Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Profesionální měření povětrnostních podmínek pro neprofesionály

Profesionální měření povětrnostních podmínek pro neprofesionály

Převodník povětrnostních veličin WXT510 od firmy Vaisala je nový unikátní přístroj umožňující současně měřit potřebné veličiny v úlohách, které vyžadují znalost povětrnostních (meteorologických) veličin, ale přitom leží mimo oblast profesionální meteorologie. Převodník měří šest hlavních povětrnostních veličin: barometrický tlak, relativní vlhkost a teplotu vzduchu, množství vodních srážek a rychlost a směr větru. Standardně dodávaný a snadno použitelný konfigurační nástroj a široký výběr komunikačních rozhraní dovolují převodník WXT510 velmi jednoduše připojit k nejrůznějším měřicím ústřednám i řídicím jednotkám.

Jedinečná koncepce mění přístup k měření povětrnostních podmínek

Sestavit stanici pro společné měření základních povětrnostních veličin dosud bylo dosti nesnadné. Před vznikem převodníku WXT510 byly totiž senzory v něm zabudované dostupné jen jako součást speciálních měřicích stanic určených pro profesionální meteorology. Vysoký stupeň integrace použitý v převodníku nyní umožňuje měřit povětrností veličiny běžně mimo meteorologii, a to dostatečně kvalitně a při přijatelných nákladech.

Převodník WXT510 vznikl po systematické analýze vybraných oblastí trhu s měřicí technikou a podle požadavků odpovídajících skupin zákazníků. Na výsledky důkladného základního výzkumu v oblasti senzorové techniky prováděného výzkumným oddělením firmy Vaisala navázala etapa aplikovaného výzkumu a vývoje, na jejímž konci je výrobek odpovídající očekáváním a potřebám uživatelů.

Zatímco k měření tlaku, teploty a relativní vlhkosti vzduchu je v převodníku WXT510 využita technika u firmy Vaisala již známá a dlouhodobě ověřená při řešení mnoha různých úloh, použité metody měření charakteristik dešťových srážek a rychlosti a směru větru jsou nové.

Systematická analýza potřeb uživatelů
Převodník WXT510 je určen k použití v automatických meteorologických stanicích v rozmanitých úlohách, při jejichž řešení jsou důležité jak možnosti přepravy, instalace a údržby měřicího zařízení, tak i celkové náklady na ně. Na počátku projektu, před započetím vlastního vývoje převodníku, byla provedena důkladná analýza s cílem najít hlavní kritéria, jejichž splnění je rozhodující pro úspěchu výrobku tohoto typu. Analýza ukázala zejména tyto skutečnosti:

  • přístroj musí být snadno konfigurovatelný podle potřeb různých aplikací,
  • přístroj musí mít vestavěné diagnostické funkce,
  • musí být nabídnuta možnost volby konektorů s vysokým stupněm krytí,
  • interval údržby přístroje musí být delší než jeden rok,
  • přístroj musí odolávat korozi,
  • přístroj musí být schopen zachovat specifikovanou přesnost po dobu dvou let.

Převodník povětrnostních veličin WXT510 je zkonstruován podle těchto požadavků (obr. 1).

Potřeba kompaktních, cenově dostupných a odolných měřidel povětrnostních veličin
Údaje o stavu a dějích v ovzduší jsou samy o sobě užitečné jen velmi zřídka. Zpravidla je třeba je převést na využitelné informace, které je dále zapotřebí mít k dispozici v potřebném čase, ve vhodném tvaru a za přijatelnou cenu. Tato úloha typicky vede k použití automatické povětrnostní stanice nebo sítě takových stanic, když další data, popř. informace, mohou být převáděna také v osobních počítačích, řídicích jednotkách nebo zobrazovacích zařízeních. Technicky je možné provozovat potřebný aplikační software i v mobilním telefonu, PDA nebo jiném přenosném koncovém zařízení. A perspektivním jádrem každého takového systému je právě převodník WXT510.

Obr. 1.

