wykonywanych
pomiarach jest duże prawdopodobieństwo zarejestrowania pojedynczej wartości będącej
zakłóceniem. W efekcie wyniki pomiarów mogą nie do końca odpowiadać mierzonej wielkości.
Przy pomiarach zbyt częstych natomiast rejestruje się szum, co z kolei zaciera informację.
Uśrednianie częstych pomiarów daje najlepsze rezultaty, pozwala uzyskać czytelną i pewniejszą
informację o parametrze.
39

Na kolejnych wykresach przedstawiono przebieg zmian temperatury w wybranych dniach
IV/V.
Rysunki 13 i 14 przedstawiają zmiany temperatury w pomieszczeniu i na zewnątrz.
Rys.13. Zmiany temperatury w pomieszczeniu (IV/V)
Rys.14. Zmiany temperatury na zewnątrz (VI/VII)
Z porównania obu przebiegów widać wyraźne i spodziewane różnice. W pomieszczeniu
wystąpiła mniejsza zmienność dobowa i notowane były mniejsze wartości (mimo wcześniejszej
pory roku). w porównaniu z wyraźnym cyklem dobowym na zewnątrz. Maksymalne
temperatury rejestrowano w godzinach wczesnopopołudniowych. Obserwacje te potwierdza
przebieg zmian temperatury z wybranych kilku dni (rys 15).
40

Rys.15. Zmienność dobowa temperatury w wybranych dniach IV­VII.
Na rysunku 16 porównano przebieg zmian temperatury rejestrowanych przez opisywaną
stację w czerwcu z wynikami pomiarów w Ursusie.
a
b
Rys.16. Zmiany temperatury notowane w stacji Wydziału Fizyki (a) i w Ursusie (b) ­ VI
41

Na obu wykresach tendencja zmian temperatury jest bardzo zbliżona – zależy w głównej
mierze od warunków synoptycznych, jednorodnych na większym obszarze. Warunki lokalne
wpływają na nieco inny przebieg tych zmian i inne notowane wartości.
Z przedstawionych przebiegów zmienności widać, że czujniki analogowe wymagają lepszej
filtracji szumów. Zastosowane uśrednianie jest skuteczne, jednak przy szybkich zamianach
parametru nie jest to metoda najlepsza. Dlatego warto by poprawić jakość uzyskiwanych
wyników również na poziomie elektroniki ­ budując lepsze układy przetwarzania sygnału.
By badać pogodę trzeba dużej ilości danych i pomiarów wielu parametrów oraz zastosowania
zaawansowanych metod statystycznych. Zamieszczone w tym rozdziale wykresy miały
wykazać, że nawet z prostej analizy zmienności czasowej tylko trzech parametrów również
można uzyskać wiele informacji o atmosferze lub potwierdzić własne obserwacje i intuicyjną
wiedzę. Z przedstawionych przebiegów zmian temperatury, ciśnienia i wilgotności
doświadczalnie można ustalić zakres zmian i zmienność czasową oraz badać wzajemne
zależności między tymi parametrami. Porównanie wyników z danymi z innych źródeł pozwala
natomiast zorientować się w zmienności przestrzennej tych czynników meteorologicznych.
Sama rejestracja zmian parametrów różnych warunkach pozwala obserwować wszelkie zmiany
zachodzące w otoczeniu lub układzie pomiarowym, badać zachodzące procesy.
Takie proste pomiary i obserwacje mogą mieć ograniczoną wartość naukową, ale są cenne
edukacyjnie.
4. Możliwości rozwoju ASM WF
Budowa i uruchomienie automatycznej stacji meteorologicznej było tematem jednego z
projektów realizowanych na Wydziale Fizyki. Czujniki w niej wykorzystane wymagały
kalibracji i wyskalowania, co było głównym celem niniejszej pracy i zostało wykonane.
Obecnie część pomiarowa – płytka z czujnikami – jest umieszczona na zewnątrz w osłonie
radiacyjnej. Mierzone są: ciśnienie atmosferyczne, temperatura i wilgotność powietrza, a wyniki
­ zamieszczane na ogólnodostępnej stronie internetowej. Zbudowany układ jest ciekawym
przykładem praktycznego zastosowania mikrokontrolerów, ale jednocześnie stanowi
podstawowe narzędzie pomiarowe w meteorologii i źródło informacji o pogodzie, a więc jest
urządzeniem użytecznym w Zakładzie Fizyki Atmosfery. Dane meteorologiczne niezbędne są
do celów synoptycznych, ale również ważne jako informacje dodatkowe w badaniach atmosfery
i klimatu.
Dlatego też stacja ma być dalej rozbudowana i ulepszana. W planach jest dołączenie
dodatkowych czujników: termometru oporowego Pt100, czujnika nasłonecznienia oraz
anemometru ultradźwiękowego, jak też kolejnych termometrów cyfrowych. Opracowany ma
być również nowy układ elektroniczny z lepszym filtrowaniem zakłóceń i dopasowaniem
sygnału. Zmodernizowany ma być układ rejestracji ­ umieszczony na jednej płytce oraz
42

