Das Ziel dieser Arbeit ist eine Konzeptionierung und der Aufbau einer meteorologischen Messung für das Outdoorlabor der Universität Paderborn. Dabei bilden die Analyse der meteorologischen Sensoren sowie die Beurteilung des vorliegenden Aufbaus für das Outdoorlabor eine Grundlage der Untersuchung. Die Messungen sollen normgerecht erfolgen. Die aufgenommenen Daten sollen gespeichert werden um dann für weitergehende Untersuchungen im Rahmen von PV-Modulvermessungen genutzt zu werden. Zur Aufnahme der Daten soll die Software LabView von National Instruments genutzt werden. Zusätzlich eignet es sich das Programm zur Umsetzung der Rechenmodelle und der komplexen Datenanalyse.
Ein weiterer Bestandteil der Arbeit besteht darin Sensoren zu evaluieren und zu konfigurieren. Dabei werden auch die Aspekte der Datenübertragung mit berücksichtigt. So-wohl Art und Anzahl der Eingänge (analog, digital, seriell), als auch die Abtast- und Speicherrate sind hierbei von großer Bedeutung. Bei der Signalübertragung von den Sensoren bis zur Speicherung der Messdaten wird die gesamte Kette untersucht und bewertet. [...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Sicherheit im Umgang mit elektrischen Strömen
2.2 Blitzschutz
2.2.1 Äußerer Blitzschutz
2.2.2 Innerer Blitzschutz
2.2.3 Überspannungsschutzgeräte nach IEC 62305-3
2.3 Messgrößen
2.3.1 Messbedingungen nach IEC 61215
2.3.2 Aufstellung der Sensoren
2.4 Weiterführende Richtlinien
3 Sensorik
3.1 Solare Einstrahlung
3.1.1 Thermosäulen-Pyranometer
3.1.2 Silizium-Pyranometer
3.2 Windgeschwindigkeit
3.2.1 Schalensternanemometer
3.2.2 Akustische Strömungsmessung
3.3 Windrichtung
3.3.1 Windrichtungsgeber der Firma Thies
3.4 Temperaturmessung
3.4.1 Strahlungsschutz mit Ventilation
3.4.2 Messprinzipien der Temperaturmessung
3.4.3 Flüssigkeitsthermometer
3.4.4 Bimetallthermometer
3.4.5 Metallwiderstandsthermometer
3.4.6 Der Hygro-Thermogeber der Firma Thies
3.5 Luftfeuchtigkeit
3.5.1 Haarhygrometer
3.5.2 Lithium-Chlorid-Feuchtesensor
3.5.3 Psychrometer
3.5.4 Kapazitive Feuchtemessung
3.5.5 Einsatzmöglichkeiten
3.6 Niederschlag
3.6.1 Vaisala
3.7 Himmelsbeobachtung
4 Datenerfassungshardware
4.1 Datenerfassungsgeräte
4.1.1 Schnittstellen - National Instruments
4.1.2 NI-9174 mit 9205 und 9402 Modulen
4.2 Zeitbasis
4.2.1 Die Zeitskala UTC
5 Grundlagen - LabView
5.1 Entwicklungsumgebung von LabView
5.1.1 Frontpanel
5.1.2 Blockdiagramm
5.1.3 Funktionspalette
5.1.4 Elementarpalette
5.1.5 Knoten und Verbindungslinien
5.1.6 Kontexthilfe
5.2 Elemente des Programmierens
5.2.1 While-Schleife
5.2.2 For-Schleife
5.2.3 Case-Struktur
5.2.4 Schieberegister
5.2.5 Lokale Variablen
5.2.6 Sequenz-Struktur
5.3 Datenformate in LabView
5.3.1 Übersicht der Speicherformate
5.3.2 Datentypen in LabView
5.3.3 Sicherung der Daten
5.3.4 Konvertierung der Daten
5.4 Zeitinformationen in LabView
5.4.1 Taktelemente in LabView
5.4.2 Zeitstempel in LabView
5.5 Schnittstellen von NI LabView
5.5.1 Low-Level-VISA
5.5.2 Assistent zur Instrumenten I/O
5.5.3 Messgerätetreiber
5.5.4 Einrichten der Geräte
6 Programmierung in LabView
6.1 Frontpanel
6.1.1 Datenerfassung
6.1.2 Meldungen/ Fehlermeldungen
6.1.3 Vis über das Internet veröffentlichen
6.2 Installation der Applikation (EXE)
6.3 HMI – Human Machine Interface
7 Betrachtung der Messwerte und Unsicherheiten
7.1 Unsicherheiten
7.1.1 Systematische Unsicherheiten
7.1.2 Statistische Unsicherheiten
7.1.3 Berechnung des Messergebnisses
7.2 Angabe der Messunsicherheit
7.2.1 Erweiterte Messunsicherheit
