Оборудование_для_измерения_температуры_и_давления. Учреждение Средняя общеобразовательная школа 31 г. Орска Прибор для определения вероятности изменения погоды
 Скачать 0.74 Mb.
|
|
Муниципальное общеобразовательное автономное учреждение “Средняя общеобразовательная школа №31 г. Орска» Прибор для определения вероятности изменения погоды Выполнили: ученики 11 класса Старостин Даниил Игоревич, Курепов Никита Сергеевич, Федюнин Данил Максимович Руководитель: учитель математики Приходько Наталья Владимировна Орск, 2022 Содержание Введение 2 Глава 1. Прогноз погоды. 3 1.1 Прогноз погоды. 3 1.2 Основные метео приборы для прогноза погоды. 4 1.3 Методы прогноза погоды. 7 Глава 2. Создание прибора для прогнозирования погоды. 9 2.1 Устройство прибора. 9 2.2. Экономическое составляющее. 11 2.3. Сборка прибора. 11 2.4. Создание прошивки. 11 2.5. Вероятность изменения погоды. 12 2.6. Тестирование прибора. 12 Заключение 15 ВведениеВ настоящее время актуальна проблема изменчивости погоды. В связи с нарастающим глобальным потепление сложно определить, какая именно ждёт погода завтра. Возможно будет дождь, снег или даже ураган. А может настать солнечный и безветренный день. Сейчас синоптики довольно часто ошибаются в определении погоды и приходится сталкиваться с её неожиданными изменениями. Тема определения погоды актуальна в современном мире, так как погода меняется каждый день и людям необходимо знать, какой она будет завтра. Цель: создать прибор для определения вероятности изменения погоды. Задачи: Изучить литературу по данной теме и проанализировать ее Разработать оборудование для определения давления и температуры воздуха Протестировать оборудование и внести коррективы в его конструкцию при необходимости Объект исследования: природные условия. Предмет исследования: влияние давления и температуры воздуха на вероятность выпадения осадков. Методы исследования: изучение литературы и приборов, тестирование оборудования, наблюдение. Продукт: прибор для определения вероятности осадков с сохранением и анализом данных. Гипотеза: вероятность изменения погоды можно узнать, измерив давление и температуру воздуха. Глава 1. Прогноз погоды.1.1 Прогноз погоды.Прогноз погоды - научно обоснованное предположение о будущем состоянии погоды в определенном пункте или регионе на определенный период. Составляется (разрабатывается) метеорологическими службами на основе методов метеорологии. Прогнозы делятся по заблаговременности периода, на который дается прогноз: 1) Наукастинг (прогноз текущей погоды) — от 0 до 2 часов; 2) Сверхкраткосрочные (СКПП) — до 12 часов; 3) Краткосрочные (КПП) — от 12 до 72 часов; 4) Среднесрочные (СПП) — от 72 часов до 10 суток; 5) С расширенным сроком — от 10 до 30 суток; 6) Долгосрочные (ДПП) — от 30 суток до двух лет; включают месячный, трехмесячный (или 90-суточный), сезонный ориентировочные прогнозы, которые представляют собой описание усредненных метеорологических параметров, выраженных в виде отклонения (девиация, колебание, аномалия) от климатических величин соответственно для этого месяца (не обязательно для предстоящего месяца), для этого 90-суточного периода (не обязательно для предстоящего 90-суточного периода), для этого сезона. 1.2 Основные метео приборы для прогноза погоды.Термометр. Термометр представляет собой специальный прибор, предназначенный для измерений текущей температуры конкретной среды при контакте с ней. В зависимости от вида и конструкции, он позволяет определить температурный режим воздуха, человеческого тела, почвы, воды и так далее. Современные термометры подразделяются на несколько видов. Градация приборов в зависимости от сферы применения выглядит так: бытовые; технические; исследовательские; метеорологические и другие. Также термометры бывают: механические; жидкостные; электронные; термоэлектрические; инфракрасные; газовые. Каждый из названных приборов имеет собственную конструкцию, отличается принципом действия и областью применения. Жидкостный термометр. В основе жидкостного термометра лежит эффект, известный как расширение жидкостных сред при нагревании. Чаще всего в