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Vergleich der Temperaturmessungen ISS und THS

Die Wetterstation in Wien im 23. Bezirk ist mit einer ISS (Integrated Sensor Suite) auf dem Dach eines dreistöckigen Wohnhauses und einer THS (Temperature and Humidity Station) im Garten desselben Hauses ausgestattet. Details zum Installationsort und den einzelnen Komponenten der Station findet man hier.

Die Temperaturmessung ist bei der ISS aktiv ausgeführt, d.h. das ein solarbetriebener Lüfter für einen kontinuierlichen Luftstrom zum Sensor sorgt. Der Lüfter ist dabei oberhalb des Sensors angeordnet, d.h. die Luft wird von unten in das Gehäuse gesaugt, dann am Sensor vorbei und wird anschliessend seitlich ausgeblasen. Die untenstehende Grafik aus dem VantagePro2 Plus Manual von Davis verdeutlicht den Mechanismus.

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Die aktive Belüftung sorgt also dafür, dass im Sensorgehäuse (Schutzgehäuse) kein Luftstau erzeugt wird und dass die gemessene Luft wirklich auch der Luft ausserhalb des Gehäuses entspricht. Dadurch sind sehr kontinuierliche Temperaturverläufe erreichbar, da sich der Sensor durch den hohen Luftstrom schnell an die Umgebungstemperatur anpassen kann. Wie oben erwähnt, wird der Lüfter mit Solarstrom betrieben. Zwei Stützbatterien sorgen dafür, dass der Lüfter auch ein wenig in die Abendstunden hinein belüften kann. Man kann alternativ die Stützbatterien weglassen um den Luftstrom während des Tages zu erhöhen, dann hat man aber eine kürzere Betriebszeit. Auch der Betrieb mit nur einer Batterie ist möglich, dann ventiliert der Lüfter Tagsüber mehr als mit 2 Batterien dafür am Abend länger. Die Standardausführung ist auf jeden Fall mit zwei Batterien. Dieses Setup wurde bei dieser Station auch so belassen. Der Lüfter braucht also am Morgen erst ein wenig Solarstrahlung, bevor er loslegen kann. Gleichzeitig werden die Batterien geladen, was die Umdrehungszahlen des Lüfters reduziert.

 

Die THS bietet im Gegensatz dazu keine aktive Lüftung. Man kann zwar ein aktive Belüftung nachrüsten, ich habe dies aber bei meiner Station (noch) nicht gemacht, weil sich die Station an einem schattigen Standort befindet, der auch Tagsüber wenig Sonnenstrahlung erhält. Der Betrieb mit einem Solarpanel macht also hier wenig Sinn. Ich möchte aber hinzufügen, das man das Solarpanel auch abgesetzt betrieben kann, was an diesem Standort aber ebenfalls keine gute alternative ist da der nächste Ort mit guter Sonneneinstrahlung zu weit entfernt ist.

Interessant ist nun der vergleich der beiden Sensoren. Die ISS ist für den Temperaturfühler Suboptimal auf dem Dach eines Gebäudes montiert, die THS befindet sich ziemlich ideal im Garten, gut 20m vom nächsten Gebäude entfernt 2m über Boden.

Die untenstehende Grafik zeigt die Temperaturverläufe an einem Sonnigen Tag Ende März.

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Schön zu sehen ist der kontinuierliche Verlauf der ISS Temperaturmessung. Im Vergleich dazu wirkt die Messkurve der THS abgehackt. Es wird längere Zeit der gleiche Werte gemessen bevor der Sensor die nächst höhere/tiefere Temperatur misst. Die ISS zeigt einen viel kontinuierlicheren Verlauf, und zwar sowohl tagsüber wie auch in der Nacht. Diese Verlaufsunterschiede sind also nicht nur auf die aktive Ventilierung zurückzuführen, da diese ja in der Nacht gar nicht aktiv ist. Auf dem Dach ist die Luftdurchmischung offensichtlich optimaler. Die THS zeigt evtl. deswegen einen suboptimalen Verlauf, da sie an einem hölzernen Gartenzaun angebracht (s. Bild unten) ist. Dadurch wird die Luftzirkulation beeinträchtigt.

