Wetterstation, Sensoren und Technik

Diese privat betriebene Wetterstation befindet sich in Monschau-Mützenich auf einer Höhe von 587m. Erste Daten wurden im November 2005 erfasst, damals noch mit einer Oregon WMR928NX (zur Geschichte dieser Wetterstation siehe 'Wetterstation > Anfänge und Weiterentwicklung'). Alle erfassten Messwerte wurden und werden weiterhin in einer Datenbank gespeichert.

Eine hohe Zuverlässigkeit der Daten war im Jahr 2007 erreicht. Deshalb werden seit Stichtag 1. Januar 2008 auch statistische Daten (Stunde, Tag, Monat, etc.) errechnet. Diese können auf dieser Website im Menü unter 'Wetter > Statistik' abgerufen werden.



Aktuell werden folgende meteorologische Daten erfasst:

  • Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit auf einer Höhe von 2 Metern
  • Bodentemperaturen (-5, -10, -20, -50 und -100cm)
  • absoluter Luftdruck(*)
  • Niederschlag
  • Wind
  • Schneehöhe
  • Gewitter

  • (*) Anhand der aktuellen Lufttemperatur und der Höhenlage des Luftdrucksensors wird der auf Meereshöhe umgerechnete Luftdruck (QFF) errechnet.


    Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit


    © Galltec Mela
    Zur Messung der Lufttemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit kommt ein KPC 1/6 von Galltec Mela zum Einsatz. Der Sensor hat zum Schutz gegen Staub und Feuchtigkeit einen Edelstahl Sinterfilter (ZE21). Der Sensor ist wassergeschützt auf einer Höhe von 2 Metern über dem Boden in einer ventilierten Strahlungsschutzhütte von Fischer untergebracht. Hierbei garantiert die Zwangsbelüftung einen gleichmäßigen Luftstrom um den Sensor und somit verlässliche Messwerte. Die Lüfterdrehzahl wird mit einem Microprozessor (PIC) überwacht.

    Die analogen Spannungen des Sensors (0V - 1V) werden mit Präzisions-Operationsverstärkern niederohmig konvertiert und einem AD-Wandler vom Typ ADS1115 zugeführt. Der AD-Wandler ist über eine Datenleitung auf den I²C-Bus eines Raspberry Pi geschaltet, der die Daten regelmäßig ausliest und weiterverarbeitet.




    © TE Connectivity

    © Galltec Mela
    Bevor der Galltec Mela Sensor zum Einsatz kam, wurden auch Experimente mit einem HTM2500LF von Measurement Specialities, jetzt TE Connectivity durchgeführt.


    Davor war auch der BME280 von Bosch Sensortec im Einsatz. (Siehe auch zum Thema 'Luftdruck'.) Da der Sensor BME280 ein SMD-Bauteil ist, wurde ein Breakout-Board von Watterott verwendet. Das Breakout Board wurde zusätzlich mit einem Korrosionsschutz versehen. Hierzu wurde das Board beidseitig mit Plastik70 Schutzlack von Contakt Chemie besprüht und versiegelt. Selbstverständlich wurde das Luftloch im Gehäuse des BME280 bei der Versiegelung ausgespart. Beim ersten Einsatz eines solchen Boards zeigten sich jedoch nach einigen Monaten Ausfälle bei der Kommunikation über den I²C-Bus, verursacht durch Korrosion. Dieses Problem konnte mit der Versiegelung reduziert, aber nicht langfristig beseitigt werden.

    Zudem ist der Sensor wohl nicht für einen längeren Außeneinsatz geeignet, denn der Feuchtesensor lieferte nach einigen Monaten kontinuierlich 100% Feuchte, obwohl er gegen Spritzwasser geschützt in der Strahlungsschutzhütte untergebracht war. Auch der HTM2500LF zeigte Ausfälle, obwohl er mit einem grobporigen Edelstahl Sinterfilter (ZE13) von Galltec Mela ausgestattet war (siehe oben).



    Bodentemperaturen


    © Sensorshop24.de
    Die Bodentemperaturen in 5, 10, 20, 50 und 100cm Tiefe werden mittels wasserdichter 10k NTC-Fühlern gemessen. Sie befinden sich in unmittelbarer Nähe der Station. Die aus den NTCs über ein Widerstandsnetzwerk gewonnenen Spannungen werden wie bei dem Temperatur- und Feuchtesensor niederohmig angepasst und AD-Wandlern zugeführt.