подобных приборах используется спирт либо ртуть. Хотя от последней планомерно отказываются в виду повышенной токсичности этого вещества. И все же, данный процесс так до конца не завершен, так как ртуть обеспечивает лучшую точность измерений, расширяясь по линейному принципу. В метеорологии чаще применяют приборы, наполненные спиртом. Объясняется это свойствами ртути: при температуре в +38 градусов и выше она начинает густеть. В свою очередь, спиртовые термометры позволяют оценивать температурный режим конкретный среды, нагретой 600 градусов. Ошибка измерений не превышает доли одного градуса. Механический термометр. Механические термометры бывают биметаллическими или делатометрическими (стержневые, жезловые). Принцип действия таких приборов основан на способности металлических тел расширяться при нагреве. Они отличаются высокой надежностью и точностью. Себестоимость производства механических термометров относительно низка. Данные приборы применяются в основном в специфическом оборудовании: сигнализациях, системах автоматического контроля температуры. Газовый термометр. Принцип действия термометра основан на тех же свойствах, что и описанных выше приборов. За исключением того, что в данном случае применяется инертный газ. По сути, такой термометр представляет собой аналог манометра, который служит для измерения давления. Газовые приборы применяются для измерения высоко- и низкотемпературных сред (диапазон составляет -271 - +1000 градусов). Они обеспечивают относительно низкую точность, из-за чего от них отказываются при лабораторных измерениях. Электронный термометр. Его еще называют термометр сопротивления. Принцип действия этого прибора основан на изменение свойств полупроводника, встроенного в конструкцию устройства, при повышении или понижении температуры. Зависимость у обоих показателей линейная. То есть, при повышении температуры растет сопротивление полупроводника, и наоборот. Уровень последнего напрямую зависит от типа металла, использованного при изготовлении прибора: платина «работает» при -200 - +750 градусов, медь при -50 - +180 градусов. Электрические термометры используются редко, так как при производстве очень сложно градуировать шкалу. Инфракрасный термометр. Также известен как пирометр. Он представляет собой бесконтактный прибор. Пирометр работает с температурами от -100 до +1000 градусов. Его принцип действия основан на измерении абсолютного значения энергии, которую излучает конкретный объект. Максимальная дальность, на которой термометр способен оценивать показатели температуры, зависит от его оптической разрешения, типа прицельного устройства и других параметров. Пирометры отличаются повышенной безопасностью и точностью измерения. Термоэлектрический термометр. Действие термоэлектрического термометра основано на эффекте Зеебека, посредством которого оценивается разница потенциалов при контакте двух полупроводников, в результате чего образуется электрический ток. Температурный диапазон измерений составляет -100 - +2000 градусов. Барометр. Барометр – прибор, измеряющий показания давления воздуха на окружающие предметы, был изобретен в 17 веке выдающимся итальянским ученым Э. Торричелли. Первоначально выглядел как стеклянная трубка с отметками, внутри ее наполняла ртуть. В момент проведения исследования столбик ртути находился на 760 мм, теперь этот показатель принято считать уровнем нормального давления, по которому судят, повышается давление или наоборот понижается. Прибор такого вида благодаря высокой степени точности и сейчас применяются на различных метеостанциях и в научных лабораториях. На сегодняшний день существуют такие разновидности: Жидкостные барометры; Ртутные; Барометры- анероиды; Электронные. Внешне жидкостный барометр имеет вид стеклянных трубок, взаимодействующих друг с другом как сообщающиеся сосуды в соответствии с гидростатическими законами. Заполняет их ртуть или другие легкие по весу жидкости (глицерин, масло). Ртутный барометр Ртутный барометр - пара сообщающихся сосудов, внутри - ртуть, верх одной стеклянной трубки, длиной примерно в 90 см, закрыт, там нет