Seit 2011 betreiben wir in Schenkenzell eine Wetterstation. Unsere Wetterstation wird privat und als Hobby betrieben, jedoch legen wir sehr großen Wert auf zuverlässige und genaue Messdaten und setzen deshalb professionelle Sensoren, Datenlogger und Systemkomponenten ein. Die Geräte stammen von verschiedenen renommierten Herstellern und erfüllen sämtliche Anforderungen der WMO-Richtlinien (WMO engl. = World Meteorological Organisation) und kommen beispielsweise auch beim Deutschen Wetterdienst und bei MeteoGroup zum Einsatz. Neben professioneller Technik spielt der richtige Aufstellort der Geräte eine entscheidende Rolle. Dabei orientieren wir uns am Leitfaden des DWD und der WMO.

Folgende Parameter werden von der Wetterstation automatisch erfasst:

• Lufttemperatur in 2 m
• Luftfeuchte
• Luftdruck
• Niederschlagsmenge
• Niederschlagsintensität
• Niederschlagsart
• Niederschlagsdauer
• Sichtweite im Niederschlag
• Windgeschwindigkeit
• Windrichtung
• Globalstrahlung
• Sonnenscheindauer
• Erdbodentemperatur in 5 cm
• (Schneehöhe)

Einige meteorologische Parameter wie z.B. der reduzierte Luftdruck, Taupunkt, Windchill oder die Schneefallgrenze werden berechnet. Zusätzlich werden manuelle Kontrollmessungen durchgeführt (Niederschlagsmessung mit Niederschlagsmesser nach Hellmann und Luftdruckmessung mit Stationsbarometer).

• 2009

  Beginn der Wetteraufzeichnung in Schenkenzell mittels einer einfachen Wetterstation

• 2011

  Anschaffung einer neuen Wetterstation mit USB-Schnittstelle, um die Messdaten am Computer auszuwerten

• 2014

  Die Wetterstation wird durch eine professionelle Wetterstation der Firma Thies Clima aus Göttingen ersetzt

• Sommer 2014

  Kontinuierliche Erweiterung der Thies Wetterstation um weitere Sensorik wie z.B. einem Luftdrucksensor der Firma Vaisala

• Winter 2014

  Um weitere Sensoren an den Thies Datenlogger anzuschließen, kommt ein Messmodul von Gantner Instruments zum Einsatz

• Frühjahr 2015

  Das Messfeld in Schenkenzell wird um eine Kompaktwetterstation der Firma Lufft aus Fellbach erweitert

• Sommer 2015

  Ausbau der Wetterstation mit dem Niederschlagssensor Pluvio² S, laser-optischen Distrometer Parsivel und Datenlogger netDL500 von OTT Hydromet

• Sommer 2016

  Der Platz im bisherigen Schaltschrank reicht nicht mehr aus und es wird ein großes Multifunktionsgehäuse von Langmatz auf dem Messfeld installiert

• 2017

  Die seit 2014 verwendete Lösung zur Datenübertragung ins Internet (JaWe-Log RTU) wird durch einen Raspberry Pi mit eigener Software ersetzt

• 2018

  Unsere Internetpräsenz wird überarbeitet und erhält neue Funktionen wie z.B. ein Diagramm für die Windrichtungsverteilung und eine Pollenflugvorhersage

• Frühjahr 2019

  Ein Datenlogger von Gantner Instruments kommt zum Einsatz, um verschiedene Sensoren auf dem Messfeld zu testen

• Sommer 2019

  Betrieb eines 3D Ultraschallanemometers für Vergleichszwecke

• März 2020

  Umbau des Messfelds (neue Befestigungsmasten für die Sensoren) und des Schaltschranks

• Mai 2020

  Der Thies Datenlogger DLx wird durch den Thies Datenlogger DL16 mit Ethernet-Schnittstelle ersetzt

• Oktober 2020

  Zusätzliche Windmessung mit einem 2D Ultrasonic Ultraschallanemometer von Thies Clima

• November 2020

  Erweiterung des Messfelds um einen Laser-Niederschlags-Monitor von Thies Clima

• Mai 2022

  Betrieb einer Niederschlagsmessstation in Schenkenzell-Kaltbrunn

 