    Die Sensoren fallen jedoch hin und wieder aus, und zwar auf die Art und Weise, dass der Widerstandswert fällt, was zu einer höheren errechneten Temperatur führt. Zunächst wurde Feuchte (Wassereintritt in das Gehäuse) vermutet. Allerdings haben genauere Untersuchungen ergeben, dass diese Effekte auffallend einige Tage nach Gewittern auftreten. Für eine mögliche Erklärung der Ursache siehe hier.



    Luftdruck


    © Watterott
    Die Messung des Luftdrucks erfolgt mit einem BME280, da dieser auch einen Luftdrucksensor mit an Bord führt. Es werden zwei voneinander unabhängige Messungen in von Witterungseinflüssen geschützten Umgebungen durchgeführt. Die leicht unterschiedlichen Höhenlagen der beiden Sensoren werden dabei natürlich berücksichtigt(**). Anhand der Außentemperatur und der barometrischen Höhenformel wird jeweils der auf Meereshöhe reduzierte Luftdruck errechnet.

    Unter Berücksichtigung der Höhen der zwei unterschiedlichen Montageorte ergeben sich bisher bis auf ± 0.1hPa identische Werte, womit man zufrieden sein kann. Somit wird nur ein Sensor als führende Größe verwendet, der zweite dient der Kontrolle.

    (**) Entsprechend der barometrischen Höhenformel nimmt der Luftdruck je Meter Höhe um ca. 0.12hPa ab.


    Niederschlag

    Der Niederschlagsmesser MR3H-01s der Fa. Meteoservis v.o.s. verrichtet seit Herbst 2018 seinen Dienst. Er hat eine Auflösung von 0.1mm und besitzt eine Heizung, um auch bei niedrigen Temperaturen Graupel, Hagel oder Schnee als Niederschlagsäquivalent zeitnah messen zu können.

    Der Niederschlagsmesser ist mit einer von Meteoservis zur Verfügung gestellten Korrekturtabelle kalibriert, die die Abweichung der gemessenen Niederschlagsmenge von der tatsächlichen Menge in Abhängigkeit von der Niederschlagsintensität berücksichtigt.

    Bei einer hohen Intensität nimmt der Fehler, der durch die Kippzeit des Kippgefäßes im Gerät entsteht, nämlich zu. Außerdem fließen geringe Mengen Wasser beim Kippvorgang nicht mehr exakt in das Kippgefäß, so dass grundsätzlich immer zu wenig gemessen wird. Die Korrekturmaßnahme berücksichtigt dies.

    Somit sind auch bei hohen Niederschlagsraten (z.B. bei Starkregen) sehr genaue Messungen von Niederschlagsmengen zu erwarten.

    Die Steuerung der Heizung erfolgt über einen Thermostaten im Gerät; übergeordnet schaltet ein Algorithmus im Raspberry Pi die Versorgungsspannung der Heizungsregelung im Bereich um den Nullpunkt der Außentemperatur, um etwas stromsparender operieren zu können.



    Wind

    Der Windmesser WGR918N war der letzte Sensor, der von der ursprünglichen Wetterstation noch übrig geblieben war. Inzwischen hat in 2019 auch hier ein Autausch stattgefunden. Während der Übergangszeit wurden die Daten nicht mehr mittels des Solarsensors STR938 übertragen, sondern die Daten wurden vom Sensor direkt in einem Raspberry Pi verarbeitet. Damit war auch die Empfangsstation der Oregon WMR928N nicht mehr erforderlich. (Siehe 'Anmerkungen zum Dekodieren von Telegrammen der Oregon Sensoren')

    Inzwischen dient ein WGR918N nur noch der optischen Anzeige der Windrichtung. Die Messungen von Windrichtung und Windgeschwindigkeit erfolgen mit einem Ultraschall-Anemometer der Fa. G. Lufft Mess- und Regeltechnik GmbH, und zwar mit einem V200A-UMB. Hierzu wurde das UMB-Protokoll der Fa. Lufft im Raspberry Pi implementiert. Für die kalte Jahreszeit ist das Gerät, wie der Niederschlagsmesser, mit einer integrierten Heizung ausgerüstet.

    Die Umsetzung der RS485-Schnittstelle des Anemometers an den Pi übernimmt ein RS485-USB-Konverter. Die aktuellen Debian Distributionen für den Pi bringen die Treiber für z.B. einen CH340-Chip schon mit.

    Mehr Hintergrundwissen über Ultraschall-Anemometer und deren Selbstbau ist z.B. bei Hardy Lau (DL 1 GLH) zu finden.