воздуха. В зависимости от изменений в давлении ртуть под воздействием воздуха поднимается либо опускается в стеклянной трубке, а небольшой поплавок показывает движение ртутной массы и останавливается на отметке, показывающей ее уровень в миллиметрах. Норма – ртуть на отметке 760 мм рт. ст., показания выше этого значения – идет процесс повышения давления, ниже – понижения. Барометры такого типа практически не используются в обычном обиходе, ведь ртуть является опасным ядовитым веществом, конструкция барометра довольно громоздка и требует осторожного отношения. Поэтому они широко применяются только в лабораторных условиях, на различных научных метеорологических станциях и в промышленности, там, где важна абсолютная точность передачи данных. Классический барометр-анероид (1 - корпус; 2 - гофрированная пустотелая металлическая коробочка; 3 - стекло; 4 - шкала; 5- металлическая плоская пружина; 6 - спиральная пружина; 7 - нить; 8 - передаточный механизм; 9 - стрелка-указатель) Система работы механического барометр-анероида, в котором отсутствует какая-либо жидкость, основан на принципе воздействия давления воздуха на металл. В середине прибора располагается коробка с тонкими гофрированными стенками из металла, под силой действия воздуха стенки сжимаются или разжимаются, рычажок поворачивает стрелку в ту или иную сторону. Бывают настенного и настольного типа, очень удобны и практичны в использовании, поэтому их очень часто используют в домашних условия, в офисах и различных учреждениях. Электронный барометр Электронный (или цифровой) барометр - современная разновидность данного прибора, линейные показатели обычного барометра-анероида преобразуются в электронный сигнал, который обрабатывается микропроцессором и выводится на жидкокристаллический экран. Имеет компактные размеры, прост и удобен в использовании, например, для рыбалки, туризма или как дачный вариант. Цифровой вариант барометров, которые встроены в виде дополнительной функции в мобильное устройство, в часы-барометры и как отдельное приложение для смартфонов. 1.3 Методы прогноза погоды.Всю совокупность методов современного прогнозирования погоды можно свести к следующим группам методов: 1) синоптические, 2) статистические, 3) смешанные (синоптико-статистические, синоптико-гидродинамические). Разработке научного прогноза погоды предшествует глубокий, физически обоснованный комплексный анализ синоптической обстановки. После того как на картах проанализировано положение барических систем, воздушных масс и атмосферных фронтов, выявлен характер погоды во фронтальных зонах и вне этих зон, синоптик переходит к составлению прогноза, который представляет собой научно обоснованное предположение о будущем состоянии погоды. Вначале составляется прогноз синоптического положения, а затем на его основе - прогноз значений различных метеорологических элементов и характеристик погоды. Прогноз синоптического положения включает в себя прогноз будущего положения воздушных масс с их свойствами, положения барических систем и атмосферных фронтов. Прогноз синоптического положения является подготовительным и в то же время основным этапом разработки детализированного прогноза погоды. При этом следует учитывать, что прогноз синоптического положения отражает только фон крупномасштабных процессов, на которые местные условия могут оказать существенное влияние. Тем не менее, чем вернее спрогнозировано синоптическое положение, тем правильнее будет разработан и прогноз погоды. К числу синоптических методов прогноза синоптического положения следует отнести: 1) приемы формальной экстраполяции, 2) приемы физической экстраполяции, 3) качественную оценку синоптика о предполагаемом развитии атмосферных процессов. Следует отметить, что личный опыт синоптика и уровень его знаний во многом предопределяет качество разрабатываемых им прогнозов погоды. В этом заключается недостаток синоптического метода прогноза погоды в сравнении с объективными (численными) методами. Выявляя закономерности развития атмосферных процессов и тенденцию их дальнейшей эволюции в процессе анализа серии последовательных