2016/03/26

大気の放射温度の観測

放射温度計を空に向けると、何の温度をはかることになるのか。

NASAの教育用サイトに簡単な解説があった。
http://mynasadata.larc.nasa.gov/science_projects/measuring-the-temperature-of-the-sky-and-clouds/

どうやら、上空を通過する雲や、数キロ上空の大気の赤外線放射を捉えることになるようだ。
大気に水蒸気量が増えると、赤外線放射も多くなる。

上空の気温がどの程度なのかについては、気象庁がラジオゾンデによる観測を行っていて、高層天気図として公開されている。 http://www.jma.go.jp/jp/metcht/kosou.html

nLogにセンサをつなぐテスト

デジタルな放射温度センサMLX90614(3Vモデル)を手に入れて、簡単な動作テストのために、真上の空を24時間測定してみた(これが本題)。 スペック的には、-70℃~380℃のレンジをもっている。

この素子の観測波長が記載された資料を見つけられていないけれど、 "大気の窓"とよばれる、赤外線を透過する5~14μm付近を捉えるようになっているはず。

実験は昼12時から24時間、連続観測を行った。

MLX90614はセンサの温度と放射温度、カラーセンサはRGBと赤外線を捉えている。


気象条件としては、前半は快晴、夜中も星空だった。 明け方から薄雲が増えはじめ、午前中は曇り空になった。 夕方にカラーセンサが突然落ち込むのは、太陽が建物の影にはいったため。

遮蔽が無いため、日があたっているとセンサ自体が熱せられ、温度(ambient)が上昇する。 その間も放射温度は-15℃付近を示していた。  日没後はグラフが安定し、明け方に雲が通過したようなピークがみられる。

高層天気図を読むと、この日の-15℃の空気は、上空5~6kmの気温に相当しているようだ。

センサを裸で曝露させているので、視野が広い。 横から来る赤外線放射もある程度捉えていそうな気がする。

少なくとも、上空の雲の量や大気の澄み具合が値に反映されることはわかった。 空をいろいろな波長で捉えるのは面白い。
センサでお手軽に測定するまでは簡単だけど、屋外に常設するためには大きな課題がたくさんあるので、それはまた違うお話。

追記

 放射温度計では、10:1といった比率で、対象までの距離と視野の広さが指標となっていて、比率が大きいほど、遠くでも限られた領域に絞って測定することができる(値段も高い)。
視野角が広いと、何の温度を測っているのかつかみにくいので、後日、市販の放射温度計を買った。 シンワの放射温度計 Gタイプ 30:1というスポット径で、価格帯的にはかなり狭い範囲を狙うことができる。
3脚穴を備えており、いろいろな温度管理に使えそうだ。
(とりあえず、猫舌なので熱いスープの飲み方の研究を始めた)


快晴の空だと、天頂付近では-60℃の測定限界に達することがある。
たいていは快晴の条件でも、-30~-40℃程度の日が多い。地平線に近づけたり、 雲が出ると温度が上昇する。

ちなみに太陽を狙うと、スポットが小さいので難しいが、快晴のお昼頃なら600℃といった表示になる。

視野の比較

 剥き出しのMLX90614は、FOVが90°あるため広範囲の放射を拾う。 大気を見た場合、夏は太陽を避けるのがやや難しいのが不利な点。
逆に平均的な値をみるのには良さそう。 ロボットの6面につけるとか。


MLX90614は、型番から、鏡筒と光学系を備えたモデルが2つあることがわかっているので、それらの視野角を比較してみた。長さの数値は、1M距離での視野の広さを表す。  後ろの数値は算出した大まかなスポット比となる。
市販の放射温度計は、だいたい10:1あたりが多いので、FOV換算だと6度以下というものが多いのだなぁ。 しっかりした製品はセンサ部も構造的に迷光対策されている。

天頂に向けておけば、夜でも曇りかどうか判定することができるので、天体観測のセンサとして使うと良いかもしれない。 ただし防水にするにあたり、窓に使える材料は熱赤外線を透過しなければならず、若干ハードルが高そうだ。 (eBayとか見ると、割とあったりする)

2016/03/14

Arduino互換データロガー nLog



 簡易データロガー第二世代。 3年前のモデルの改良版。 極限環境でのプロトタイピングを目的とし、いろいろなものに組み込む形での利用を想定している。 基板サイズと端子配置はUP-204GSRに合わせてあり、今回は端子数を増やし、RTCと9DoFセンサを搭載した。

特徴

引き続き 5V系 (※I2Cは3.3V系)
ATmega644P使用(4kB RAM 64kB Flash) 16MHz Sanguino互換
ヒンジ付きマイクロSDカードスロット搭載、衝撃に強い。
300kB/sec程度のリード/ライト速度(一例)

RTC(TCXO)搭載、MCU割り込み可
MPU-9250搭載
GPIO 12ch  アナログ入力 8chと共用



去年以来、KiCadでのPCB設計も7枚目になるので、だんだんと慣れてきた。 今回も片面実装。


 電源は5V系。 SDカードとI2Cバスは3.3V系。 5Vと3.3Vは基板外へ出力できて、配下の回路電源に利用可能。

メインのリニアレギュレータはLT1763で、VINにプルアップされたEN端子を引き出してあり、LOWレベルで基板の電源を落とせる。 このLDOはちょっと値段が高いけど、DC/DCが選択肢でなければ、 逆流防止も備わっていて便利だ。

RTCは新たにEPSONのRX8900を実装。TCXO搭載でとても小さい。
バックアップバッテリは前回の設計の反省を踏まえ、1次電池用のコネクタを用意した。

外部GPIOは、PWM機能付きのピンを4つ。 アナログ入力をもつポートAはまるごと引き出しているので、合計12本となる。

基板面積に余裕があったので、MPU-9250を搭載。 9軸のセンサデータを単体で記録できる。

こちらもGitHubで公開しています。

GitHub  https://github.com/kentN/nLog_9DoF