7.2.2 Ursachen der Messunsicherheit
7.3 Messunsicherheit nach DKD-3-E1
7.3.1 Bestimmung der Messunsicherheit
7.3.2 Unsicherheit des Windrichtungsgebers 4.3150.00.161
7.3.3 Schalensternanemometer "First Class" 4.3351.00.000
7.3.4 Ultraschallanemometers 3D
7.3.5 Hygro-Thermogeber Compact Thies 1.1005.54.761
7.3.6 Hygro-Thermogeber Compact Thies 1.1005.54.761
7.3.7 Ultraschallanemometer Vaisala WXT-520
7.3.8 Pyranometer SPN1
7.3.9 Staubablagerungen
7.3.10 Elektrische Störfelder
8 LabView VIs zur Erfassung der meteorologischen Daten
8.1 Session erstellen
8.1.1 Analoge Signale öffnen
8.1.2 Digitale Signale öffnen
8.1.3 Serielle Signale öffnen (RS-232 / RS-485)
8.1.4 Dateinamen schreiben
8.1.5 Header schreiben
8.2 Schreiben / Lesen
8.2.1 String umwandeln
8.2.2 Zeitstempel umwandeln
8.2.3 Umrechnungsfaktoren der Sensoren einstellen
8.3 Session Schließen
8.3.1 Ports schließen
8.3.2 Speicherung der Messdaten
9 Ausgewählte Messdaten
9.1 Bilder IP - Kamera
10 Zusammenfassung
11 Anhang
11.1 Blitzschutz
11.1.1 DataPro2x1-24V-Tr / DataPro2x1-12V-Tr
11.1.2 DataPro-RS485-Tr
11.2 Sensoren
11.2.1 Windgeber "First Class" Advanced
11.2.2 Ultrasonic Anemometer 3D der Fa. Thies
11.2.3 Windrichtungsgeber „First Class“ – 4.3150.x0.0110
11.2.4 SPN1 Sunshine Pyranometer
11.2.5 SPLite2 Silizium Pyranometer
11.2.6 A.8 Hygro-Thermogeber Compact Thies 1.1005.54.761
11.2.7 Vaisala WXT520
11.3 Datenerfassung
11.3.1 Chassis für die Messkarten National Instruments 9174
11.3.2 Schnittstellen – ICPDAS
11.4 LabView
11.4.1 Tastaturbefehle LabView
11.5 Wartung
11.5.1 Wartung Temperatur
11.5.2 Wartung Niederschlag
11.5.3 Wartung der Messsensoren
11.6 Statistische Grundlagen
11.6.1 Methode der kleinsten Fehlerquadrate für lineare Gleichungen
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Konzeption und der Aufbau einer automatisierten meteorologischen Messstation für das Outdoorlabor der Universität Paderborn. Hierbei liegt der Fokus auf der Analyse und Evaluierung geeigneter Sensoren, der Implementierung einer normgerechten Signalübertragung unter Berücksichtigung von Blitz- und Überspannungsschutz sowie der Entwicklung einer stabilen Datenverarbeitungssoftware auf Basis von LabView zur präzisen Erfassung und Speicherung meteorologischer Daten für zukünftige PV-Modulvermessungen.
- Konzeptionierung einer meteorologischen Messinfrastruktur für Photovoltaik-Freiluftlabore.
- Evaluierung und Konfiguration meteorologischer Sensoren (Strahlung, Wind, Temperatur, Feuchte, Niederschlag).
- Implementierung eines robusten Blitz- und Überspannungsschutzkonzepts nach IEC-Normen.
- Programmierung der Datenerfassungs- und Verarbeitungslogik mittels National Instruments LabView.
- Systematische Analyse von Messunsicherheiten zur Sicherstellung der Datenqualität.
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Das Ziel dieser Arbeit ist eine Konzeptionierung und er Aufbau einer meteorologischen Messung für das Outdoorlabor der Universität Paderborn. Dabei bilden die Analyse der meteorologischen Sensoren sowie die Beurteilung des vorliegenden Aufbaus für das Outdoorlabor eine Grundlage der Untersuchung. Die Messungen sollen normgerecht erfolgen. Die aufgenommenen Daten sollen gespeichert werden um dann für weitergehende Untersuchungen im Rahmen von PV-Modulvermessungen genutzt zu werden. Zur Aufnahme der Daten soll die Software LabView von National Instruments genutzt werden. Zusätzlich eignet es sich das Programm zur Umsetzung der Rechenmodelle und der komplexen Datenanalyse.
