Ett billigt övervakningssystem med 3D-tryckta delar och billiga sensorer räcker kanske inte så länge som ett kommersiellt system, men det kan vara lika exakt, forskare funnit.

I hela USA, väderstationer som består av instrument och sensorer övervakar förhållandena som producerar våra lokala prognoser, som lufttemperatur, vindhastighet och nederbörd. Dessa system är inte bara vädermonitorer, de är också kraftfulla verktyg för forskning om ämnen från jordbruk till förnybar energiproduktion.

Kommersiella väderstationer kan kosta tusentals dollar, begränsar både deras tillgänglighet och därmed mängden klimatdata som kan samlas in. Men tillkomsten av 3D-utskrift och billiga sensorer har gjort det möjligt att bygga en väderstation för några hundra dollar. Kan dessa vara billiga, hemodlade versioner fungerar lika bra som deras dyrare motsvarigheter?

Svaret är ja - upp till en punkt, enligt forskare, som satte en 3D-tryckt väderstation på prov i Oklahoma. Adam K. Theisen, en atmosfärisk och jordvetare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, ledde projektet, som jämförde den tryckta stationen med en kommersiell station i åtta månader för att se om den var korrekt och hur bra den kunde hålla emot elementen.

Tredimensionell utskrift använder digitala modeller för att producera fysiska föremål i farten. Dess låga kostnad och möjligheten att skriva ut delar vart du än kan dra en skrivare kan hjälpa till att utöka antalet stationer, hjälpa till att få datainsamling till avlägsna områden och utbilda morgondagens forskare.

Ett team vid University of Oklahoma följde vägledningen och öppna källplaner som utvecklats av 3D-tryckt automatisk väderstation (3-D-PAWS) -initiativ vid University Corporation for Atmospheric Research för att skriva ut över 100 väderstationsdelar. Istället för att använda polymjölksyra, vanligare vid 3D-utskrift, de vände sig till akrylnitrilstyrenakrylat, en typ av plasttråd som anses vara mer hållbar utomhus. Tillsammans med billiga sensorer, de 3D-tryckta delarna utgör grunden för dessa nya system, som 3-D-PAWS-initiativet fastställde som lovande i tidigare experiment.

"För att detta ska få en mer utbredd adoption, det måste gå igenom verifierings- och valideringsstudier så här, "Sa Theisen.

Medan det 3D-tryckta systemet började visa tecken på problem ungefär fem månader in i experimentet-den relativa fuktighetssensorn korroderade och misslyckades, och vissa delar försämrades eller gick sönder-dess mätningar var i nivå med dem från en kommersiell station i Oklahoma Mesonet, ett nätverk som designats och implementerats av forskare vid University of Oklahoma och vid Oklahoma State University.

"Jag förväntade mig inte att den här stationen skulle prestera nästan lika bra som den gjorde, "sa Theisen." Även om komponenter började försämras, resultaten visar att den här typen av väderstationer kan vara livskraftiga för kortare kampanjer. "

Theisen, som var baserad vid University of Oklahoma när forskningen började, fortsatte att övervaka ansträngningen efter att ha anslutit sig till Argonne.

I experimentet, lågkostnadssensorerna exakt uppmätta temperatur, tryck, regn, UV och relativ luftfuktighet. Med undantag för ett par instrument, plastmaterialet som hölls i Oklahoma-vädret från mitten av augusti 2018 till mitten av april året efter, en period som såg kraftiga regnskurar, snö och temperaturer från 14 till 104 grader F (-10 till 40 grader C). En 3D-tryckt vindmätare, som mäter vindhastighet, presterade inte lika bra, men kan delvis förbättras med bättre utskriftskvalitet.

Projektet, som leddes av studenter vid University of Oklahoma, bekräftade både noggrannheten hos en 3D-tryckt väderstation och dess värde som ett utbildningsverktyg.

"Eleverna lärde sig färdigheter som de inte skulle ha tagit upp i klassrummet, "Theisen sa." De utvecklade förslaget, designade ramen, och gjorde det mesta av utskrift och kabeldragning. "

Möjligheten att skriva ut specialkomponenter kan göra väderstationer mer möjliga i avlägsna områden eftersom reservdelar kan tillverkas direkt när det behövs. Och även om en billigare sensor går sönder efter några månader, matematiken fungerar fortfarande för en låg budget.

"Om du pratar om att byta ut två eller tre av dessa billiga sensorer kontra att underhålla och kalibrera $ 1, 000 sensorer varje år, det är en stark kostnad-nytta att tänka på, "noterade Theisen.

Studien publicerades i tidskriften Atmosfäriska mättekniker , 4 september, 2020.