Non-catching measurement of precipitation and development of laboratory calibration

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2016-04-04
Department
Major/Subject
Elektroniikka ja mittaustekniikka
Mcode
S350-3
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka (TS2005)
Language
en
Pages
63+5
Series
Abstract
Precipitation is complicated process with large temporal and spatial variability that affects lives of people in multiple ways. At the moment functional and cost effective way to measure precipitation intensity and drop size distribution are non-catching in-situ measurement device Measurement data of the sensors should be standardized and intercomparable between different measurement sites that it could be incorporated to numerical weather prediction models. At the moment there isn’t such calibration methods for non-catching precipitation sensors and partly because of that there are large differences and uncertainties between sites and sensors. Main purpose of this work is to develop laboratory calibration for the non-catching precipitation sensors. Best method that fits all different measurement technologies is to simulate rainfall for calibration purposes. First we determined features of natural rainfall to be simulated that are droplet shape, terminal velocity, kinetic energy, intensity and drop size distribution. Based on agricultural rainfall simulator and erosion studies we chose well proven method of drop former simulator. Major designing factors were founded on requirements for the simulator by stakeholders and generally encountered difficulties: Determination of appropriate drop forming density, uniformity of application, drop size distribution, consistent control of intensity and reaching terminal velocity. The development project can be divided into three distinct sections: Rain tower, rainfall simulator and rain laboratory. Main part was automated rainfall simulator consisting of mechanics, measurement and sensors, system control logic and electronics. Rain laboratory included all the reference devices, weighting and optical, and communications and software for control of the whole laboratory setup. In scope and schedule of this work it wasn’t possible to perform testing and verification measurements for the simulator and reference devices. All in all, the entire development project was success. We were able to fulfill requirements set for the laboratory simulator without larger compromises and with affordable budget. In future the setup can be used for testing and calibration of next generations of non-catching sensors for better measurements and forecasts.

Sade on monimutkainen prosessi laajalla vaihtelevuudella ajan ja paikan suhteen, joka vaikuttaa ihmisten elämään monin tavoin. Tällä hetkellä toimivin ja kustannustehokkain tapa mitata sateen voimakkuutta ja pisarakokojakaumaa ovat ei-keräävät paikalliset sadeanturit. Anturien mittausdatan pitäisi olla standardisoitua ja vertailukelpoista eri mittausasemien ja laitteiden välillä, jotta sitä voitaisiin hyödyntää numeerisessa sään ennustamisessa. Tällä hetkellä ei ole olemassa sellaista kalibrointimenetelmää ei-kerääville sadeantureille, ja osittain siitä johtuen mittalaitteiden ja mittausasemien välillä on suuria epävarmuuksia ja eroavaisuuksia. Tämän työn pääasiallisena tarkoituksena on kehittää laboratoriokalibrointi ei-kerääville sademittalaille. Paras menetelmä tämän toteuttamiseen on sadesimulaattori, joka sopii kaikille eri mittausteknologioille. Ensiksi määrittelimme sateen luonnolliset ominaisuudet simuloitavaksi: pisaran muoto, äärinopeus, liike-energia, voimakkuus ja pisarakokojakauma. Maataloudellisiin sateen simulointi ja eroosio tutkimuksiin pohjautuen valitsimme hyväksi todetun pisaranmuodostus-simulaattori -menetelmän. Pääasialliset suunnitteluparametrit perustuvat sidosryhmien asettamiin vaatimuksiin ja yleisiin suunnitteluongelmiin: pisaranmuodostimien tiheys, muodostuksen yhtenäisyys, pisarakokojakauma, yhdenmukainen voimakkuuden hallinta ja äärinopeuden saavuttaminen. Kehitysprojekti voidaan jakaa kolmeen osioon: Sadetorni, sadesimulaattori ja sadelaboratorio. Pääasiallinen osuus oli automatisoitu sadesimulaattori, joka koostuu mekaniikasta, mittauksista ja antureista, järjestelmän hallintalogiikasta ja elektroniikasta. Sadelaboratorio sisältää kaikki referenssimittalaitteet, punnitsevan ja optisen, sekä tietoliikenteen ja ohjelmistot koko simulaattorin ja sadelaboratorion hallitsemiseksi. Tämän työn puitteissa ei ollut mahdollista suorittaa testaamiseen ja verifiointiin tarvittavia mittauksia simulaattorilla ja referenssi mittalaitteilla. Kaiken kaikkiaan koko kehitysprojekti oli menestys. Onnistuimme kehittämään ratkaisun, joka täyttää asetetut vaatimukset ilman suurempia kompromisseja ja edullisella budjetilla. Tulevaisuudessa laboratoriosimulaattoria voidaan käyttää seuraavan sukupolven ei-keräävien sademittalaitteiden testaamiseen ja kalibrointiin, parempien mittaustulosteiden ja sääennusteiden toivossa.
Description
Supervisor
Sepponen, Raimo
Thesis advisor
Laukkanen, Samuli
Keywords
precipitation, measurement, simulation, calibration, automation
Other note
Citation