 

Wir setzen an unserer Wetterstation zwei verschiedene Messsysteme von Thies Clima und OTT Hydromet ein, die alle wichtigen meteorologischen Parameter erfassen. Zusätzlich erfasst das System von OTT Hydromet weitere Niederschlagsdaten wie z.B. Niederschlagsart und Sichtweite. Auf dem Messfeld sind die Messwertgeber (Sensoren) angebracht, die die meteorologischen Messgrößen erfassen und in einem Schaltschrank auf dem Messfeld befinden sich die Datenlogger und weitere Systemtechnik. Die Sensoren sind an einem Datenlogger angeschlossen, der die Sensorsignale auswertet und je nach Anforderung zu Momentanwerten, Mittelwerten, Extremwerten und oder Summen weiterverarbeitet und speichert. Anschließend werden die aufbereiteten Wetterdaten ins Internet übertragen und der interessierten Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.

 

Thies Clima Datalogger DL16

Der moderne Datenlogger DL16 der Firma Thies Clima aus Göttingen übernimmt die Erfassung und Speicherung der meteorologischen Parameter und ist das "Gehirn" der Wetterstation. Im Sekundentakt werden die Sensorsignale abgefragt und zu Momentanwerten aufbereitet. Aus den Momentanwerten werden Mittelwerte, Extremwerte und Summen über einen Zeitraum von 10 Minuten berechnet. Diese Daten werden dann am Display angezeigt und in einem 8 MByte großen internen Speicher abgelegt, welcher als Ringspeicher ausgelegt ist. Über verschiedene Schnittstellen lassen sich die Messdaten abfragen oder auf einer SD-Karte speichern. Bei Stromausfall wird der Datenlogger über eine integrierte USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) versorgt, sodass ein weiterer Messbetrieb gewährleistet ist. Das Gerät verfügt über 16 Eingangskanäle, die sich in ihrer Funktion frei konfigurieren lassen. So kann an jeden der 16 Eingangskanäle ein analoger oder digitaler Sensor angeschlossen werden. Insgesamt 7 Schnittstellen (mit USB, Ethernet, RS232 und RS485) ermöglichen die Kommunikation mit seriellen Sensoren, die Konfiguration des Datenloggers und die Datenabfrage von Archivwerten. Zur Versorgung von Sensorheizungen (z.B. für Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensor) stehen 6 Klemmen zur Verfügung. Im Datenlogger ist ein Luftdrucksensor integriert, sodass im Normalfall kein externes Barometer benötigt wird.

 

Thies Clima Datalogger DLx

Bis Mai 2020 nutzten wir an unserer Wetterstation den Thies Clima DLx Datenlogger. Das Gerät eignet sich zur Erfassung und Verarbeitung meteorologischer Messdaten und verfügt über 10 Eingangskanäle für analoge und digitale Sensoren. Zusätzlich stehen 3 serielle Schnittstellen (USB, RS232 und RS485) zur Verfügung, die dem Anschluss weiterer Sensorik und der Datenausgabe dienen. Mithilfe des LCD-Displays und den Tastern können Messwerte angezeigt und die Konfiguration des Datenloggers verändert werden. Gespeichert werden die Messwerte auf einem internen Laufwerk, das als Ringspeicher ausgeführt ist und eine Speicherkapazität von 2 MByte hat. Somit können bei einem Speicherintervall von 10 Minuten über ein Jahr lang Messwerte aufgezeichnet werden. Aufgrund der sehr geringen Stromaufnahme von nur 1 mA, kann der Datenlogger netzunabhängig mit einem Solarpanel betrieben werden.

 

Gantner Instruments Q.bloxx A107 Messmodul

Mithilfe des Messmoduls Q.bloxx A107 von Gantner Instruments können vier analoge Sensorsignale erfasst und ggf. skaliert werden. Die vier Eingänge lassen sich in ihrer Funktion frei konfigurieren. So kann beispielsweise ein Sensor mit Spanungs-, Widerstands oder Stromausgang oder ein Thermoelement angeschlossen werden. Neben der elektrischen Funktion des Kanals lässt sich eine Sensorkennlinie einstellen, um das Eingangssignal in eine andere Einheit zu skalieren. Zusätzliche digitale Filter unterdrücken bzw. schwächen unerwünschte Signale ab. Die Konfiguration der Kanäle erfolgt über die Software ICP100 von Gantner. Über die RS485-Schnittstelle des Moduls und dem Modbus-Telegramm werden die Kanalmesswerte ausgelesen. Das Modul ist an unserem Datenlogger DL16 angeschlossen und dient der Kanalerweiterung.

