Sensorenbeschreibung und Technische Daten

Seit dem 1. Januar 2015 werden alle wichtigen meteorologischen Parameter von der Wetterstation "TFA Nexus" erfasst. Die TFA Nexus ist eine professionelle Wetterstation in der Mittelklasse und lässt durch die separaten Funksensoren große Gestaltungsmöglichkeiten. Insgesamt lassen sich fünf Temperatur-/Luftfeuchtigkeitssensoren betreiben.

Standardmäßig werden folgende Parameter erfasst:

  • Lufttemperatur
  • relative Luftfeuchtigkeit
  • Taupunkt (berechnet)
  • Luftdruck
  • Windgeschwindigkeit
  • Windrichtung
  • Niederschlag

Die Station wurde um zwei Temperatursensoren mit Kabelfühler für Bodentemperaturmessungen erweitert.


Wetterhütte

wetterhuetteDie Messung der Außentemperatur und -luftfeuchtigkeit findet in einer Wetterhütte statt. Der Thermo-/Hygrosensor muss für repräsentative Messungen im Wärmegleichgewicht mit der Luft stehen. Um das zu erreichen, muss der Sensor in einem Strahlungsschutz vor Sonnenstrahlung geschützt werden. Der weiße Anstrich sorgt für eine hohe Reflexion der Strahlung und damit eine minimale Eigenerwärmung. Gleichzeitig muss ein guter Luftaustausch gewährleistet sein um Stauwärme zu verhindern.  Der Thermo-/Hygrosensor befindet sich nach internationalen Standards in einer Höhe von 2 m über Grund und entspricht damit den nationalen und internationalen Vorgaben für eine stationsübergreifende Vergleichbarkeit.

 

 


Erdboden-Messfeld

messfeld1 thumDas Erdboden-Messfeld dient der Erfassung zweier Bodentemperaturen. Zum einen die Temperatur in einer Höhe von 5 cm über der Erdoberfläche, zum anderen die Temperatur 5 cm unter der Erdoberfläche. Die Bodentemperatur 5 cm über der Erdoberfläche dient vor allem der Ermittlung der Temperaturen zwischen Sonnenuntergang und -aufgang. Messungen am Tage haben keine größere Bedeutung, daher ist der Sensor ohne Strahlungsschutz ausgestattet. Durch die Sonneneinstrahlung kommt es tagsüber zu hohen Temperaturwerten. Üblicherweise kühlt nach Sonnenuntergang der Erdboden durch Ausstrahlung stärker ab, als die darüber liegende Luft. Das geschieht vor allem in klaren Nächten, ohne dass Wolken eine Wärmeabstrahlung in die höheren Atmosphäreschichten behindern. Erdboden-MessfeldVor allem in den Wintermonaten kann hier die Warnung vor Glätte abgeschätzt werden, da die Temperatur kurz über der Erdoberfläche bereits unter dem Gefrierpunkt liegen kann, obwohl die Lufttemperatur in 2 m Höhe noch im positiven Bereich liegt. Die Temperatur 5 cm unterhalb der Erdoberfläche gibt vor allem im Winter Aufschluss, welche Temperatur der Boden hat und wie tief der Frost in den Erdboden eingedrungen ist. Hierüber lassen sich aussagen über z.B. das Liegenbleiben von Schnee treffen. Die Temperaturen werden über Kabelsensoren gemessen und über die in der Wetterhütte befindlichen Sendeeinheiten zur Basisstation gesendet. Das Messfeld hat die Abmessungen von 80 x 80 cm und soll unbewachsen sein. Ist der Boden von Schnee bedeckt, soll der obere Temperatursensor 5 cm über der Schneedecke liegen. Aus diesem Grund kann die Sensorhöhe angepasst werden.