Obr. 1. Převodník WXT510 měří šest základních povětrnostních veličin: jeho výška je pouze 24 cm, neobsahuje pohyblivé díly, a tudíž nevyžaduje údržbu

Povětrnostní převodník WXT510 je navržen pro potřeby odvětví využívajících meteorologické informace, kde uživatelem těchto informací je profesionál, jehož denní činnost závisí na stavu povětrnostních podmínek. Dále je pro daná odvětví typické, že uživatel sice nesleduje povětrnostní situaci nepřetržitě, ale zato je pro něj nutné snadno se dostat k příslušným informacím právě tehdy, kdy je potřebuje. Odvětví závislých na povětrnostních informacích je mnoho. Jako typické příklady lze uvést např. zemědělství s jeho různými úlohami jako zavlažování, hubení škůdců a modelování nákazy, dále řízení větrné turbíny, měření a předpovídání kvality ovzduší, služby pro lodní dopravu a lyžařská střediska atd.

Převodník WXT510 není určen pro profesionální meteorology, jejichž požadavkem je měřit co nejpřesněji. Absolutní přesnost tohoto přístroje je kompromisem mezi dlouhou dobou života, snadnou údržbou a spolehlivostí. Naproti tomu tento převodník měří přesněji než levné povětrnostní stanice určené pro běžné spotřební použití.

Převodník povětrnostních veličin WXT510 je ideální stavební prvek pro tvorbu sítí s většími až velkými počty spolupracujících stanic. Je kompaktní, vyrobený na bázi polovodičové techniky a cenou velmi dobře konkuruje výrobkům obdobné výkonnosti.

Osvědčené snímače Vaisala v kombinaci s novinkami

Přesné měření začíná u snímačů. Firma Vaisala má desítky let zkušeností s vývojem a výrobou snímačů a meteorologických přístrojů s provozně prověřenou spolehlivostí a přesností. Kombinací všech těchto snímačů nyní vytvořila přístroj WXT510.

Měření tlaku, teploty a vlhkosti
Funkce měření barometrického tlaku, teploty a relativní vlhkosti vzduchu jsou integrovány do jediné jednotky, tzv. modulu PTU. Jde o jednotku velmi blízkou měřicímu modulu, který firma Vasiala používá ve svých meteorologických radiosondách. Vedle toho, že je použití techniky již osvědčené v radiosondách výhodné z ekonomického hlediska, významně přispívá k hodnověrnosti dat naměřených modulem PTU v převodníku WXT510.

Kalibrace
Závěrečná kalibrace modulu PTU pro převodník se provádí s použitím kalibračního přístroje CAL4 firmy Vaisala, který individuálně kalibruje senzory jednotlivých veličin. Přístroj CAL4 obsahuje speciální stabilní kalibrovací komory s přesně známými vlastnostmi a velmi přesné pracovní etalony mezinárodně navázané na etalony vyšších řádů. O provozní etalony používané v přístroji CAL4 pečuje metrologická laboratoř (Measurement Standards Laboratory – MSL) firmy Vaisala. Tato laboratoř také udržuje databázi údajů obsahující historické kalibrační závislosti všech měřících přístrojů použitých ve spojení s přístrojem CAL4. Kalibrační koeficienty platné pro modul PTU jsou uloženy přímo v tomto modulu, který je vyměnitelný jako celek a je dostupný jako náhradní díl.

Anemometr bez pohyblivých dílů
Ultrazvukový anemometr je stále populárnější nejen mezi profesionálními meteorology, ale také v dalších oborech využívajících povětrnostní informace. Je tomu tak jednak proto, že ultrazvuková technika se stává cenově dostupnější, a jednak pro další nesporné přednosti těchto přístrojů. Mechanické anemometry obsahují díly, které se při provozu opotřebovávají. Výkonnost mechanických přístrojů klesá také z důvodu jejich běžného provozního znečištění např. solí, prachem či pískem. Vedle uvedených omezení mají mechanické senzory také určitou prahovou citlivost, tj. měří až od jisté spodní mezní rychlosti větru, a navíc vlivem setrvačných hmot reagují pomaleji na rychlé změny.

Obr. 2.

Obr. 2. Princip činnosti senzoru Windcap: určení rychlosti a směru větru (vs – rychlost šíření zvuku ve vzduchu)

Převodník WXT510 měří směr a rychlost větru ve vodorovné rovině prostřednictvím moderního ultrazvukového senzoru Vaisala Windcap®. Jde o tutéž techniku, kterou využívá špičkový anemometr Vaisala WS425. Použité principy jsou ukázány na obr 2.