Ein weiterer Bestandteil der Arbeit besteht darin Sensoren zu evaluieren und zu konfigurieren. Dabei werden auch die Aspekte der Datenübertragung mit berücksichtigt. Sowohl Art und Anzahl der Eingänge (analog, digital, seriell), als auch die Abtast- und Speicherrate sind hierbei von großer Bedeutung. Bei der Signalübertragung von den Sensoren bis zur Speicherung der Messdaten wird die gesamte Kette untersucht und bewertet. Das Labor befindet sich auf dem E-Gebäude der Universität Paderborn. Die Aufständerung der Photovoltaikmodule ist nach Süden hin ausgerichtet (Abbildung 2), der Montagewinkel der Photovoltaikmodule liegt bei 30°.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt das Ziel der Konzeptionierung einer meteorologischen Messstation für das Outdoor-Labor der Universität Paderborn inklusive der Wahl von LabView.
2 Grundlagen: Behandelt die notwendigen Sicherheitsaspekte im Umgang mit Elektrizität sowie die detaillierte Blitzschutzkonzeption für das Outdoor-Labor.
3 Sensorik: Erläutert die physikalischen Prinzipien und Kenndaten der verwendeten meteorologischen Sensoren zur Erfassung von Strahlung, Wind, Temperatur und Feuchte.
4 Datenerfassungshardware: Detailliert die Auswahl und den Aufbau der Hardwarekomponenten von National Instruments zur digitalen Erfassung der Sensordaten.
5 Grundlagen - LabView: Bietet eine Einführung in die Entwicklungsumgebung LabView und die für die Arbeit relevanten Programmierelemente.
6 Programmierung in LabView: Beschreibt die konkrete Implementierung des Hauptprogramms zur Verarbeitung der Sensoreingänge und der grafischen Benutzerschnittstelle.
7 Betrachtung der Messwerte und Unsicherheiten: Analysiert die Messunsicherheiten der einzelnen Sensoren und der Übertragungskette nach metrologischen Standards.
8 LabView VIs zur Erfassung der meteorologischen Daten: Dokumentiert die schrittweise Programmierung der VI-Ablaufstrukturen zur Kommunikation mit den Messgeräten.
9 Ausgewählte Messdaten: Präsentiert beispielhafte Messergebnisse und die Korrelation mit Kamerabildern.
10 Zusammenfassung: Fasst das Ergebnis der Arbeit und die erfolgreiche Realisierung der Messstation zusammen.
11 Anhang: Enthält technische Datenblätter, Anschlussbelegungen und weiterführende Informationen zu den verwendeten Komponenten.
Schlüsselwörter
Meteorologie, LabView, Datenerfassung, Photovoltaik, Outdoor-Labor, Blitzschutz, Sensortechnik, Signalverarbeitung, Messunsicherheit, Pyranometer, Anemometer, National Instruments, Messdatenmanagement, Klimatologie
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der Konzeptionierung und dem praktischen Aufbau einer automatisierten meteorologischen Messstation für ein Outdoor-Labor an der Universität Paderborn.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Die Arbeit verbindet die Themengebiete meteorologische Messtechnik, elektrische Sicherheitstechnik (Blitzschutz), Hardware zur Datenerfassung und Software-Programmierung mit LabView.
Welches primäre Ziel wird mit dem Aufbau verfolgt?
Das primäre Ziel ist die normgerechte Erfassung und Speicherung meteorologischer Daten, um diese für weiterführende Untersuchungen im Bereich der Photovoltaik-Modulvermessung nutzen zu können.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es wird eine systematische Analyse der Sensoreigenschaften vorgenommen, gefolgt von einer detaillierten Messunsicherheitsbetrachtung nach DKD-3-E1-Standards sowie einer methodischen Implementierung in LabView.
Was wird schwerpunktmäßig im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die theoretischen Grundlagen, die Sensorik, die Datenerfassungshardware, die LabView-Programmierung und eine detaillierte Betrachtung der Messunsicherheiten.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit lässt sich am besten durch Begriffe wie Meteorologie, LabView, Datenerfassung, Photovoltaik, Blitzschutz und Messunsicherheit charakterisieren.
Warum ist der Blitzschutz für dieses spezielle Messlabor so essenziell?
Da sich das Outdoor-Labor auf dem Dach des E-Gebäudes der Universität befindet, ist ein Schutz vor Blitzeinschlägen und daraus resultierenden Überspannungen zum Schutz der empfindlichen Messsensoren und Hardware zwingend erforderlich.
Wie werden die Daten in LabView verarbeitet?
Die Daten werden über eine konfigurierte Ablaufreihenfolge (Session erstellen, Schreiben/Lesen, Session schließen) erfasst, wobei die Signale in standardisierte Formate konvertiert und mit Zeitstempeln versehen gespeichert werden.
- Quote paper
- Vladislav Heints (Author), 2013, Konzeptionierung und Aufbau einer automatischen Messung zur Erfassung und Verarbeitung von meteorologischen Daten auf Basis von LabView, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/282872
