45 Avtomatske meritve vetra Primož Mlakar * , Marija Zlata Božnar * , Boštjan Grašič * , Franci Gabrovšek ** Povzetek Veter predstavlja pomembno naravno spremenljivko, ki vsakodnevno vpliva na življenja in delo ljudi. Kljub nenadomestljivosti č loveka pri opazovanju in beleženju nekaterih naravnih pojavov so se meritve za potrebe napovedovanja vremena in prouč evanja podnebja relativno hitro avtomatizirale. V prispevku so predstavljene avtomatske meritve vetra z različ nimi senzorji, ki se uporabljajo za različ ne namene kot so na primer tudi določ anje razširjanja onesnaževal v ozrač ju ali spremljanje klime v kraških jamah. Ključ ne besede: veter, pretok zraka, avtomatske meritve, kraške jame Key words: wind, air flow, automatic measurements, karst caves Uvod Veter je naravna spremenljivka, ki nas spremlja skozi celo življenje. Lahko smo ljubitelji vetra, na primer jadralci in si želimo moč nejši veter, lahko sovražimo veter in išč emo zatišje, vsi pa se bojimo moč nega vetra, ki nas lahko poškoduje. Veter nam daje tudi energijo. Veter poganja jadrnice, mline, vodne č rpalke, v zadnjem č asu pa nam daje električ no energijo. Ljudje, ki so bili odvisni od vetra, so zač eli meriti veter, najprej z opazovanjem posledic na okolici. Tako je nastala zelo znana Beaufortova lestvica, ki je dobila ime po angleškem mornariškem oficirju iz zač etka 19. stoletja (Huler, 2007; Wikipedia, 2017b). Lestvica je razdeljena na 13 stopenj od 0. za brezvetrje do 12. za najmoč nejše vetrove. Skala je določ ena tudi opisno, na primer za 3. stopnjo: hitrost od 12 do 19 km/h, manjši valovi, vrhovi se zač no lomiti, višina valov na odprtem morju okoli 0,6 m. Č e želimo razumeti, kako merimo veter, moramo poznati njegove lastnosti. Veter je gibanje zraka, ki pa ni nikoli enakomerno. Zato je merjenje vetra še danes velik izziv. Napravo, ki meri veter, imenujemo vetromer oziroma s tujko anemometer. Lahko merimo samo hitrost vetra, vendar pa obič ajno merimo skupaj smer in hitrost vetra v vodoravni smeri. Za posebne analize pa merimo veter v vseh treh dimenzijah. Mehanski anemometer naj bi že v 15. stoletju iznašel Leon Battista Alberti, vendar za oč eta anemometra z vrteč imi se skodelicami priznavamo J.T.R Robinsona v 19. stoletju (Dines, 2007; Wikipedia, 2017a). Mehanski anemometri so imeli zapletene mehanizme za prikaz hitrosti vetra. Take meritve pa je moral opravljati č lovek. Šele z razvojem elektronike in mikrorač unalnikov v 70. letih prejšnega stoletja pa so se uveljavile avtomatske meritve. Avtomatske se imenujejo, ker je stroj oziroma rač unalnik nadomestil č loveka pri merjenju, obdelavi meritev, prenosu podatkov, shranjevanju in prikazovanju. V stroki obič ajno uporabljamo izraz “avtomatski” ker izraz “samodejen” lahko zavede, ker avtomatska naprava ne dela sama od sebe, ampak po toč no določ enih in vnaprej predvidenih programskih ukazih programerja. * MEIS storitve za okolje, d.o.o., Mali Vrh pri Šmarju 78, SI-1293 Šmarje-Sap, Slovenija ** Inštitut za raziskovanje krasa ZRC SAZU, Titov trg 2, SI-6230 Postojna, Slovenija 46 Senzorji za avtomatske meritve vetra Za avtomatske meritve vetra potrebujemo senzorje, ki glede na veter oddajajo analogne ali digitalne električ ne signale. V preteklosti so se zaradi cenenosti največ uporabljali mehanski z vrteč imi se skodelicami za hitrost vetra in smernim krilom za smer vetra. Vrteč e se skodelice so poganjale majhen