 


Regenmesser

RegenmesserDer Regenmesser befindet sich in einer standardisierten Höhe von 1 m über der Erdoberfläche. Der Regen trifft in den Sammeltrichter und füllt eine Wippe, die sich bei einer definierten Wassermenge entleert. Dabei wird über einen Magneten und einen Reed-Kontakt ein Schaltimpuls erfasst. Die konstruktionsbedingte Auflösung beträgt lediglich 0,7 mm und ist damit relativ groß. Vor allem bei leichten Niederschlägen würde es hier zu einem Informationsverlust und einer höheren zeitlichen Verzerrung der Niederschlagszuordnung kommen. Aus diesem Grund wurde der Trichter auf einen Durchmesser von 17,2 cm vergrößert. Die größere Auffangfläche führt zu einer neuen Auflösung von 0,2 mm. Zum Schutz vor Verunreinigungen ist der Trichter mit einem Sieb sowie einer Vogelabwehr ausgestattet. Die Übertragung erfolgt alle 3 Minuten an die Basisstation. Der Regenmesser ist nicht beheizt und kann daher Schnee, Graupel oder Hagel erst nach dem schmelzen erfassen, wenn die Umgebungstemperatur wieder über dem Gefrierpunkt liegt. Mit einer Heizung kann man auch von einem Niederschlagsmesser sprechen, da alle Niederschlagsarten direkt gemessen werden. Die erfassten Regenmengen repräsentieren einen sehr regionalen Bereich, da Niederschlagsereignisse extrem punktuell auftreten können. Bereits in einer Entfernung von 100 m um den Regenmesser kann der Niederschlag gänzlich anders ausfallen. Diese Eigenschaft trifft auf alle Messgeräte zur Erfassung von Niederschlag zu.

 


Anemometer und Windfahne

AnemometerZur Erfassung der Windgeschwindigkeit kommt ein Schalenkreuzanemometer zum Einsatz. Der Wind führt zur Bewegung der offenen Halbschalen und damit zur Rotation des Schalenkreuzes. Aus der Drehgeschwindigkeit wird die Windgeschwindigkeit bestimmt. Die Windfahne legt sich in den Wind und zeigt somit die Richtung an. Damit ist die Windrichtung die Richtung aus welcher der Wind kommt. Nicht zu verwechseln mit der Richtung, in welche die Luftströmung hinfließt. Der Windmesser ist über dem Dachgiebel in einer normgerechten Höhe von ca. 10 m befestigt. Die Übertragung findet alle 33 Sekunden statt. Böen werden alle 11 Sekunden erfasst. Neben Stützbatterien sorgt ein integriertes Solarpanel mit Akku für die Energieversorgung.

 

 

 


Basisstation

Die Daten werden via Funkübertragung über 433Mhz-Frequenz an die Basisstation übertragen. Die Basisstation selbst gibt Auskunft über das Raumklima, Zeiten für Sonnenauf- und -untergang sowie die Mondphase. Über den Luftdrucksensor werden Druckschwankungen registriert und eine Wettervorhersage errechnet. Über den eingebauten Speicher können über 3400 Datensätze gespeichert und wieder abgerufen werden. Außerdem sind verschiedene Alarmzustände programmierbar. Die TFA Nexus weist beim Empfang der Sensoren eine leichte Schwäche auf, sodass es zu Ausfällen kommen kann. Zur Verbesserung des Empfangs wurden daher verschiedene Umbauten vorgenommen: Der vorinstallierte Funkempfänger der Basisstation wurde gegen einen Superhet RX-4MM3/F ausgetauscht. Außerdem wurde auch die Antenne von der Basisstation getrennt und zusammen mit dem Superhet in ein externes Gehäuse verlegt. Damit wird eine derzeitige Empfangsgüte von 100 % erreicht.

 


Hardware und Software

Wswin ScreenshotDie Basisstation ist über eine USB-Verbindung mit dem Wetterrechner verbunden. Hierfür dient ein besonders energiesparendes Netbook wie das ASUS X101. Dort werden die Daten von der Bedien- und Auswertesoftware WSWin empfangen und verarbeitet. Das Aufzeichnungsintervall liegt bei fünf Minuten, sodass die zeitlichen Entwicklungen der Parameter gut erkennbar und interpretierbar sind. Die Software lässt neben der Beobachtung der aktuellen Wetterlage unzählige statistische Auswertungen der gesammelten Datensätze zu. Das Netbook läuft im geschlossenen Zustand also ohne Energieverbrauch für den Bildschirm. Der Zugriff darauf erfolgt von extern via Remote-Verbindung. Damit wird ein Energieverbrauch von unter 10 Watt erreicht!