карт погоды, сопоставляя это развитие с ранее наблюдавшейся схемой процесса и привлекая различного рода правила и признаки, полученные из опыта работы, синоптик дает качественную оценку наиболее вероятному развитию синоптического процесса и погодных условий в интересующем его районе. Большую роль при этом играют шаблоны или аналоги, взятые из арсенала прошлых, ранее наблюдавшихся процессов и представляющие подобие текущих процессов. Однако полного подобия в ходе метеорологических и явлений обычно не наблюдается. Синоптический метод широко востребован для краткосрочных прогнозов погоды (до двух суток). Основой современной системы прогнозов являются гидродинамические модели атмосферы, основанные на решении системы уравнений гидродинамики, описывающих с определенной степенью точности поведение атмосферы. Система уравнений, определяющая поведение атмосферы, очень сложна и нелинейна. Поскольку не существует общих методов решений такой системы аналитически, возникает необходимость использования численных методов, обычно с использованием метода конечных разностей. Первый, практически приемлемый подход к решению гидродинамического прогноза был реализован в России в 1940 году. Однако из-за огромного объема вычислений развивать и оперативно применять гидродинамические модели стало возможным только после появления ЭВМ. В основу прогноза по гидродинамической модели берется начальное состояние атмосферы по данным метеорологических наблюдений. Далее рассчитываются изменения давления, которые произойдут через некий, достаточно короткий промежуток времени, например, через 10 минут. Это дает новый набор данных, который используется для расчета условий через следующий 10-минутный интервал. Такая процедура повторяется до тех пор, пока не будет получено поле давления на срок прогноза. Благодаря развитию глобальных гидродинамических моделей стало возможным с достаточной степенью точности прогнозировать ряд параметров атмосферы (давление, ветер и температуру) для различных высот на срок до 5-6 суток. Предвычисленные выходные параметры моделей используются для прогнозирования метеорологических величин и явлений погоды (облачности, осадков, тумана, шквалов). Прогностические зависимости при этом определяются на основании статистических связей между наблюдавшейся погодой и выходными параметрами конкретной модели. На основе расчетных методов осуществляется в настоящее время прогнозирование большей части явлений погоды с заблаговременностью 24-36 часов. В последнее время создаются также комплексные системы слежения за текущей погодой с использованием спутниковой и радиолокационной информации, а также данных обычных метеорологических наблюдений. Использование таких систем позволяет постоянно уточнять предварительные расчеты и предупреждать о возникновении опасных локальных явлений. Статистический метод основан на усреднении синоптических процессов на протяжении очень длительного времени. Он позволяет сделать прогноз без точного знания механизмов этих процессов. В настоящее время практическая предсказуемость прогноза погоды - 5 дней. Успешность прогноза на завтрашний день составляет 96%. Для каждого последующего дня успешность снижается на 2-3% Глава 2. Создание прибора для прогнозирования погоды.2.1 Устройство прибора.Для сборки устройства используются три детали. Микроконтроллер (Рисунок 1), где происходит обработка сигналов. Датчик давления и температуры (Приложение 2). Аккумулятор для питания. Информация об атмосферном давлении измеряется датчиком, он отсылает данные на микроконтроллер. Микроконтроллер обрабатывает сигнал, записывает в память значение атмосферного давления и делает вывод о вероятности осадков. Если есть сильные колебания, то в сторону нахождения прибора идут тучи, которые и приносят осадки.  Рисунок 1.Микроконтроллер  Рисунок 2. Датчик давления и температуры Микроконтроллер - это микросхема, которая выполняет логические операции. Мы взяли от фирмы Ардуино, модель Nano, потому что для этой платы написано большое количество библиотек. Модуль измерения давления фирмы Bosh, на основе электрической проводимости измеряет температуру и давление. Литий-ионный аккумулятор - накопитель энергии, для питания всей этой системы. (Рисунок 3).  