Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Transkriptio

1 Kojemeteorologia Sami Haapanala syksy 2013 Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

2 Kojemeteorologia, 3 op 9 luentoa, 3 laskuharjoitukset ja vierailu mittausasemalle Tentti Oppikirjana Rinne & Haapanala: Meteorologinen mittalaitetekniikka. Aerosolitutkimusseura ry, Kurssi perustuu pitkälti kirjaan Brock & Richardson: Meteorological Measurement Systems. Oxford University Press, 2001.

3 Kurssin tarkoitus Oppia ymmärtämään meteorologisten mittalaitteiden perusfysiikkaa Oppia ymmärtämään mittalaitteiden staattisia ja dynaamisia ominaisuuksia kuvaavat parametrit Oppia määrittämään staattiset ja dynaamiset parametrit

4 Kurssin alustava aikataulu 1) ke 4.9. Luento Johdanto, toiminnallinen kaavio 2) pe 6.9. Luento Mittalaitteiden staattiset ominaisuudet 3) ke Luento Lämpötilan-, kosteuden ja paineen mittaaminen 4) pe Luento Kalibroinnin arkipäivää 5) ke Luento Mittalaitteiden dynaamiset ominaisuudet 6) pe Laskarit 7) ke Luento Tuulen suunnan ja nopeuden mittaaminen 8) pe Luento Datan käsittely ja tallentaminen 9) ke Luento Sateen ja säteilyn mittaaminen 10) pe Laskarit 11) ke Luento Yläilmakehän luotaukset 12) pe Luento Asemaverkoston suunnittelu 13) ke Laskarit 14) pe Kertaus, vierailu Kumpulan synop-asemalle

5 Johdanto Mittari on laite, joka on vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa anturin avulla välittää tiedon jostain ympäristönsä tilaa kuvaavasta parametrista käyttäjälle Mittarissa on yleensä muitakin komponentteja Mittarin toimintaa voidaan kaavamaisesti kuvata ns. toiminnallisen kaavion avulla

6 Terminologiaa Mittalaite: Anturin, muuntimet ja näytön sisältävä kokonaisuus, jonka avulla tieto jostain ympäristöä koskevasta fysikaalisesta suureesta välittyy mittalaitteen käyttäjälle. Anturi: Mittalaitteen osa, joka on vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa ja jonka ulostulosignaali riippuu tästä vuorovaikutuksesta. Muunnin: muuttaa informaatiota kuljettavaa signaalia muodosta toiseen. Esimerkiksi virrasta jännitteeksi.

7 Terminologiaa Signaali: Informaatiota sisältävä suure, esim. jännite, joka on verrannollinen lämpötilaan. Analoginen signaali on jatkuva, esim. jännite, joka on verrannollinen lämpötilaan. Digitaalinen signaali: Signaali jonka informaatio vaihtuu askeleittain. Esim. numerot: 1,1; 1,2; 1,3... Syöte: Anturille sisään menevä signaali.

8 Toiminnallinen kaavio Ympäristö x Anturi y 1 Analoginen signaalin muokkaus y 2 Datan siirto y 4 Digitaalinen signaalin muokkaus y 3 Analogia-digitaalimuunnos y 5 Tallennus Näyttö Käyttäjä y 6 y 7

9 Anturi Anturi on mittarin osa, joka on vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa ja johon mitattava suure vaikuttaa välittömästi Se muuttaa fysikaalisen tilan (lämpötila, ilman kosteus, tuulen nopeus) helpommin käsiteltäväksi ulostulosignaaliksi (nesteen tilavuus, jännite, taajuus)

10 Analoginen signaalin muokkaus Anturin antama signaali muokataan helpommin luettavaan muotoon Usein signaalia on tarpeen vahvistaa Esimerkiksi ohut putki voimistaa lämpömittarin säiliössä olevan nesteen lämpölaajenemisen silmin nähtäväksi

11 Analogi-digitaali muunnos (AD-muunnos) Analoginen (jatkuva) signaali muunnetaan digitaaliseksi (diskreetti) tietokoneella tapahtuvaa jatkokäsittelyä varten AD-muunnoksen hyvyys riippuu aikaresoluutio näytteenottotaajuudesta signaaliresoluutio muunnostasojen määrä (muuntimen bittien lukumäärä) Esimerkiksi lämpömittarin lukeman kirjaaminen paperille säännöllisesti on jo eräänlainen AD-muunnos!

12 Digitaalinen signaalin muokkaus Signaalin käsittelyn mahdollisuudet tietokoneella ovat lähes rajattomat Usein signaaliin sovelletaan kalibrointiyhtälöä ja tehdään korjauksia jotka voivat olla epälineaarisia tai muuten monimutkaisia

13 Datan siirto Data pitää usein siirtää mittauspaikalta jatkokäsittelyä, tallennusta ja loppukäyttöä varten Siirto voi tapahtua fyysisesti kuljettamalla sähköisenä signaalina johtoja pitkiin optisena signaalina valokuitua pitkin radioaalloilla

14 Datan tallentaminen Datan tallennuksessa on huomioitava tallennusvälineen kestävyys ja käytettävyys Nykyään data tallennetaan esimerkiksi muistipiireille kovalevyille CD/DVD levyille Ennen esimerkiksi paperiliuskoille

15 Näyttö Yksinkertaisissa laitteissa näyttö voi olla asteikolla varustettu pylväs tai viisari Digitaalisissa laitteissa on usein numeronäyttö Kuvaruutunäytöillä voidaan dataa näyttää myös graafisesti

16 Esimerkki: nestelämpömittari Näyttö: Asteikko, joka muuntaa elohopeapatsaan korkeuden lämpötilaksi Analoginen signaalin käsittely: Kapea putki, joka vahvistaa elohopean lämpölaajenemisen aikaansaaman signaalin Anturi: Elohopeasäiliö, joka on kosketuksessa mitattavan ympäristön kanssa.

17 Mittarin toimintaa kuvaavat parametrit Staattiset parametrit Kuvaavat mittarin käytöstä kun siihen vaikuttavat tekijät ovat ajasta riippumattomia Dynaamiset parametrit Kuvaavat mittarin käytöstä kun siihen vaikuttavat tekijät ovat ajasta riippuvia

18 Virheet Mittaustapahtuma on altis monille virhelähteille Mittaustulos on aina arvio mitattavasta arvosta Staattiset virheet deterministiset : hysteresis, jäännösepälineaarisuus satunnaiset: kohina Dynaamiset virheet esimerkiksi mittarin hitaus mitattavaan ilmiöön nähden Ryömintä mittarin vasteen muutos ajan kuluessa Altistus anturiin vaikuttaa muukin kuin haluttava kohde