Popis

Občas se účastním meteokroužku na OK0G, někdy na OK0EB. V roce 2023 jsem instaloval přesné snímače vnější teploty, relativní vlhkosti (ten se nepovedl) a barometrického tlaku.  Snímač tlaku a relativní vlhkosti jsem "ocejchoval" poblíž meteostanice ČHMÚ v Českých Budějovicích, která je v nižší nadmořské výšce (394.6 m n. m.). Snímač teploty jsem ocejchoval v několika bodech pomocí přesného teploměru a korekci provádím pomocí korekční tabulky. Všechny snímače jsem vybavil bezdrátovým přenosem dat po LAN síti. Nadmořskou výšku stanice (401 m n. m.) jsem stanovil z geografických souřadnic získaných z GPS a z dat o výšce z topografické mapy.
Meteostanice umí měřit pouze teplotu vzduchu na stanici (°C), absolutní velikost tlaku na stanici (hPa) a relativní vlhkost vzduchu na stanici (%).
Přepočtem je stanoven atmosférický tlak na hladině moře (hPa a mm Hg) a teplota rosného bodu (°C). Přepočet tlaku je prováděn podle ICAO nebo Babinetovy barometrické rovnice.
Stanice v této verzi software nezaznamenává čas měření a nikam neukládá naměřená data (zatím).
Zobrazení dat na PC vypadá takto (příklady zobrazení, pokud se mi přestanou líbit, tak je překreslím). Pod sebou jsou obrazovky dvou rozdílných programů, jeden přepočítává tlak podle Babinetovy rovnice, druhý podle rovnice ICAO. Rozdíly v hodnotách tlaku přepočtených na hladinu moře jsou rozdílné o cca 0.5 hPa (do 1 mm Hg).

Program je jednoduchý a lze ho spustit i v režimu bez senzorů. V takovém případě musíte zadat data manuálně. Program si můžete stáhnout zde, přepočty si můžete vyzkoušet na svém PC. Program běží pod Windows 10, nikam nic neukládá, neinstaluje žádný sajrajtware. Po stažení je třeba odzipovat soubory, nakopírovat do prázdného adresáře a spustit soubor exe. Pokud dáváte přednost přepočtu podle barometrické rovnice ICAO, stáhněte si tento program. Pokud se mi design programu nelíbí, tak ho jednoduše překreslím. Například analogové stupnice měřidel se mi líbily jen pár dní. Na meteo kroužku spouštím vizuálně jednoduchou verzi "light" (na obrázku vpravo), která ukazuje jen hodnoty tří čidel (červená pozadí, nahoře), dvě vypočtené hodnoty (modrá pozadí). Naměřené hodnoty lze ručně přepsat z ovládacích prvků (dole, žlutá pozadí).

Vzorce použité pro přepočet

1. Babinetova barometrická rovnice

a  =  h + 16000 + 64 x T
b  =  h - 16000 - 64 x T
p₀ = - p x (a / b)

a, b  ...  pomocné proměnné
p₀ ...     tlak přepočtený na hladinu moře v hPa
p  ...      absolutní tlak na stanici v hPa
h ...       nadmořská výška stanice v m
T ...       teplota vzduchu na stanici ve °C

2. Barometrická rovnice ICAO (alternativní metoda přepočtu k předchozímu algoritmu)

a  =  273.15 + T
b  =  0.0065 x h
c  =  ((a-b) / a) ^ 5.255
p₀ = p x 1/c

a, b, c   ...  pomocné proměnné
p₀      ...     tlak přepočtený na hladinu moře v hPa
p      ...       absolutní tlak na stanici v hPa
h      ...       nadmořská výška stanice v m
T      ...       teplota vzduchu na stanici ve °C

Poznámka: Netuším, který z algoritmů barometrické rovnice je přesnější.

3. Výpočet teploty rosného bodu z relativní vlhkosti

a = 17.27
b = 237.7
H1 = Hu / 100
c = ln (H1) + (a x T) / (b + T)
T_ros = (b x c) / (a - c)

a, b ... empiricky stanovené konstanty
Hu  ...  relativní vlhkost v %
H1 ...  relativní vlhkost přepočtená do intervalu (0, 1)
T ...     teplota vzduchu na stanici (v místě měření relativní vlhkosti)
c  ...    pomocná proměnná
T_ros  ...    teplota rosného bodu ve °C

4. Přepočet barometrického tlaku v hPa na mm Hg (Torr)

p_mmHg = p₀ / 1.3332236842

 p₀ ... tlak přepočtený na hladinu moře v hPa
 p_mmHg  ... tlak přepočtený na hladinu moře, vyjádřený výškou rtuťového sloupce v mm (mm Hg) na Torricelliho barometru.