enosmerni generator, ki je proizvajal enosmerno napetost. Napetost je bila sorazmerna hitrosti vetra, smerno krilo pa je bilo povezano s krožnim potenciometrom. Potenciometer je spremenljiv upor v odvisnosti od smeri vetra. Č e je bil potenciometer priklopljen na enosmerno napetost, je bila izhodna napetost na potenciometru proporcionalna smeri vetra. Največ ja pomankljivost te metode pa je, da pri določ eni smeri napetost preskoč i med najmanjšo in največ jo napetostjo. Ti senzorji se danes redkeje uporabljajo, ker so predvsem pri šibkejših vetrovih manj natanč ni. Napredek pri mehanskih senzorjih je prinesla optoelektronika. Optoelektronski senzor za hitrost vetra ima na osi vrteč ih se skodelic nazobč ano plošč ico (stroboskop), ki prekinja svetlobo svetleč e diode. Na drugi strani je foto tranzistor, ki sprejema svetlobo diode. Ko se plošč ica vrti, foto tranzistor ojač i spreminjanje svetlobe in tako dobimo na izhodu senzorja električ ne inpulze. število impulzov v določ enem č asu je sorazmerno povpreč ni hitrosti vetra v tem č asu. Slika 1 ˗ Klasič ni optoelektronski senzor za hitrost vetra, izdelan na Institutu Jožef Stefan (IJS) sredi 80. let preteklega stoletja 47 Slika 2 ˗ Posebni optoelektroski senzor z magnetnimi ležaji, izdelan na IJS konec 80. let preteklega stoletja za zanesljivejše meritve šibkih vetrov Pri optoelektronskem senzorju za smer vetra je smerno krilo povezano s plošč ico ali skodelico, ki ima vgravirano Gray-evo kodo (Gray, 1953; Wikipedia, 2017c), ki zagotavlja beleženje smeri vetra brez nezaželenih preskokov. Pod in nad plošč ico so pari fotodiod in foto tranzistorjev, ki se odzivajo na spremembe smeri. Več kot je parov, bolj natanč en je senzor. Obič ajno imajo senzorji šest parov, kar pomeni šestbitni senzor. Šestbitni senzor omogoč a meritve z loč ljivostjo pet kotnih stopinj. Slika 3 ˗ Primer tribitne Gray-eve kode (Gray, 1953; Wikipedia, 2017c) 48 Slika 4 ˗ Klasič ni optoelektronski senzor za smer vetra razvit na Institutu Jožef Stefan (IJS) 49 Slika 5 ˗ Razstavljen senzor za smer vetra, kjer se lepo vidi č rna skodelica s šestbitno Gray-evo kodo Za natanč nejše meritve vetra in za meritve turbulentnosti vetra uporabljamo ultrazvoč ne (UZ) senzorje, ki merijo hitrost zvoka med oddajnikom in sprejemnikom zvoka nad frekvencami, ki jih slišimo. Č e piha veter proti sprejemniku, se hitrost zvoka poveč a, pri obratni smeri pa se zmanjša. Z dvema paroma oddajnik–sprejemnik merimo veter v dveh dimenzijah (2D UZ anemometri), s tremi pari pa v treh dimenzijah (3D anemometri). Ultrazvoč ne senzorje za veter imenujemo UZ anemometri oziroma UZ merilniki vetra, ker so to mikroprocesorsko vodeni merilniki. Izhod UZ anemometra je obič ajno serijski rač unalniški prenos preko protokola RS-485. Opcijsko imajo obič ajno tudi analogne izhode za priklop na starejše merilne postaje. Slika 6 ˗ 2D UZ anemometer v Brežicah Smeri in hitrosti vetra lahko merimo tudi na daljavo, brez fizič nega stika. Eden od takih merilnikov je SODAR (ang. SOnic Detection And Ranging) (Beyrich, 1997; Wikipedia, 2017d). Merilnik deluje tako, da odda zvoč ni signal v izbrano smer atmosfere, potem pa posluša povratne odboje. Odboji nastanejo zato, ker zvok ne prodira zgolj naprej, temveč se tudi odbija nazaj od zrač nih mas. Č e se zrač na masa v smeri razširjanja zvoka premika, potem pride do doplerjeve spremembe frekvence zvoka. Na sprejemni enoti