 

Lufttemperatur und relative Luftfeuchte

Temperatur und relative Luftfeuchte sind wichtige meteorologische Messgrößen. Um präzise Messdaten zu erhalten, muss einerseits genaue Messtechnik eingesetzt werden und andererseits ein geeigneter Standort für die Sensoren ausgewählt werden. Die Temperatur wird in 2 m Höhe mit einem Glaskörper-PT100 gemessen, der über ein schnelles Ansprechverhalten und eine hohe Genauigkeit von 0.1 °C verfügt. Die relative Luftfeuchte wird mit einem Dünnfilm-Polymersensor erfasst, der ein Spannungssignal von 0-1 Volt ausgibt, was 0-100 % rel. Luftfeuchte entspricht. Damit die Sensoren vor Witterungseinflüssen wie Niederschlag und Sonneneinstrahlung geschützt sind, sind sie in einer Strahlungsschutzhütte bzw. Lamellenhütte untergebracht.

 

Luftdruck

Zusätzlich zum Luftdrucksensor, der im Datenlogger DL16 verbaut ist, setzen wir ein externes Barometer der finnischen Firma Vaisala ein (Modell PTB110). Der Sensor misst den Luftdruck mithilfe von Größenveränderungen in einer Siliziummembran. Der Messbereich erstreckt sich von 600 bis 1100 hPa. Wie an amtlichen Wetterstationen berechnen wir aus dem Luftdruck auf Sensorhöhe und der aktuellen Temperatur den Luftdruck auf Meereshöhe. Dazu verwenden wir die international anerkannte barometrische Höhenformel. Die Differenz zwischen reduziertem Luftdruck und Luftdruck auf Stationshöhe beträgt ca. 42 hPa.

 

Windgeschwindigkeit

Zur Erfassung der Windgeschwindigkeit kommt ein First Class Windgeber von Thies zum Einsatz. Schon bei geringen Windgeschwindigkeiten setzt sich der Schalenstern in Bewegung und der Sensor erfasst eine Windgeschwindigkeit. Die Windgeschwindigkeit wird als Frequenz ausgegeben, die der Drehzahl des Schalensterns entspricht und in eine Windgeschwindigkeit umgerechnet werden kann. Im Sensorinneren befindet sich ein berührungsfreier, optoelektronischer Drehzahlgeber. Thies First Class Windgeber zeichnen sich durch einen geringen Anlaufwert und eine hohe Messgenauigkeit aus und werden deshalb auch bei Standortgutachten für Windkraftanlagen eingesetzt. Der Schalenstern besteht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und ist zusätzlich verstärkt, um sehr hohen Windgeschwindigkeiten zu trotzen. Im Winter wird das Gerät beheizt, um eine Vereisung der mechanischen Komponenten zu verhindern. Sekündlich fragt der Datenlogger den Windgeber ab und bestimmt die aktuelle Windgeschwindigkeit, Mittelwind und Windböe.

 

Windrichtung

Der Thies First Class Windgeber wird durch einen First Class Windrichtungsgeber ergänzt. Das Messprinzip basiert darauf, dass sich die Windfahne, aufgrund des dynamischen Drucks des Windes, parallel zur Windrichtung ausrichtet. Im Geräteinnern befindet sich ein TMR-Sensor, der die Ausrichtung der Windfahne mit einer Auflösung von 0.25 ° erfasst. Der Windrichtungsmesswert wird als digitales Signal (Thies Seriell Synchron) am Ausgang bereitgestellt und sekündlich vom Datenlogger abgetastet. Um eine Vereisung im Winter zu verhindern, werden alle mechanischen Komponenten bei niedrigen Temperaturen beheizt.