Рисунок 3.Схема прибора 2.2. Экономическое составляющее.Микроконтроллер (Arduino Nano) - 996 рублей. Цифровой датчик (BMP 180) - 75 рублей. Аккумулятор для питания - 450 рублей. Итого: 1521 рубль 2.3. Сборка прибора.Для того что бы собрать прибор, нужно соединить детали проводами, и написать программу для их совместной работы. К микроконтроллеру подключается модуль измерения давления по двум цифровым каналам. Так же к микроконтроллеру подключается элемент питания, который одновременно питает два прибора. 2.4. Создание прошивки.Для написания прошивки придётся использовать библиотеку, написанную специально для модуля bmp 180. При помощи неё можно выводить данные в реальном времени на экран с интервалом одной секунды. Для начала добавим таймер, по истечение которого прибор будет выполнять следующие действия: измеряет давление и температуру, ищет разницу между предыдущим значением и настоящим, запоминает текущее давление. на основании этого делает вывод. Если произошел скачок давления и температуры, тогда вероятность выпадения осадков крайне низкая, а если произошел резкий спад давления, то вероятность кратно повышается 2.5. Вероятность изменения погоды.Вероятность изменения погоды рассчитывается на основе полученных данных с цифрового датчика. Давление измеряется каждые десять минут, потом в течении шести часов измерений находится среднее значение. Оно сравнивает с предыдущими данными, и в зависимости от того, повысилось давление или понизилось, делается вывод о вероятности. Если есть резкое повышение или понижение давления, то приближается циклон, который потенциально может принести осадки. Более точно: От -0,25 до 0,25 - погода вряд ли изменится От -0,75 до -0,25 - погода изменится в худшую сторону, но не сильно. От -1 до -0,75 - погода сильно изменится в худшую сторону (возможно даже будет гроза или ураган) От 0,25 до 0,75 - погода изменится в лучшую сторону, но не сильно. От 0,75 до 1 - погода сильно изменится в лучшую сторону (станет безоблачно) Точность. Погрешность нашего прибора около 0,01. Соответственно точность прибора: 1 - 0,01 = 0,99 или 99%. 2.6. Тестирование прибора.Таблица 1.
Вывод: Мы создали прибор для определения вероятности изменения погоды и провели исследования, собрав данные по температуре и давлению с 1 по 12 февраля. Для более точных измерений была создана специальная шкала (от-1 до 1). В результате исследования можно сделать выводы, что наш прибор успешно определяет вероятность изменения погоды. ЗаключениеМы считаем, что цель, поставленная в проекте, достигнута. Мы проанализировали литературу о разных методах и оборудованиях измерения температуры и давления. Нами был выбран прибор для изготовления, продумана конструкция прибора с наименьшими затратами и безопасным использованием. Мы смогли сконструировать его и продемонстрировать. В ходе работы мы сделали следующие выводы: 1) Изготовление собственного прибора очень сложный, но интересный процесс. 2) При изготовлении прибора мы получили много полезных навыков, таких как: работа с простейшими инструментами и деталями, умение объективно оценивать результаты своей работы. Кроме того, изготовление прибора побудило нас к самостоятельному получению знаний за счет более глубокого анализа уже существующих оборудований и методик их использования. 3) В будущем – возможно создание новых приборов, опираясь на ошибки и недочёты прошлых. А также публикация материалов создания в развёрнутых статьях. Список литературы 1.Метеоприборы для наблюдения и измерения погоды [Электронный ресурс]. – URL: https://xn----8sbiecm6bhdx8i.xn--p1ai/%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BE.html (дата обращения: 24.01.2022) 2.Методы прогноза погоды [Электронный ресурс]. – URL: https://studbooks.net/610557/geografiya/obzor_metodov_prognoza_pogody 3.Прогноз погоды [Электронный ресурс]. -URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%BD%D0%BE%D0%B7_%D0%BF%D0%BE%D0%B3%D0%BE%D0%B4%D1%8B (дата обращения: 24.01.2022) |