Artykuł metodologiczny

Budowa kompaktowej, niskokosztowej osłony radiacyjnej dla czujników temperatury powietrza w ekologicznych badaniach terenowych

DOI:

10.3791/58273

⸱

6 listopada 2018

 ,  , 
1U.S. Geological Survey, Southeast Climate Adaptation Science Center, 2Department of Applied Ecology, NC State University, 3Department of Entomology and Plant Pathology, NC State University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wraz z pojawieniem się małych, tanich czujników środowiskowych, teraz możliwe jest wdrożenie sieci czujników o dużej gęstości do pomiaru hiper zlokalizowanych zmian temperatury. W tym miejscu przedstawiamy szczegółową metodologię konstruowania kompaktowej wersji wcześniej opisanej, wykonanej na zamówienie osłony radiacyjnej do użytku z niedrogimi termochronami.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Niskie koszty czujników temperatury są coraz częściej używane przez ekologów do oceny zmienności i zmian klimatycznych w skalach istotnych z ekologicznego punktu widzenia. Chociaż jest to opłacalne, jeśli nie zostanie wdrożone z odpowiednią osłoną przed promieniowaniem słonecznym, obserwacje zarejestrowane przez te czujniki będą stronnicze i niedokładne. Produkowane osłony radiacyjne skutecznie minimalizują to odchylenie, ale są drogie w porównaniu z kosztem tych czujników. W tym miejscu przedstawiamy szczegółową metodologię konstruowania kompaktowej wersji wcześniej opisanej niestandardowej osłony radiacyjnej, która jest dokładniejsza niż inne opublikowane metody ekranowania, które próbują zminimalizować rozmiar osłony lub koszty budowy. Metoda wymaga bardzo mało materiału: falistych arkuszy z tworzywa sztucznego, taśmy klejącej z folii aluminiowej i opasek kablowych. Do każdej tarczy używa się jednego 15 cm i dwóch 10 cm kwadratów z tektury falistej. Po wycięciu, nacięciu, oklejeniu taśmą i zszyciu arkuszy, kwadraty o boku 10 cm tworzą dwie dolne warstwy osłony przed promieniowaniem słonecznym, natomiast kwadrat o boku 15 cm tworzy warstwę górną. Trzy arkusze są połączone opaskami kablowymi. Ta kompaktowa osłona przed promieniowaniem słonecznym może być zawieszona lub umieszczona na dowolnej płaskiej powierzchni. Należy zadbać o to, aby osłona była całkowicie równoległa do podłoża, aby zapobiec przedostawaniu się bezpośredniego promieniowania słonecznego do czujnika, co mogłoby powodować zwiększone odchylenia ciepła w miejscach nasłonecznionych rano i po południu w porównaniu z oryginalną, większą konstrukcją. Mimo to różnice w zarejestrowanych temperaturach między mniejszą, kompaktową konstrukcją osłony a oryginalną konstrukcją były niewielkie (średnie odchylenie w ciągu dnia = 0,06 °C). Koszty budowy są o ponad połowę niższe niż w przypadku pierwotnego projektu tarczy, a nowa konstrukcja skutkuje mniej rzucającym się w oczy instrumentem, który może być korzystny w wielu warunkach ekologii terenowej.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W świetle antropogenicznego globalnego ocieplenia, rośnie zainteresowanie rejestrowaniem temperatury powietrza w różnych ustawieniach, aby zrozumieć i przewidzieć ekologiczne reakcje na zmiany klimatu1,2,3. Wraz z pojawieniem się małych, tanich rejestratorów danych środowiskowych (nazywanych również rejestratorami danych, termochronami lub higrochronami), możliwe jest obecnie wdrażanie sieci czujników o dużej gęstości do pomiaru hiperlokalnych zmian temperatury, zwiększając zdolność ekologów do bardziej bezpośredniej obserwacji warunków środowiskowych doświadczanych przez badane organizmy i ekosystemy. W porównaniu z istniejącymi, dobrze skalibrowanymi i rygorystycznie przetestowanymi – ale słabo rozmieszczonymi – stałymi stacjami meteorologicznymi, takie sieci dają możliwość oceny zmienności klimatu w skalach istotnych z ekologicznego punktu widzenia, ale mogą zmniejszyć dokładność lub porównywalność badań, jeśli są stosowane niekonsekwentnie lub niewłaściwie.