wyposażony w możliwość zasilania z baterii i komunikacji przez port USB. Wprowadzenie tych
zmian wymagać będzie korekty i zmian w programie.
Zbudowana ASM – zamontowana w ogródku meteorologicznym ­ może stanowić uczelniane
obserwatorium meteorologiczne lub też być istotnym elementem, obok innych specjalistycznych
przyrządów, planowanej platformy pomiarowej Zakładu. Układ można znacznie rozbudować i
ulepszyć, a więc wykonywać przy jego pomocy pełniejsze pomiary. Dzięki karcie pamięci i
zasilaniu bateryjnemu urządzenie to może być wykorzystane do pomiarów w dowolnym
miejscu. Ze względu na stosunkowo niewielki koszt, względem potencjalnych korzyści, można
zbudować kilka takich stacji i prowadzić pomiary różnicowe.
Taka prosta ASM to również potencjalne bardzo użyteczne i wartościowe narzędzie
edukacyjne. By było ono realną propozycją musi być w zasięgu możliwości finansowych i
technicznych przeciętnej szkoły. Pierwszym krokiem byłoby zorganizowanie produkcji
gotowych zestawów pomiarowych – płytek drukowanych, czujników i pozostałych niezbędnych
elementów elektronicznych oraz osłony radiacyjnej lub obudowy. Obecnie układy scalone i
elementy elektroniczne są powszechnie stosowane, a więc coraz tańsze. Złożenie całego układu
nie musi być kosztowne. Komplet elementów wraz z dokładną instrukcją umożliwiłby
samodzielną budowę takiej stacji w szkole.
Niemniej ważne jest zapewnienie źródła informacji i ewentualnej pomocy w każdej
dziedzinie związanej z budową i właściwym działaniem stacji oraz z interpretacją i
wykorzystaniem uzyskanych wyników. Działająca informacyjna strona internetowa mogłaby też
umożliwić wymianę doświadczeń i pomysłów dotyczących pomiarów. Należałoby tylko dotrzeć
z tą ofertą do szkół i przekonać nauczycieli, że taka inwestycja się opłaca, jeśli szkoła chce
wszechstronnie, w sposób ciekawy i aktywizujący kształcić młodych ludzi, wzbogacać ich
wiedzę przyrodniczą i rozwijać różnorodne umiejętności.
43