Poznámky k HW

Předpokládal jsem, že si pravděpodobně nikdo nebude konstruovat svou meteostanici a pokud ano, že má své řešení a svůj nápad. Přesto mi přišly mailem dva dotazy, které se týkaly použitých snímačů a komunikace. Takže:
1. Nemám žádný snímač směru větru, rychlosti větru a množství srážek. Na balkóně měření síly větru nedává smysl, na zahradě mezi stromy rovněž ne a na střeše nejsem schopen dělat kontrolu a údržbu čidla.
2. Jako snímače tlaku mám zapojeno čidlo ATM11 od firmy Fiedler, testuji Infineon DPS 310 a objednal jsem k testům čínské čidlo z Aliexpresu, v provedení s displejem (https://www.aliexpress.com/item/4001131435483.html). Větší aušus, jako je tento výrobek, jsem snad nikdy neviděl. Měřidlo je nepřesné, dílensky lajdácky provedené, desky PCB jsou ke krabičce přismrknuté tavnou pistolí. Dvou řádkový displej zobrazuje P: a hodnotu teploty ve °C a na druhém řádku T: a hodnota tlaku v kPa. Výrobce neměl ani čas zkontrolovat výrobek po programátorovi.
3. U čidla  nepoužívám přepočtenou hodnotu barometrického tlaku, protože nadmořská výška se zadává výrobcem při výrobě čidla. Já používám své přepočty provedené v PC. U firmy Fiedler lze pořídit hotová profesionální řešení meteostanic. Moje meteostanice je jen rychlá improvizace, hi.
4. Kamarád potřeboval identifikovat jakási čidla tlaku bez identifikačních údajů, která pocházela z vrakovišť. Dle tvaru jsme usoudili, že jde o typ nebo ekvivalent MPX4100A. Překvapila mě jejich přesnost po mnoha letech. Po jednoduché kalibraci na hodnotu místního absolutního tlaku byla zobrazena na ukazatelích meteostanice odpovídající hodnota tlaku. Žádné z čidel nebylo mimo tolerance uvedené v datasheetu. V Profilabu však byla snadno proveditelná kalibrace na vysokých tlacích, kde moje čidlo vykazovalo hodnotu o 1 hPa nižší. Uvažoval jsem, že bych si pořídil tato čidla nová. Nejsou však k sehnání jako levná čidla.
5. Čidla Modbus RTU s rozhraním RS-485 mám připojené do konvertoru RS-485 / USB, který jsem pořídil na Hadex (https://www.hadex.cz/d343c-redukce-usb--rs485rs232/?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=17937749015&gad_source=1&gclid=CjwKCAiAgeeqBhBAEiwAoDDhn4PGSChxgJUeAtpLEEEkQ-idpYsFCV17RADwq8x-JX4w922MO12qgRoCrvkQAvD_BwE)
6. Čidla Infineon (nebo Bosch) mají rozhraní I2C a jsou připojeny k čipu PICAXE. SW pro PICAXE používám svůj vlastní.
7. USB rozhraní čidel mám připojená do HUBu u krabičky Silex DS-520, která umožňuje sdílení portů USB po LAN síti. Na PC, která potřebují používat snímače, je instalován SW SX Virtual link. Datasheet krabičky Silex je ke stažení zde.
8. Uvedené verze programů pro PC jsem napsal v Profilabu. 
9. V Profilabu je celkem jednoduchá realizace ukládání naměřených dat a zobrazení barografu. Zatím jsem tuto část programu nenapsal. Profilab umožňuje sdílet displeje a ciferníky přístrojů na webu. Je k tomu třeba SW a samostatná licence Profilab server (mám a vyzkoušel jsem).
10. Za hlavní výhodu popsaného řešení považuji, že je rychlé, snadno modifikovatelné pro různá čidla a pokud mám HW komponenty pohromadě, SW si napíšu za jedno odpoledne.

Pokud porovnávám měření absolutního tlaku se stařičkou meteostanicí Sencor, tak jsem překvapen přesností a dlouhodobou stabilitou čidla v meteostanici. Už jsem chtěl ten můj kus vyhodit, ale i po 10 letech se hodnota absolutního tlaku liší obvykle o 1 hPa na stanici. Víc mi vadí, že meteostanice neukazuje, byť nepřesně, desetiny hPa, které by se hodily pro zjišťování trendů. Nedávno jsem pořídil kapesní výškoměr s kompasem a několika nepotřebnými funkcemi. Potřebná funkce, tj. možnost udělat korekci tlaku, tam chybí. Tahle hračka za tři stovky měří s chybou kolem 5 hPa, resp. při různých hodnotách ukazuje displej o 5.1 hPa až 5.6 hPa víc. Ale po kalibraci s papírovou tabulkou poblíž stanice ČHMÚ je to použitelné s utrpením poplatným u produktů dnešní doby.