Czujniki temperatury powietrza przy powierzchni zazwyczaj wymagają pewnego rodzaju osłony przed promieniowaniem słonecznym, aby zapobiec bezpośredniemu nagrzewaniu się elementu czujnika, co skutkowałoby błędnie ciepłymi pomiarami. Typowe sposoby ograniczania odchylenia czujnika obejmują: 1) wykorzystanie istniejących elementów otoczenia, takich jak drzewa do zacieniania4, 2) korekcja odchylenia i kalibracja czujnika5, które wyprowadzają poprawki na podstawie właściwości termicznych czujników, oraz 3) użycie wyprodukowanych lub niestandardowych osłon6,7. Wielu badaczy decyduje się na stosowanie niestandardowych osłon ze względu na niski koszt i łatwość wdrożenia oraz konieczność w sytuacjach, gdy warunki środowiskowe nie zapewniają naturalnego zacienienia. Jednak przegląd literatury ekologicznej wykazał, że projektowanie osłon wytwarzanych na zamówienie różni się znacznie w zależności od badań, a poszczególne projekty rzadko są testowane pod kątem dokładności. Nieprzetestowane osłony mogą być podatne na zły dobór materiałów i konstrukcję, które powodują dodatkowe nagrzewanie się cząsteczek powietrza bezpośrednio otaczających czujnik, bezpośrednią absorpcję promieniowania słonecznego przez sam czujnik lub jedno i drugie, co prowadzi do średnich odchyleń do 3 °C7. Z drugiej strony, proste i ekonomiczne konstrukcje6,7 są dość skuteczne w ekranowaniu czujników (odchylenia 1 °C lub mniej) i są porównywalne z komercyjnie produkowanymi osłonami radiacyjnymi.

Tutaj przedstawiamy szczegółową metodologię konstruowania wcześniej ocenionej specjalnie wyprodukowanej osłony radiacyjnej7 do użytku z niedrogimi termochronowymi czujnikami temperatury. Projekt tarczy jest modyfikacją wcześniej opisanej i przetestowanej w otwartym otoczeniu lasu sosnowego Ponderosa6. W ostatnich testach kilku niestandardowych projektów osłon, ta przetestowana na montane osłony uzyskała najniższe odchylenia w połączeniu z małymi termochronami7, ale stwierdziliśmy, że jest ona nieporęczna i zbyt rzucająca się w oczy, aby można ją było zastosować w terenie. Zaproponowany tutaj protokół projektowy zmniejsza wymiary osłony radiacyjnej o 50%. Takie zmniejszenie rozmiaru ma kilka zalet: 1) jest mniej rzucające się w oczy, a zatem mniej podatne na manipulacje, 2) może być bardziej wykonalne w szerszym zakresie środowisk ekologicznych, w których przestrzeń jest ograniczona (np. na mniejszych miejskich drzewach ulicznych), 3) jest dokładniejsze niż inne opublikowane metody ekranowania, które próbują zminimalizować rozmiar osłony lub koszty budowy7oraz 4) jest tańszy niż oryginalny, większy projekt ze względu na mniejszą ilość wymaganych materiałów budowlanych. Po opisaniu metod konstrukcyjnych badamy wpływ zmniejszenia rozmiaru czujnika na dokładność w stosunku do oryginalnej konstrukcji osłony, korzystając z wyników próby terenowej przeprowadzonej w warunkach wysokiego promieniowania słonecznego skierowanego w dół.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Budowa osłony radiacyjnej