III. Automatyczna stacja meteorologiczna (ASM) w szkole
Gotowe ASM są obecnie coraz powszechniej stosowane w nauczaniu na świecie [14, 15, 16,
17]. Wiele firm produkuje układy dostosowane do potrzeb szkoły[12, 13, 16]. Jednak bardziej
edukacyjne i tańsze jest samodzielne wykonanie takiego urządzenia. Przy niewielkich staraniach
przeciętna szkoła mogłaby – przy względnie niedużych nakładach finansowych – posiadać
działającą ASM własnej konstrukcji. Zmontowanie układu to propozycja dla bardziej
aktywnych uczniów. Mając zestaw wszystkich elementów, schemat ich połączeń oraz instrukcję,
przy średnio wyposażonej pracowni fizycznej, niewielkiej praktyce, z pomocą nauczyciela, a w
razie potrzeb i problemów – również specjalistów z uczelni, korzystając z informacji i
wskazówek na uniwersyteckiej stronie internetowej – chętni uczniowie mogą zbudować
urządzenie, z którego będzie korzystać cała szkoła. Program obsługi stacji może być wgrany w
gotowej wersji, ale również dowolnie modyfikowany – to jest kolejną propozycja
samodzielnego działania dla zainteresowanych i chętnych. Stacja podłączona do komputera
może automatycznie rejestrować dane, zamieszczać i uaktualniać wyniki pomiarów na szkolnej
stronie internetowej. Układ można umieścić w klatce meteorologicznej (np. własnej konstrukcji)
i stworzyć szkolną stację pomiarową, której wyniki można porównywać z innymi dostępnymi w
Internecie. Dzięki karcie pamięci i zasilaniu bateryjnemu również w szkole stacja może
stanowić mobilny układ pomiarowy do wykonywania pomiarów, badania zmienności
parametrów meteorologicznych i pogody w dowolnym miejscu.
Wyniki pomiarów można wykorzystać na różnych lekcjach: fizyki, geografii, ścieżek
międzyprzedmiotowych, kółek zainteresowań, a zwłaszcza na kursie meteorologii – jeśli taki
jest prowadzony.
Własną ASM stację warto posiadać, gdyż stanowi ona pomocnicze narzędzie w nauce
meteorologii i rozwija wiele umiejętności.
Doświadczenia, obserwacje i pomiary są podstawowym i najlepszym źródłem informacji we
wszystkich naukach przyrodniczych. Pomiary parametrów meteorologicznych powinny być
również podstawowym źródłem wiedzy o pogodzie i uzupełnieniem obserwacji. Stacje
automatyczne znacznie te pomiary ułatwiają i pozwalają uzyskać z nich więcej informacji.
Ciągły dostęp do wyników pozwala śledzić na bieżąco zmiany parametrów i konfrontować je
z obserwacjami, dzięki czemu wyrabia się intuicję meteorologiczną ­ kojarzy się zmiany tych
parametrów z obserwowaną pogodą. Porównanie ze sobą różnych wielkości meteorologicznych
pozwala szukać zależności między nimi i przyczyn tych zależności.
Dane można rejestrować z różnym, nawet bardzo krótkim krokiem czasowym, a więc badać
również szybkozmienne zjawiska pogodowe. Zapis danych z dłuższego okresu pozwala
natomiast badać lokalny mikroklimat.
Uzyskiwanie wyników własnych pomiarów może mobilizować i zachęcać do samodzielnego
poszukiwania informacji meteorologicznych z innych źródeł. Takie porównania i zestawienia
dają nie tylko pełniejszy obraz pogody, ale też świadomość głębszych przyczyn i reguł nią
rządzących,
Rejestrowane dane można wymieniać z innymi szkołami, posiadającymi stacje
meteorologiczne – pozwala to badać wpływ różnych czynników (np. topografii) na pogodę,
44

śledzić przemieszczanie się systemów pogodowych (np. przechodzenie frontu
atmosferycznego).
Przy międzynarodowej wymianie wyników pomiarów ­ mając dostęp do danych z całego
świata ­ można poznawać klimat kuli ziemskiej nie z książek, ale z bezpośrednich pomiarów, co
z pewnością daje więcej satysfakcji i jest znacznie skuteczniejszą metodą nauczania.
Gromadzone wyniki mogą być punktem wyjścia do zadawania pytań, formułowania
problemów, planowania pomiarów, tworzenia projektów badawczych ­ samodzielnie lub we
współpracy z innymi szkołami, korzystając również z dostępnych źródeł informacji i pomocy
specjalistów. Wzbogaca to wiedzę o pogodzie, zwiększa rozumienie obserwowanych zjawisk
atmosferycznych.
Przy spełnieniu niezbędnych kryteriów przy pomiarach gromadzone dane mogą być nie tylko
użyteczne edukacyjnie, ale i cenne naukowo.
Posiadając własną stację meteorologiczną można uczestniczyć w projektach i programach
również o skali ogólnoświatowej.
Jednym z takich programów jest Globe ­ międzynarodowy program edukacyjno­naukowy
koordynowany przez NASA. Zrzesza on szkoły oraz angażuje inne organizacje i ośrodki
naukowe. Globe stwarza możliwość wykonywania pomiarów różnych komponentów
środowiska przyrodniczego oraz gromadzenia i wymiany wyników przez Internet z innymi
uczestnikami i naukowcami. Pomiary prowadzone są w pięciu dziedzinach, w tym również w
szerokim zakresie ­ w badaniach atmosfery. Wykonywane są one zgodnie z dokładnymi
instrukcjami, z wykorzystaniem najnowszych technologii. Wyniki są porównywane z danymi z
innych źródeł, przy współpracy ze specjalistami z tych dziedzin. Dzięki ustalonym zasadom
pomiarów tworzona baza danych jest nie tylko wartościowa edukacyjnie, ale też cenna
naukowo. Globe prowadzi szkolenia nauczycieli, by jak najpełniej korzystali z możliwości, jakie
oferuje ten program. [14]
ASM również rozwijają wiele różnorodnych umiejętności.
Wykonanie, instalacja i utrzymanie stacji wymaga zastosowania umiejętności technicznych i
informatycznych.
Tworzenie i prowadzenie własnej strony pogodowej, wymiana danych oraz poszukiwanie
informacji stanowi dobrą praktykę we właściwym korzystaniu z Internetu.
Analiza i odczytywanie wykresów, map i zdjęć wyrabia wyobraźnię, uczy analitycznego
myślenia. Gromadzenie i opracowywanie danych pozwala wprowadzić podstawy statystyki,
wskazać jej związek z rzeczywistością i rolę w wyciąganiu informacji z danych pomiarowych.
Posiadanie ASM stanowi też okazję do zapoznania uczniów z budową, działaniem i
zastosowaniem automatycznych układów pomiarowych, może być punktem wyjścia do uczenia
o roli technologii cyfrowej i mikroelektroniki.
Pomiar parametrów meteorologicznych jest ciekawym i skutecznym sposobem nauki o
pogodzie. Aktywnie zdobyte wiadomości, informacje, samodzielnie sformułowany i rozwiązany
problem, wykonany eksperyment i wnioski z niego – dają więcej satysfakcji i na dłużej zostają
w pamięci niż wiedza książkowa. Pomiary wykonane ASM mogą stanowić pierwsze, a dla
wielu może jedno z nielicznych, zetknięcie się z prawdziwą pracą naukową, prawdziwym,
profesjonalnym sprzętem pomiarowym i być okazją do samodzielnego zbierania prawdziwych
danych.
45