    Schnee

    Die Schneehöhe wird mit einem Ultraschallsensor ermittelt. Nach ersten wenig erfolgreichen Versuchen (siehe hier) wurde der Ultraschallsensor MB7374 aus der Reihe der Sensortypen HRXL-MaxSonar®-WRS™ von Maxbotix ausgewählt.

    Für den Ultraschallsensor von Maxbotix ist auch der NTC-Widerstand Temperatursensor MB7958 verfügbar. Dieser NTC nimmt Einfluss auf das Rechenmodell des Sensors und korrigiert die Messwerte anhand der aktuellen Temperatur, da sich die Schallgeschwindigkeit mit der Temparatur ändert und dies schon bei einem Meter Messabstand zu Fehlern führt.

    Jedoch ist der Widerstand, montiert auf einem Breakout-Board, nicht für den dauerhaften Außeneinsatz verwendbar. Korrosion führt hier zu schnellen Ausfällen. Deshalb wird dem Ultraschallsensor mit einem Präzisionswiderstand eine Temperatur von 25°C vorgegaukelt und der vom Sensor produzierte Messwert wird von einem Raspberry Pi anhand der aktuellen Lufttemperatur und der CO2-Konzentration der Luft korrigiert.

    Als Referenzfläche für die Messungen dient eine helle Fliese, die bei Schneefall bedeckt wird und die sich bei Sonneneinstrahlung quasi nicht erwärmt.

    Anmerkung:
    Die Geschwindigkeit des Ultraschalls ändert sich mit der Temperatur, und zwar gilt näherungsweise: c ≈ 331.5 + (0.6 · ϑ) für -20°C < ϑ < 40°C.
    Mehr Informationen hier sowie unter
  • 'Molecular concentration of water vapour from Rh using Giacomos method by Davis (1991) as implemented in DTU report 11b-1997' und
  • 'Speed calculation using method of Cramer from JASA vol 93 p. 2510'.

  • Weitere Literatur und Software dazu:
  • NIST
  • DTU
  • GitLab RWTH Aachen Diese Software wird für die Korrekturrechnungen bezüglich Temperatur und CO2-Konzentration verwendet.


  • Gewitter


    © Embedded Adventures
    Das Registrieren von Entladungen bei Gewittern, also das Registrieren von Blitzen, übernimmt ein Franklin Lightning Sensor AS3935 von der Fa. Austria Micro Systems. Für diesen Sensor sind, wie für den BME280, diverse Breakout Boards erhältlich. Hier wird ein Board der Fa. Embedded Adventures verwendet.

    Das Board ist nicht direkt bei der Wetterstation installiert, da wegen elektrischer Felder von einem nahen Weidezaun und Schaltimpulsen der Heizungen für den Niederschlags- und den Windsensor falsche Daten entstehen würden. Er befindet sich auf dem Grundstück außerhalb der Gebäude in einer von elektromagnetischem Smog weitestgehend sauberen Umgebung. Er ist wie ein BME280 an das I²C-Interface eines Raspberry Pi angeschlossen.

    Der Sensor liefert erstaunlich gute Resultate; das Preis-Leistungsverhältnis ist bestens. Die Qualität der Daten ist natürlich nicht zu vergleichen mit denen der Wetterdienste. Mit einem Sensor an einem Ort kann natürlich auch nicht die Richtung ermittelt werden, aus der ein Gewitter herannaht. Wer sich intensiver hiermit beschäftigen möchte sei beispielsweise auf die Aktivitäten von Blitzortung.org verwiesen.



    Datenübermittlung und -verarbeitung


    © Embedded Adventures
    Alle Sensoren sind an Raspberry Pi's angeschlossen, auf denen die benötigten Schnittstellen und Protokolle realisiert sind. In der Außenstation ist ein Pi in einem Säulenschrank untergebracht und verrichtet dort problemlos seinen Dienst. Benötigte Netzgeräte und die Transformatoren für die Heizungen sind ebenfalls in diesem Schrank installiert.

    Die Daten werden mittels einer Wi-Fi-Schnittstelle an einen Datenbankserver übertragen. In Offlinesituationen, z.B. bei Wartungsarbeiten am Datenbankserver, schreibt der Pi die Daten in einen Logfile, von wo aus diese dann später in die Datenbank übertragen werden.




    Hinweise:

    Geographische Daten der Wetterstation: GeoLat = 50.5718740, GeoLon = 6.2229785, h = 587m (QTH: JO3ØCN 67RG)

    Im Zehnminutentakt werden die Daten zur Verfügung gestellt.