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In der nächsten Grafik ist nochmals ein Ausschnitt der obigen Grafik für die ersten Stunden des Tages abgebildet. Die Temperaturschritte bei der THS sind übrigens nicht konstant 0,5°C. Es ist also nicht so dass die Termperaturauflösung der THS grösser ist als die der ISS, beide Werte werden mit einer Auflösung von 0,1°C ausgelesen.

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Interessant wird es, wenn man die Differenz der beiden Temperaturen bildet und mit der Solarmessung aufzeichnet. Wie man in der untenstehenden Grafik sieht, sind die Unterschiede am Morgen kurz nach Sonnenaufgang am höchsten. Das kann man nun auf die aktive Ventilation zurückführen, da diese am Morgen am suboptimalsten läuft, da sich über Nacht die Batterien entladen und der Ventilator erst am Morgen wieder aktiv wird. Nun müssen aber gleichzeitig die Batterien geladen werden, i.e. die Lüftertemperatur ist also reduziert. Gleichzeitig wird das Gehäuse schon von der Sonne bestrahlt und muss durch den Luftstrom auf die Umgebungstemperatur gebracht werden. Da am Morgen die Sonne aber im Osten steht, die Solarzelle aber gegen Süden ausgerichtet ist, bekommt der Lüfter erst später Strom, i.e. man hat eine Verzögerung zwischen aktiver Belüftung und Sonnenaufgang. Dadurch ist der Peak erklärbar.

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Der Mittelwert der Abweichung ist übrigens 0,98°C für diesen Tag, also ca. 1°C. Erstaunlicherweise sind die Unterschiede auch Tagsüber nicht viel grösser, auch in der Nacht können bei Temperaturschwankungen (hier z.B. um 22Uhr) grössere Unterschiede entstehen. Man hätte ja erwartet das durch die Sonneneinstrahlung das Dach stark erhitz wird und dadurch die Temperaturmessung auf dem Dach völlig illusorische Werte ergibt. Das ist zumindest im März nicht der Fall. Interessant wird es, wenn man im Sommer die Messung wiederholt.

Als nächstes soll noch derselbe Vergleich für einen relativ bewölkten Tag gemacht werden. Wie man in der nächsten Grafik sieht, liegt die Solareinstrahlung am 17.3.2009 um die 300W/m2, also rund halb so viel wie am 28.3. Auch hier sind die Unterschiede im Temperaturverlauf zwischen THS und ISS gut sichtbar.

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Der detaillierte Verlauf für die Morgenstunden zeigt wieder sehr deutlich die Unterschiede.

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Zeichnet man nun wieder die Differenz zwischen THS und ISS auf, so findet man ein ähnliches Verhalten wie schon oben. Auch hier ist der Peak bei Sonnenaufgang sichtbar, die Unterschiede sind vor allem in den Morgenstunden gross. Die über den Tag gemittelte Differenz ist aber an diesem Tag mit 0,6°C deutlich niedriger als am 28.3.09 wie oben besprochen (1,0°C).

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Die Frage bleibt: Warum sind die unterschiede am Morgen so viel grösser als am Abend? Ein Blick auf die Windgeschwindigkeit schafft Klarheit:

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Bei Wind werden die Luftmassen viel besser durchmischt und die Messungen der ISS auf dem Dach und der THS im Garten sind nur ca. 0,2°C verschieden.

Vergleicht man nun noch einen Tag mit starker Bewölkung, sind die Differenzen zwischen den beiden Stationen praktisch vernachlässigbar. Die durchschnittliche Abweichung für den 5.3.2009 betrug 0,18°C. Die Solarstrahlung betrug an diesem Tag um die 20-30W/m2, also um den Faktor 10 weniger als am 17.3 wie oben abgebildet.

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Schaut man sich nun hier die Differenz zwischen THS und ISS an, ist keine Überhöhung am Tagesbeginn zu erkennen und die Werte sind über den Tag hinaus im gleichen Bereich.

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Die Windgeschwindigkeit war an diesem Tag eher niedrig aber konstant:

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--- Der Autor und Publisher dieser Seite ist Bernd Margotte ---