se to doplerjevo spremembo frekvence izmeri in iz tega neposredno izrač una hitrost zrač ne mase v smeri razširjanja zvoka. Iz č asa prispetja odboja pa lahko izrač unamo oddaljenost posamezne zrač ne plasti, ki je odboj povzroč ila. Č e tako meritev z zvokom izvedemo v treh delno odklonjenih smereh (naprimer odklonjenih od vertikale) tako dobimo za vsako plast hitrost vetra v treh različ nih smereh, iz č esar potem izrač unamo vektor vetra v horizontalni smeri na izbrani oddaljenosti od senzorja in posebej vertikalno hitrost. Ta nač in podajanja je ustaljena praksa pri merilnikih SODAR, lahko pa bi seveda podali zgolj 3D vektor za posamezno plast. Na podoben nač in delujejo tudi laserski merilniki hitrosti vetra, ki pa imajo to dobro lastnost, da ne motijo okolice s piskanjem v slišnem spektru kot to dela SODAR. 50 Slika 7 ˗ V Sloveniji je MEIS d.o.o. v bližini marsikaterega več jega industrijskega objekta ocenjeval vpliv izpustov onesnaževal v zrak s pomoč jo avtomatskih meritev navpič nih profilov vetrov s SODAR-jem Zakaj avtomatske meritve? Klasič ne glavne meteorološke opazovalnice so imele tro izmensko posadko opazovalcev oziroma meteorologov, da so zabeležili meteorolške pojave. Č lovek je še sedaj nenadomestljiv pri opazovanju nekaterih vremenskih pojavov, ki jih ne moremo dovolj dobro meriti z najmodernejšimi senzorji. V nasprotju s potrebami napovedovanja vremena in prouč evanja podnebja so se meritve za določ evanje razširjanja (disperzije) onesnaževal v ozrač ju hitreje avtomatizirale. Za določ evanje razširjanja onesnaževal so najpomembnejše meritve vetra in stabilnosti ozrač ja. (Stabilnost ozrač ja se lahko določ i s pomoč jo meritev navpič nega temperaturnega profila in/ali globalnega sonč nega obseva.) Že v 70. letih prejšnega stoletja so na Institutu Jožef Stefan naredili prvo avtomatsko meteorološko postajo, ki je merila veter, temperaturo in relativno vlažnost zraka na štirih nivojih 70-metrskega stolpa in podatke prenašala v kontrolno sobo Nuklearne elektrarne Krško (NEK). Narejena je bila z analognimi in digitalnimi moduli brez mikroprocesorja. Leta 1985 smo prvo postajo zamenjali s takrat moderno zasnovano avtomatsko merilno postajo (AMP) na osembitnem mikroprocesorju Intel 8080. Intel 8080 je bil “pra-pra dedek” današnjih Intelovih 64-bitnih procesorjev I, ki so srce današnjih osebnih rač unalnikov. AMP je bila narejena na IJS, kar pomeni, da smo jo dobesedno naredili iz osnovnih elementov: tiskanih vezij, tranzistorjev, kondenzatorjev, uporov in drugih elektronskih elementov. Tudi tiskana vezja smo sami izdelali. AMP je bila povezana s “koncentratorjem” v komandni sobi, ki je prejemal meteorološke podatke, procesne parametre in podatke o izpustih iz NEK in sproti 51 ocenjeval disperzijske sposobnosti ozrač ja ter rač unal vpliv NEK na okolje. Seveda je imel glavno vlogo pri tem veter. Od tedaj je minilo že več kot trideset let. V tem č asu smo zamenjali veliko avtomatskih postaj, senzorjev, rač unalnikov in programov, tako da izpuste iz NEK vedno nadzoruje najsodobnejša oprema. V NEK SODAR avtomatsko meri hitrost vetra v plasteh nad kotlino že od konca devetdesetih let. Meritev je izjemnega pomena za pravilno diagnostič no določ anje potencialne poti širjenja onesnaženja v ozrač ju. Slika 8 ˗ Avtomatske meritve vetra 40 in 70 metrov nad tlemi. Pogled z vznožja stolpa proti vrhu. Lepo so vidne zašč ite proti streli. Posebno