Wymiana wyników pomiarów, wspólne tworzenie projektów, uczestniczenie w programach
edukacyjnych uczy współpracy. Stwarza również możliwość nawiązywania kontaktów ze
specjalistami, co stanowić może pierwsze zetknięcie się ze światem nauki.
Posiadanie własnej stacji pomiarowej, badanie lokalnego mikroklimatu, prowadzenie
szkolnej strony angażuje w życie szkoły i zachęca do wspólnych działań; ten aspekt społeczny
na poziomie szkoły jest również istotny.
ASM to jednak przede wszystkim narzędzie pomocne w nauczaniu meteorologii, a
wprowadzenie elementów tej nauki w edukacji szkolnej wydaje się być ważne.
Pogoda tworzy codzienność, dotyczy zjawisk obserwowanych każdego dnia, wpływa na
każdą dziedzinę życia. Meteorologia uczy więc o tym co sie dzieje wokół, pomaga zrozumieć
istotę zjawisk i procesów atmosferycznych, ich przyczyny, świadomie obserwować to, co nas
otacza. Ma też znaczenie bardziej praktyczne ­ pozwala lepiej rozumieć informacje pogodowe
oraz prognozy pogody i pełniej z nich korzystać.
Jako nauka o atmosferze meteorologia jest jedną z ważniejszych nauk przyrodniczych,
łączącą elementy wielu innych i jako taka ­ interdyscyplinarna ­ znakomicie obrazuje jedność
przyrody i konieczność zintegrowanego, całościowego nauczania.
Meteorologia korzysta z wielu innych dziedzin, najnowszych osiągnięć nauki i techniki, a
przez to stanowi świetną okazję, by o tym uczyć i ­ co nawet ważniejsze – zachęcić do
samodzielnej nauki.
Znajomość podstaw meteorologii zwiększa świadomość przyrodniczą. Większość problemów
środowiska jest przynajmniej częściowo związana z atmosferą i pogodą. Wiedząc jak
funkcjonuje atmosfera można identyfikować źródła i przyczyny tych problemów. Wobec coraz
większego wpływu człowieka na klimat i środowisko, ważne jest kształcenie ludzi o wysokiej
świadomości i wrażliwości przyrodniczej.
Meteorologia stanowi też wspaniałą ilustrację fizyki w życiu codziennym i podkreśla jej
ogromną rolę jako nauki przyrodniczej. Wskazanie podstawowych praw i zasad fizyki w
obserwowanych zjawiskach oraz procesach pogodowych i atmosferycznych jest być może
szansą na uczynienie z fizyki przedmiotu bardziej lubianego i zmianę nastawienia młodych ludzi
do tej nauki.
46