Základní úlohou je určit velikost složky rychlosti větru vv ve směru spojnice vždy dvou ze tří ultrazvukových měničů. Postupuje se podle obr. 2a tak, že se nejprve změří doba průletu ultrazvukového impulsu ve směru z vysílače (čidlo 1) do přijímače (čidlo 2), poté naopak (čidlo 2 vysílá, čidlo 1 přijímá) a uvedeným jednoduchým výpočtem se stanoví velikost vv.

Sestava ultrazvukových měničů umístěných ve vrcholech rovnostranného trojúhelníku poskytuje tři sady vektorů složek rychlosti větru (obr. 2b), jejichž složením se stanoví aktuální vektor rychlosti větru.

Oproti všem ostatním je jedinečnou předností použitého způsobu měření uspořádání příslušných čidel (ultrazvukových měničů) do tvaru rovnostranného trojúhelníku, díky kterému lze při všech směrech větru vyloučit vliv turbulence.

Srážkoměr bez pohyblivých součástí a s minimem údržby
K měření množství a dalších parametrů dešťových srážek je v převodníku WXT510 použita metoda patentovaná firmou Vaisala pod označením Raincap®. Odpovídající srážkoměr neobsahuje pohyblivé díly, a tudíž vyžaduje jen minimální údržbu. Je tvořen víčkem z ocelového plechu s piezoelektrický měničem namontovaným zdola (viz obr. 1). Senzor srážkoměru jako celek detekuje dopady jednotlivých dešťových kapek a poskytuje výstupní signál úměrný jejich objemu, jak je naznačeno na obr. 3.

Obr. 3.

Obr. 3. Princip činnosti senzoru Raincap®: dílčí výstupní napětí Uj jsou úměrná objemům dopadajících kapek Vj a celkový objem P srážek je funkcí souhrnného napětí U ze senzoru

Údaje o srážkách poskytované senzorem Raincap jsou velmi podrobné – vedle celkového objemu srážek měří v reálném čase také intenzitu a dobu trvání deště. Protože je déšť měřen bezprostředně po kapkách, nejsou údaje srážkoměru ovlivňovány ani odpařováním vody ze senzoru, ani jeho případným navlháním jinak než deštěm. Protože nehromadí vodu, nemůže být senzor ani zatopen.

Dešťové srážky jsou jev velice lokální, tj. v jejich rozložení existují velké územní rozdíly. Při dostatečném počtu měřicích bodů (stanic), byť s méně přesnými srážkoměry, lze tudíž získat celkově správnější údaje než z jediného, i velmi přesného přístroje.

Jednoduché spojení s jinými zařízeními nebo systémy
Převodník povětrnostních údajů WXT510 je velmi vhodný pro úlohy kritické z hlediska spotřeby energie, neboť v klidovém režimu jím protéká pouze 0,1 mA. Protože může být napájen napětím v širokém rozmezí od 5,3 do 30 V DC, lze převodník velmi snadno začlenit do téměř jakéhokoliv měřicího nebo řídicího systému, včetně terénních. S hostitelským zařízením komunikuje prostřednictvím obousměrné sériové linky s možností volby jednoho ze čtyř konfigurovatelných komunikačních rozhraní: SDI-12, RS-232, RS-485 a RS-422.

Závěr

Multifunkční převodník povětrnostních údajů WXT510 je kompaktní, odolný přístroj s jednoduchou obsluhou a s minimálními požadavky na údržbu. Svými vlastnostmi přináší zcela nové, profesionální možnosti při hromadném měření povětrnostních veličin např. v zemědělství, dopravě, průmyslu i jiných oborech lidské činnosti prováděných mimo oblast vyhrazenou profesionální meteorologii.

Převodník WXT510 i jiné přístroje nabízí společnost D-Ex Limited, spol. s r. o., se sídly v Brně a v Bratislavě, která zastupuje firmu Vaisala v České republice a na Slovensku.

Lauri Tuomaala, produktový manažer, Vaisala Oyj, Helsinky

Z anglického originálu New Possibilities for Wheater Maesurement, Vaisala News, 166/2004, str. 27–29, Vaisala Oyj, Helsinki, 2004, přeložil Miroslav Havlíček; úprava redakce; otištěno se svolením D-Ex Limited, spol. s r. o.

D-Ex Limited, spol. s r. o.
Optátova 37
637 00 Brno
tel.: 541 423 211
fax: 541 423 219
e-mail: info@dex.cz
http://www.dex.cz