 

Windgeschwindigkeit und Windrichtung kombiniert

Neben den First Class Sensoren für Windgeschwindigkeit und Windrichtung nutzen wir einen kombinierten Windsensor, der beide Sensoren in sich vereint (Thies kombinierter Windgeber). Das Gerät funktioniert nach denselben Prinzipien wie die einzelnen Sensoren und verfügt über eine Heizung, um das Vereisen bei niedrigen Temperaturen zu verhindern. Im Gegensatz zum First Class Windgeber ist der Schalenstern nicht aus leichtem kohlefaserverstärktem Kunststoff, sondern aus etwas schwererem Aluminium, gefertigt.

 

Niederschlagsmenge und Intensität

Für die Landwirtschaft und Wasserwirtschaft stellt die Niederschlagssumme eine wichtige Messgröße dar. Es gibt verschiedene Messprinzipien, um Niederschlag zu messen. An unserer Wetterstation kommt der Niederschlagssensor Pluvio DWD von OTT Hydromet aus Kempten zum Einsatz. Das Gerät zeichnet sich durch seine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit aus und kommt in verschiedenen Messnetzen zum Einsatz. Beispielsweise nutzen die Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg (LUBW) und der Deutsche Wetterdienst (DWD) den Pluvio in ihren Messnetzen. Der Niederschlagssensor funktioniert nach einem Wägeprinzip: Der Niederschlag fällt durch eine genormte Öffnungsfläche von 200 cm² in einen Auffangbehälter. Unterhalb des Auffangbehälters befindet sich eine hochgenaue Wägezelle, die das auf ihr lastende Gewicht bzw. das Gewicht des Auffangbehälters misst. Aus dem Gewicht berechnet die Elektronik des Pluvios die Niederschlagsmenge und Intensität und stellt die Messwerte dem Datenlogger über RS232 zur Verfügung. Bei niedrigen Temperaturen verhindert die Ringheizung, dass sich am Auffangring eine Schneehaube oder Eis bildet. Das komplette System erlaubt eine Auflösung von 0.01 mm, womit sich feinste Niederschläge wie z.B. bei Nieselregen erfassen lassen.

 

Globalstrahlung

Die Globalstrahlung bzw. Sonneneinstrahlung wird an der Wetterstation Schenkenzell mit einem Pyranometer gemessen. Ein Pyranometer besteht aus einem metallischen Gerätekörper mit einem Glasdom an der Geräteoberseite. Hinter dem Glasdom befindet sich ein thermosensitives Element, die sogenannte Thermosäule, die mit einer speziellen schwarzen Beschichtung versehen ist. Trifft Sonnenstrahlung auf die Thermosäule, wird die Sonnenstrahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Wärme wird durch einen Thermowiderstand an den metallischen Gerätekörper abgegeben und es entsteht eine Temperaturdifferenz auf dem Thermowiderstand. Am Thermowiderstand entsteht aufgrund der Temperaturdifferenz eine geringe Spannung im mV-Bereich, die linear zur Sonneneinstrahlung ist. Bedingt durch das Messprinzip tritt nachts eine negative Ausgangsspannung auf, die eine negative Globalstrahlung ergibt. Das Phänomen entsteht dadurch, dass die Temperatur im inneren Dom geringer ist als an den Kaltstellen des Thermoelements. Der Fehler wird als Null-Offset Typ A bezeichnet. Neben dem gezeigten Pyranometer mit einfachem Glasdom setzen wir ein Gerät mit doppeltem Glasdom ein, das über eine bessere thermale Isolation und schneller Ansprechzeit verfügt.

 

Erdbodentemperatur 5 cm über unbewachsenem Boden

Im Erdbodenmessfeld der Wetterstation ist in 5 cm Höhe über unbewachsenem Boden ein im Edelstahlröhrchen gekapselter PT100-Temperatursensor von Thies Clima angebracht. Aufgrund der Kapselung regiert der Sensor langsamer als ein Glaskörper-PT100, wie er zur Lufttemperaturmessung zum Einsatz kommt. Im Winter findet die Messung 5 cm über der Schneedecke statt und der Sensor muss entsprechend nachjustiert werden. In klaren Nächten lässt sich beobachten, dass die Temperatur 5 cm über dem Erdboden deutlich niedriger als die Lufttemperatur in 2 m Höhe ist. Primär dient der Sensor dazu, Bodenfrost und Glatteisbildung zu erkennen (Temperatur < 0 °C).