Die Standortbedingungen entsprechen nicht zu 100% den WMO-Richtlinien (WMO = World Meteorological Organization). Dennoch wurden die Anforderungen bei der Positionierung der Sensoren so weit wie möglich berücksichtigt. Besonders die Messwerte für die Lufttemperatur sowie die Temperatur 5 cm über dem Boden können durch den Standort im äußeren Siedlungsbereich leicht von Werten über dem freien Feld abweichen. Temperaturen sowie Feuchtigkeiten varrieren je nach Entfernung zu z.B. Wiesen, Feldern, Waldflächen oder Siedlungen in gewissem Maße. Diese Besonderheiten gelten für fast jeden Parameter (auch bei offiziellen Stationen) und müssen daher stets im Hinterkopf behalten werden.


Technische Daten der Wetterstation im Detail:

Temperatur-/Luftfeuchtigkeitssensor:

      • Temperatur
        • Messbereich: -40 °C bis +80 °C (Bedienungsanleitung) bzw. -20 °C bis +50 °C (Datenblatt Sensor)
        • Auflösung: 0,1 °C
        • Genauigkeit: ±1 °C
      • Luftfeuchtigkeit
        • Messbereich: 0 - 95 % relative Luftfeuchtigkeit (Bedienungsanleitung) bzw. 25 bis 90 % rel. Feuchte (Datenblatt Sensor)
        • Auflösung: 1 %
        • Genauigkeit: ±5 %
      • Messintervall: 47 s
      • Funkkanäle: 5
      • Reichweite: bis zu 30 m bei freier Sicht (Herstellerangabe)

Innentemperatur/Innenluftfeuchtigkeit/Luftdruck (in Konsole integriert):

      • Temperatur
        • Messbereich: -9,9 °C bis + 60 °C (Betriebstemperatur: -5°C bis +50°C)
        • Auflösung: 0,1 °C
        • Genauigkeit: ±1 °C
        • Messintervall 10 s
      • Luftfeuchtigkeit
        • Anzeigebereich: 0 bis 99 % rel. Feuchte
        • Auflösung: 1 %
        • Genauigkeit: ±5 % (innerhalb 25 bis 80 % rel. Feuchte)
        • Messintervall 10 s
      • Luftdruck
        • Messbereich: 500 bis 1100 hPa
        • Auflösung: 0,1 hPa
        • Genauigkeit: ±3 hPa
        • Höheneinstellung: -200 bis 5000 m

Niederschlagssensor:

      • Messbereich: 0 bis 1999 mm (Stunde/Tag), 0 bis 19999 (Woche/Monat)
      • Auflösung: 0,7 mm pro Wippenschlag => modifiziert auf 0,2 mm
      • Messintervall: 183 s
      • Reichweite: bis zu 100 m bei freier Sicht (Herstellerangabe)

Windstärke-/Windrichtungssensor:

    • Messbereich Windstärke: 0 bis 322 km/h (0 bis 199,9 mph)
    • Genauigkeit Windstärke: ±3 km/h + 5 % (±2 mph + 5 %)
    • Auflösung Windrichtung: 22,5 °
    • Genauigkeit Windrichtung: ±11,25 °
    • Mindestgeschwindigkeit Windrichtung: 5 km/h (3 mph)
    • Genauigkeit Windrichtung: ±11,25 °
    • Messintervall Windrichtung 33 s
    • Messintervall Böen: 11 s
    • Messintervall Windgeschwindigkeit: 33 s
    • Reichweite: bis zu 100 m bei freier Sicht (Herstellerangabe)