美国阿贡国家实验室使用低成本传感器和3D打印组件测试气象站

美国阿贡国家实验室使用低成本传感器和3D打印组件测试气象站

2021-01-27 11

大学毕业后的两年,我在当地的CBS分支机构担任副制作人,并花了很多时间来学习电视台的来龙去脉。我主要写锚定脚本,但是我总是喜欢看气象学家,我认为他们的工作简直令人着迷。全国各地的气象站都配备了传感器和其他仪器,可以监控这些实时预报所涉及的所有条件,例如气温,降水和风速。但是,这些站也可以是诸如可再生能源发电和农业等主题的有价值的研究工具,一个学生说。


不幸的是,商业站点非常昂贵,这意味着它们收集的气候数据更少,可供更少的人使用。但是俄克拉荷马大学和美国能源部的阿贡国家实验室的一组研究人员最近发表了一项研究,他们在其中创建并评估了一个由成本更低的传感器和3D打印部件制成的气象站,以查看是否可以表现和商业电台一样好。


摘要指出:“根据大学大气研究3D打印自动气象站计划提供的计划和指导,使用3D打印零件和低成本传感器建造的气象站已与俄克拉荷马州Mesonet站一起部署,以进行比较其性能优于标准商用传感器,并决定了系统的使用寿命和耐用性。在俄克拉荷马州的诺曼进行了为期8个月的野外部署,收集了温度,相对湿度,大气压力,风速和风向,太阳辐射和降水量测量值。”


气候图

3D打印气象站相对于俄克拉何马州Mesonet的位置。(图片由Google Earth提供)


该项目的负责人是亚当·泰森(Adam K. Theisen),他在该项目开始时就职于大学,但在加入阿贡大学(Argonne)担任大气和地球科学家之后,他继续前进。该团队将他们的3D打印气象站与俄克拉何马州Mesonet的商业级版本进行了比较,俄克拉荷马州Mesonet是由俄克拉荷马大学和俄克拉荷马州立大学的科学家创建并实施的一个主要的环境监测站网络。精确的3D打印站将在现实条件下运行,比较研究持续了八个月,由该大学的中尺度气象研究合作研究所(CIMMS)资助。


Theisen解释说:“为了使其得到更广泛的采用,它必须经过这样的验证和确认研究。”


俄克拉荷马州Mesonet仪表。模式定义:I =瞬时测量;A =一段时间内的平均值;T =总计。温度精度不包括辐射防护屏带来的不确定性。

3d打印

3D大学的学生按照大学大气研究公司(UCAR)的3D打印自动气象站(3D-PAWS)计划创建的开源计划,为气象站打印了100多个零件。他们确定,与典型的PLA相比,丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(ASA)对于室外部件而言将是更耐用的长丝,并且开始起作用。


3D-PAWS计划先前曾确定低成本的自制气象站是一种有前途的可能性,但是这些新系统首次在本系列实验中首次配备了3D打印部件和廉价的传感器,尽管我们肯定看到3D印刷气象站之前。


传感器

紫外线指数传感器使用从冷冻餐盘上切下的塑料盖。研究结束时拍摄的这张照片显示出用于密封边缘的胶水泛黄。


大约五个月后,3D打印气象站开始出现一点磨损,零件退化甚至破裂,相对湿度传感器先被腐蚀,然后失效。但是,这也不是个坏消息-它确实捕获到的测量值大约等于俄克拉荷马州Mesonet商业站的测量值。


“我没想到该电台的性能会比以前好。即使组件开始退化,结果也表明这类气象站对于较短的活动可能是可行的。”


“如果您要谈论的是更换两三个这样的廉价传感器,而不是每年维护和校准一个价格为1,000美元的传感器,那么考虑这是一个很大的成本效益。”


研究人员发现,他们在3D打印气象站中使用的低成本传感器能够准确测量压力,雨水,相对湿度,温度和紫外线。从2018年8月到2018年4月,一些塑料3D打印仪器(例如用于测量风速的风速计)在俄克拉荷马州的户外活动中表现不佳,其特点是下雪,下大雨且气温低至从14°F一直到104°F。但是,有了更好的打印质量,团队相信他们会做得更好。


3D打印在偏远地区制造专用组件和更换零件时非常有用。此外,如果价格便宜的传感器在短时间后发生故障,预算仍然较低,这种类型的气象站实际上对于在诸如沙漠之类的更偏远地区的位置实际上是可行的。


3d打印气象站

3D打印气象站在现场的初始安装。


该项目有两个重要目的:不仅确认3D打印气象站可以提供准确的结果,而且还是重要的教育工具。


“学生学习了他们在课堂上不会学到的技能。他们制定了提案,设计了框架,并完成了大部分印刷和接线工作。” Theisen说。


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