 

Erdbodentemperaturen in verschiedenen Tiefen

In verschiedenen Tiefen erfasst die Wetterstation Schenkenzell die Temperatur des Erdbodens. Dazu sind im Erdbodenmessfeld in 5 cm, 10 cm, 20 cm und 50 cm Tiefe gekapselte PT100-Temperatursensoren vergraben. Mithilfe dieser Messwerte lässt sich in den Wintermonaten die Frosttiefe bestimmen.

 

 

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OTT Hydromet netDL500 Datenlogger

Ferner befindet sich auf unserem Messfeld in Schenkenzell eine Messstation mit einem Datenerfassungssystem und Sensoren vom deutschen Hersteller OTT Hydromet. Das Herzstück dieser Anlage ist der OTT netDL500 Datenlogger, an dem eine Kompaktwetterstation der Firma Lufft und Sensoren zur Erfassung des Niederschlags (Pluvio² S und Parsivel) angeschlossen sind. In einem Messintervall von 1 Sekunde bzw. 1 Minute werden die angeschlossenen Sensoren vom Datenlogger zyklisch abgefragt. Aus den Momentanwerten berechnet der Datenlogger Mittelwerte, Summen und Extremwerte und speichert diese in seinem Ringspeicher ab. In einem Intervall von 10 Minuten werden die Messwerte ins Internet übertragen und auf unserer Internetpräsenz dargestellt. Standardmäßig verfügt der Datenlogger über Impulseingänge, Statuseingänge und serielle Schnittstellen (SDI-12, RS485 und RS232) für die Kommunikation mit Sensoren. Über verschiedene Eingangskarten können die Kanäle um analoge und digitale Eingänge erweitert werden. Alle Funktionen des Datenloggers lassen sich über eine Konfigurationssoftware festlegen. Dazu gehört z.B. die elektrische Funktion des Kanals, Linearisierung bzw. Skalierung des Eingangssignals und wie die Momentanwerte verarbeitet werden sollen. Über das grafische LCD-Display und den Jog-Shuttle lassen sich Messwerte anschauen und Einstellungen verändern. Messwerte können über verschiedene Schnittstellen abgefragt werden oder direkt auf einem USB-Stick gespeichert werden.

Weitere Informationen finden Sie auf dem OTT Hydromet Blog: Professioneller Regenmesser für Nachwuchstalent

 

Kompaktwetterstation WS500

Seit Anfang 2015 gehört zu unserer Wetterstation auch eine WS500 Kompaktwetterstation der Firma Lufft aus Fellbach. Der intelligente Wettersensor erfasst Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Windgeschwindigkeit und die Windrichtung. Darüber hinaus lässt sich ein weiterer externer Sensor an die WS500 anschließen. Die Kompaktwetterstation bildet aus den Eingangsdaten ihrer Fühler nach ggf. erforderlicher Skalierung Momentanwerte, Mittelwerte, Extremwerte und oder Summen. Die aufbereiteten Wetterdaten werden über eine serielle Schnittstelle (SDI-12) vom Datenlogger netDL500 abgefragt. Das Besondere an der WS500 ist, dass die Windgeschwindigkeit und Windrichtung ohne mechanische Teile mit Ultraschall gemessen wird. Der Vorteil liegt darin, dass keine mechanische Beanspruchung stattfindet und z.B. keine Kugellager ausgewechselt werden müssen, wie es bei herkömmlichen Anemometern der Fall ist.