  1. Za pomocą noża uniwersalnego pokrój arkusze tektury falistej na kwadraty (Rysunek 1A). Do każdej tarczy potrzebny będzie jeden kwadrat o średnicy 15 cm i dwa kwadraty o boku 10 cm.
  2. Nacięcia na wierzchnią warstwę małej osłony radiacyjnej (Rysunek 1B; ilustracja po lewej):
    1. Na kwadracie o długości 15 cm odmierz 4 cm od jednej krawędzi i narysuj linię ołówkiem. Użyj prostej krawędzi jako przewodnika, aby naciąć wzdłuż linii. (W tym przypadku "nacinanie" oznacza użycie noża do wykonania cięcia przechodzącego tylko przez jedną warstwę falistego arkusza z tworzywa sztucznego, a nie przez cały arkusz.) Odtąd ta krawędź kwadratu będzie nazywana "górną" (Rysunek 1B; obraz po lewej).
    2. Odmierz 3,8 cm od krawędzi prostopadłych do linii 4 cm. Użyj prostej krawędzi jako przewodnika, aby naciąć od dołu do linii 4 cm (Rysunek 1B; obraz po lewej).
    3. Narysuj linię od obu rogów powyżej linii 4 cm do skrzyżowania linii 4 cm i 3,8 cm. Wytnij wzdłuż tej linii (Rysunek 1B; obraz po lewej).
  3. Nacięcia dla środkowej i dolnej warstwy małej osłony radiacyjnej (Rysunek 1B; środkowe i prawe obrazy):
    1. Używając prostej krawędzi, narysuj kwadrat o długości 6 cm na środku każdego kwadratu o boku 10 cm (Rysunek 1B; środkowy i prawy obraz).
    2. Naciąć dookoła kwadratu o boku 6 cm i od każdego rogu kwadratu o boku 6 cm do zewnętrznych rogów kwadratu o boku 10 cm (Rysunek 1B; środkowe i prawe obrazy).
  4. Użyj taśmy z folii aluminiowej, aby całkowicie zakryć naciętą stronę kwadratu 15 cm i jeden z kwadratów 10 cm oraz nienaciętą stronę drugiego kwadratu 10 cm.
  5. Za pomocą wiertła 1/4" wywierć otwory, jak pokazano na rysunku Rysunek 1C, w każdej z warstw osłony.
  6. Przymocuj czujnik temperatury do spodu kwadratu o długości 10 cm, który jest przyklejony taśmą po stronie naciętej i ma dwa otwory wywiercone w środku, prowadząc opaskę kablową przez oczko obudowy czujnika (lub jego urządzenie montażowe) i przez otwory w kwadracie o boku 10 cm (Rysunek 1D).
  7. Składanie arkuszy.
    1. Złóż arkusz o długości 15 cm wzdłuż naciętych linii. Nacisk może być potrzebny w przypadku, gdy taśma sprawia, że boki są ciasne i trudne do złożenia.
    2. Wsuń małe trójkątne klapki po wewnętrznej stronie większej tylnej klapki. Gdy zostanie to zrobione poprawnie, z góry widoczne są tylko oklejone taśmą boki. Krawędź cięcia tylnej klapy powinna być zlicowana z zagiętymi bokami.
    3. Użyj kolejnej warstwy taśmy aluminiowej, aby przymocować złożone boki do tylnej klapy. Tylne klapy można również zszyć ze sobą za pomocą wytrzymałego zszywacza, aby zwiększyć wytrzymałość.
    4. Weź arkusze o długości 10 cm i ściśnij boki razem wzdłuż ukośnej linii nacięcia. Za pomocą wytrzymałego zszywacza zszyj ściśnięte boki razem (Rysunek 1E). Produkt końcowy będzie miał kształt kwadratowej miski.
  8. Wiązanie arkuszy razem za pomocą opasek kablowych o długości 20 cm.
    1. Zaczynając od 10-centymetrowego arkusza przyklejonego taśmą po stronie nienaciętej, z trzema otworami, połóż zaklejoną stroną do dołu. Przeciągnij opaskę kablową przez lewy tylny otwór obu 10-centymetrowych arkuszy. Pozostaw 2 cm pionowy odstęp między dwoma arkuszami, aby zapewnić przepływ powietrza wokół czujnika temperatury. Powtórz ten krok dla tylnego prawego otworu (Rysunek 1E; środkowe i prawe obrazy).
    2. Weź arkusz o długości 15 cm i przełóż opaskę kablową przez dwa otwory obok siebie, z tyłu po lewej stronie (Rysunek 1E; ilustracja po lewej). Przymocuj ten krawat do arkuszy o długości 10 cm, pozostawiając również 2 cm wolnej przestrzeni między arkuszem 15 cm a górną częścią górnego arkusza 10 cm. Powtórz ten krok dla dwóch umieszczonych obok siebie otworów w prawym tylnym rogu (Rysunek 1E; ilustracja po lewej).
    3. Na koniec przełóż jedną opaskę kablową przez wszystkie trzy otwory z przodu arkuszy (pokazane strzałką; Rysunek 1E). Dokręć opaskę kablową, upewniając się, że przestrzeń między wszystkimi trzema arkuszami jest równa (Rysunek 1F).
  9. W razie potrzeby wywierć dodatkowe otwory w tylnej części końcowego zmontowanego produktu, aby ułatwić montaż. Wszędzie tam, gdzie zamontowana jest tarcza, upewnij się, że trzy arkusze leżą równolegle do podłoża.