poglavje so meritve vetra za potrebe prometa. Jadrnice so sedaj namenjene predvsem zabavi, zato nas v ladijskem, letalskem in cestnem prometu zanima predvsem (pre)moč an veter. Avtomatske meritve vetra so se hitro “prijele”. Nevarni odseki cest so opremljeni z anemometri, ki avtomatsko prožijo opozorila v primeru premoč nih vetrov. Letala v zraku avtomatsko prejemajo podatke z letališč a, na katerem nameravajo pristati. Avtomatske meritve vetra za nadzor klime v kraških jamah Pred davnimi č asi so jame dajale zavetje ljudem, danes pa so turistič na zanimivost. Našo Postojnsko jamo vsako leto obišč e več sto tisoč ljudi. Po svetu jamski turizem strmo narašč a predvsem na Kitajskem. Vse te množice ljudi vplivajo na klimo v jamah. V okviru aplikativnega raziskovalnega projekta ARRS “L6-2156 Meritve in analiza izbranih klimatskih parametrov v kraških jamah: Primer sistema Postojnskih jam” smo pred sedmimi leti zač eli z avtomatskimi meritvami. Najbolj zanimivi spremenljivki sta “veter” in vsebnost ogljikovega dioksida. V jamah težko reč emo, da piha veter. Gibanje zraka lahko poimenujemo tudi prepih ali prezrač evanje. Za turizem je zelo pomembno, kako hitro se zrak v jami zamenja. 52 Slika 9 ˗ Avtomatske meritve “vetra” z 2D UZ anemometrom ob želežniški progi v Postojnski jami. Zaključ ki 53 V okviru tega prispevka so predstavljene avtomatske meritve vetra oz. pretoka zraka v okolju. Avtomatske meritve vetra se izvajajo z različ nimi senzorji, ki temeljijo na različ nih principih. Izbira senzorja za avtomatske meritve je odvisna od namena uporabe meritev ter okolja v katerem meritve potekajo. Meritve se uporabljajo za različ ne namene kot so na primer napovedovanje vremena, prouč evanje podnebja, določ anje razširjanja onesnaževal v ozrač ju ali spremljanje klime v kraških jamah. Zahvala Projekte (Ocena vpliva naravnih in antropogenih procesov na mikrometeorologijo Postojnske jame z uporabo numerič nih modelov ter sodobnih metod zajemanja in prenosa okoljskih podatkov, L2-6762, Krasoslovne raziskave za trajnostno rabo Škocjanskih jam kot svetovne dedišč ine, L7-8268 in Metoda za lokalno napovedovanje radiološkega onesnaženja atmosfere z uporabo modelov na podlagi Gaussovih procesov, L2-8174) je sofinancirala Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije iz državnega prorač una. Literatura Beyrich, F. (1997). Mixing height estimation from sodar data—a critical discussion. Atmospheric Environment, 31(23), 3941–3953. Dines, W. H. (2007). Anemometer comparisons. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 18(83), 165–185. https://doi.org/10.1002/qj.4970188303 Gray, F. (1953). Pulse code communication. Google Patents. https://www.google.com/patents/US2632058 (27.11.2017) Huler, S. (2007). Defining the wind: The Beaufort Scale and how a 19th-century admiral turned science into poetry. Crown. New York, 304 p. Wikipedia (2017a). Anemometer --- Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Anemometer&oldid=811483547 (27.11.2017) Wikipedia (2017b). Beaufort scale --- Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Beaufort_scale&oldid=812185205 (27.11.2017) Wikipedia (2017c). Gray code --- Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Gray_code&oldid=810115711 (27.11.2017) Wikipedia (2017d). SODAR --- Wikipedia, The Free Encyclopedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=SODAR&oldid=802787046 (27.11.2017)