Weitere Informationen finden Sie auf dem Lufft Blog: Früh übt sich wer ein Wetterexperte werden will

 

Niederschlagsmenge und Intensität

Der wägende Niederschlagssensor OTT Pluvio² S erfasst die Niederschlagsmenge und Intensität mit hoher Messgenauigkeit. Er funktioniert nach demselben Messprinzip wie der Pluvio DWD. Der Niederschlag wird in einem Auffangbehälter gesammelt, der auf einer hochgenauen Wägezelle steht. Die Wägezelle misst das Gewicht des Behälters und die Elektronik im Pluvio² S berechnet daraus die Niederschlagsmenge und Intensität. Über eine RS485 und SDI-12 Schnittstelle können die Daten von einem Datenlogger ausgelesen werden. Zudem stehen Impulsausgänge für andere Datensammler zur Verfügung. Bei niedrigen Temperaturen verhindert die Ringheizung, dass sich am Auffangring eine Schneehaube oder Eis bildet. Das Volumen des Auffangbehälters beträgt 8 Liter, was ca. 400 mm Niederschlag entspricht. Aufgrund der hohen Behälterkapazität und der Verdunstung muss der Behälter im Normalfall nicht geleert werden.

 

Weitere Niederschlagsdaten - OTT Parsivel

Um rund um die Uhr das Wetter zu beobachten können, setzen wir das laser-optische Distrometer Parsivel von OTT Hydromet ein. Mithilfe des Geräts können Niederschlagsart, Sichtweite, Radarreflektivität und viele weitere Parameter rund um die Uhr aufgezeichnet werden. Das Gerät arbeitet nach einem berührungslosen und optischen Messprinzip. Ein Band aus Laserlicht wird auf der einen Seite ausgestrahlt und trifft auf der anderen Seite auf einen Empfänger. Fallen Niederschlagspartikel durch das Laserband, wird das Empfangssignal abgeschwächt. Aus der Abschwächung des Signals und Dauer der Abschwächung können die Niederschlagspartikel klassifiziert und verschiedene Niederschlagsparameter berechnet werden. Um ein beschlagen der Optiken zu verhindern, werden die Sensorköpfe bei entsprechenden Temperaturen beheizt. Als Sensorausgang stehen Impuls-, Status und serielle Schnittstellen zur Verfügung.

 

 

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Datenübertragung und Verarbeitung

Alle erfassten Wetterdaten werden in einem 10-Minuten Intervall auf den Webserver übertragen und dort automatisch auf Plausibilität überprüft. Nach erfolgreicher Plausibilitätskontrolle werden die Wetterdaten in verschiedenen MySQL-Datenbanken gespeichert und archiviert. Auf unserer Homepage stehen die Wetterdaten dann in Form von aktuellen Messwerten, Grafiken und Wetterstatistiken zur Verfügung. Die Übertragung der Wetterdaten von den Datenloggern DL16 und netDL500 auf den Webserver erfolgt über einen Einplatinencomputer Raspberry Pi. Dafür nutzen wir eine eigene Software (geschrieben in Python und PHP), die die Messwerte von den Datenloggern ausliest und per REST-API auf unseren Webserver überträgt. Bis 2017 nutzten wir für die Datenübertragung eigens entwickelte Hardware und Software, die sog. JaWe-Log RTU.

"Die JaWe-Log RTU (RTU engl. = Remote Transfer Unit) ist eine Datenübertragungseinheit, mit einer Ethernet-, zwei RS232-, einer RS485- und einer USB-Schnittstelle. Der Stromverbrauch liegt im aktiven Zustand bei 1 Watt. Die Aufgabe der RTU besteht darin, die erfassten Messwerte von einem Datenerfassungssystem, wie z.B. einem Datenlogger oder einem intelligenten Sensor abzufragen und auf einen Webserver zu übertragen. Falls erforderlich, speichert die RTU die Messwerte im eigenen, nichtflüchtigen Speicher zwischen. Alternativ können die Messwerte auch in einem anderen seriellen Protokoll ausgegeben werden, um diese z.B. auf einer Anzeigetafel zu präsentieren."

Aufgrund der höheren Leistungsfähigkeit und zahlreichen Möglichkeiten eines Raspberry Pis entschieden wir uns dazu, die Entwicklung eigener Hardware einzustellen und uns stattdessen auf die Entwicklung einer Software für den Raspberry Pi zu fokussieren.

 

 

Wir setzen Messtechnik (Datenlogger und Sensoren) und andere Komponenten (z.B. Schaltschrank) der hier aufgelisteten Hersteller ein.

 

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