Podsumowanie
Na Wydziale Fizyki skonstruowano automatyczną stację meteorologiczna zawierającą
czujniki ciśnienia, temperatury i wilgotności. By można było korzystać ze stacji i otrzymywać
prawidłowe wyniki należało skalibrować zastosowane czujniki, co było celem niniejszej pracy.
Do kalibracji użyto standardowych przyrządów mierzących badane parametry oraz
odpowiednich układów pomiarowych prostej konstrukcji. W wyniku serii pomiarów
wyskalowano analogowe czujniki ciśnienia i wilgotności oraz skorygowano wskazania
termometru cyfrowego.
Korzystając z wyników kalibracji przedstawiono przykładowe przebiegi zmienności
mierzonych parametrów.
Analiza otrzymanych wykresów sugeruje zmiany jakie należałoby wprowadzić w układzie.
Wyniki pomiarów czujnikami analogowymi wymagają filtrowania, by wyeliminować szumy
związane z budową czujników i działaniem układu elektronicznego. Uśrednianie jest jednym ze
sposobów, lepsze rezultaty jednak dałoby dołączenie elektronicznych układów filtrujących.
Wyniki kalibracji pozwalają odczytywać wartości parametrów, ale można byłoby powtórzyć
pomiary dla obu czujników analogowych. Czujnik ciśnienia jest skompensowany
temperaturowo, można to jednak sprawdzić wykonując pomiary kalibracyjne w różnych
temperaturach. Czujnik wilgotności wymaga być może dodatkowych działań. Przede wszystkim
należy go staranie oczyścić usuwając możliwe zabrudzenia higroskopijne. Dalej należałoby
skorygować jego wskazania w warunkach niskich wilgotności. Można powtórzyć kalibrację
wykonując pomiary w ciągu całego roku, uzyskując przez to większy zakres zmienności
parametru. Dodatkowe punkty do kalibracji można otrzymać stosując standardowe wzorcowe
roztwory.
Skonstruowana stacja stanowić może bardzo użyteczne narządzie pomiarowe w Zakładzie
Fizyki Atmosfery. Dlatego ma być ulepszana i rozbudowana. Planuje się dołączenie
dodatkowych czujników, również mierzących inne parametry meteorologiczne oraz układów
elektronicznych, które zwiększą dokładność pomiarów. Układ rejestracji ma być konstrukcyjnie
uproszczony i ulepszony.
Oprócz naukowego zastosowania w badaniach atmosfery automatyczne stacje
meteorologiczne stanowić też mogą cenne narzędzie edukacyjne. Dlatego w planach jest
również spopularyzowanie tego urządzenia w szkole. Należy w tym celu zorganizować
produkcję zestawów elementów niezbędnych do konstrukcji takiej stacji oraz zapewnić źródło
informacji i pomocy. Uczelniana informacyjna strona internetowa mogłaby również umożliwić
kontakt oraz wymianę informacji, pomysłów i doświadczeń związanych z korzystaniem ze
stacji między szkołami.
47

Literatura
[1] Guyot G., Phisics of the environment and climate, John Wiley & Sons,1998
[2] Różdżyński K., Miernictwo meteorologiczne, IMGW, Warszawa 1996
[3] Strangeways I., Back to basics: The 'met.enclosure':Part 5 – Humidity, Weather, X
2000, Vol 55,
[4] Strangeways I., Back to basics: The 'met.enclosure':Part 9(a) –Automatic weather
stations: Temperature, humidity, barometric pressure and wind, Weather, XI 2003, Vol 58,
[5] Strangeways I., Back to basics: The 'met.enclosure':Part 10 – Data loggers, Weather,
VII 2004, Vol 58, No.7
[6] Strangeways I., Back to basics: The 'met.enclosure':Part 11 – Telemetry by telephone
and ground­based radio, Weather, X 2004, Vol 59, No.10
[7] http://www.fuw.edu.pl/~pablo/s/index.html
[8] instrukcja użytkowania termometru cyfrowego DS18B20
(http://www.maxim­ic.com/)
[9] instrukcja użytkowania czujnika ciśnienia MPX4115A,
[10] Motorola semiconductor note. Noise consideration for Integrated Pressure Sensors
(http://e­www.motorola.com)
[11] instrukcja użytkowania czujnika wilgotności HIH­3610
(http://content.honeywell.com/sensing/products/)
[12] http://www.campbellsci.co.uk
[13] http://www.weatherstations.co.uk
[14] http://www.rmets.org
[15] http://www.globe.gov
[16] http://www.weatherhawk.com
[17] http://www.weatherbugachieve.com
48