figure-protocol-1
Rysunek 1: Instrukcje krok po kroku, jak skonstruować małą osłonę radiacyjną. (A) Z dużego arkusza tektury falistej wycina się kwadraty o średnicy 15 cm i 10 cm. (B) Arkusze o długości 15 cm są następnie cięte i nacinane, a arkusze o długości 10 cm są nacinane, aby umożliwić wygięcie tarczy do odpowiedniego kształtu. (C) Na każdym arkuszu wiercone są otwory. (D) Czujnik jest przywiązany do jednego z arkuszy o długości 10 cm. (E) Ekran jest montowany za pomocą kilku opasek kablowych. (F) Ostatnia osłona jest gotowa do instalacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Reprezentatywne wyniki użycia termochronów wyposażonych w nową, mniejszą konstrukcję osłony, oryginalną większą konstrukcję osłony oraz termochronów bez osłony przed promieniowaniem są pokazane w Rysunek 2 i Rysunek 3. Dane te zostały zarejestrowane w całkowicie odsłoniętej lokalizacji wiejskiej w pobliżu Raleigh, NC (35,728°N, 78,680°W) i zostały umieszczone w dobrze skalibrowanej stałej stacji pogodowej wyposażonej w pla...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dokładność i powtarzalność pomiarów temperatury powietrza zależy od zastosowania odpowiedniej osłony przeciwsłonecznej, która chroni czujnik przed bezpośrednim i odbitym promieniowaniem słonecznym. Opisujemy tutaj budowę takiej tarczy, która jest bardziej kompaktowa pod względem rozmiarów, tańsza, lub szybsza w budowie niż podobne, poprzednio opisane urządzenia6, bez poświęcania dokładności. 94% zarejestrowanych temperatur dla termochronów wyposażonych w mniejszą osłonę mieściło się w zakresie 1,0...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dziękujemy Emily Meineke za wkład w oryginalny projekt badania i eksperymentu. Dziękujemy Ryanowi Boylesowi za ułatwienie dostępu do miejsc badań i danych ze stacji meteorologicznych. Jaime Collazo, Steven Frank i Erica Henry dostarczyli rejestratory danych i osłony radiacyjne. Dostęp do terenu badań został zatwierdzony przez Biuro Klimatyczne Stanu Karolina Północna. Jakiekolwiek użycie nazw handlowych, firm lub produktów służy wyłącznie celom opisowym i nie oznacza poparcia ze strony rządu Stanów Zjednoczonych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Uniwersalna taśma z folii aluminiowejNashua108767148 mm szerokość
8" opaski kabloweDTOLGEN86371NA
Blacha falista z tworzywa sztucznegoZaopatrzenie ruchu drogowegohts18X24COROWBiała blacha 18"L x 24"W, 5-pak
Standardowy nóż uniwersalnyNANA NA
Nożyczki standardoweNANA NA
Zszywacz do dużych obciążeńSwingline552277715NA

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bowker, R. G. Anurans, the group of terrestrial vertebrates most vulnerable to climate change: A case study with acoustic monitoring in the Iberian peninsula. Computational bioacoustics for assessing biodiversity. , 43(2007).
  2. Walther, G. -R., et al. Ecological responses to recent climate change. Nature. 416 (6879), 389-395 (2002).
  3. Inouye, D. W. Effects of climate change on phenology, frost damage, and floral abundance of montane wildflowers. Ecology. 89 (2), 353-362 (2008).
  4. Lundquist, J. D., Huggett, B. Evergreen trees as inexpensive radiation shields for temperature sensors. Water Resources Research. 44 (4), W00D04(2008).
  5. De Jong, S. A. P., Slingerland, J. D., Van De Giesen, N. C. Fiber optic distributed temperature sensing for the determination of air temperature. Atmospheric Measurement Techniques. 8 (1), 335-339 (2015).
  6. Holden, Z. A., Klene, A. E., Keefe, R. F., Moisen, G. G. Design and evaluation of an inexpensive radiation shield for monitoring surface air temperatures. Agricultural and Forest Meteorology. 180, 281-286 (2013).
  7. Terando, A. J., Youngsteadt, E., Meineke, E. K., Prado, S. G. Ad hoc instrumentation methods in ecological studies produce highly biased temperature measurements. Ecology and Evolution. 7 (23), 9890-9904 (2017).
  8. Richardson, S. J., et al. Minimizing errors associated with multiplate radiation shields. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 16 (11), 1862-1872 (1999).
  9. Anderson, S. P., Baumgartner, M. F., Anderson, S. P., Baumgartner, M. F. Radiative Heating Errors in Naturally Ventilated Air Temperature Measurements Made from Buoys. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 15 (1), 157-173 (1998).
  10. Nakamura, R., Mahrt, L. Air temperature measurement errors in naturally ventilated radiation shields. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 22 (7), 1046-1058 (2005).
  11. Tarara, J. M., Hoheisel, G. -A. Low-cost shielding to minimize radiation errors of temperature sensors in the field. HortScience. 42 (6), 1372-1379 (2007).
  12. Huwald, H., Higgins, C. W., Boldi, M. -O., Bou-Zeid, E., Lehning, M., Parlange, M. B. Albedo effect on radiative errors in air temperature measurements. Water Resources Research. 45 (8), W08431 (2009).
  13. Fuchs, M., Tanner, C. B. Radiation shields for air temperature thermometers. Journal of Applied Meteorology. 4 (4), 544-547 (1965).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Budowa os ony radiacyjnejniskokosztowe czujniki temperaturykarbowane arkusze tworzywa sztucznegota ma z folii aluminiowejmonta opaskami zaciskowymipomiar temperatury powietrzaos anianie przed promieniowaniem s onecznymkompaktowa konstrukcja os onyzmienno mikroklimatyczna

Powiązane artykuły