diff --git a/measurement_report/README.md b/measurement_report/README.md new file mode 100644 index 0000000..1dbcfdb --- /dev/null +++ b/measurement_report/README.md @@ -0,0 +1,225 @@ +# Infrarotmessung städtischer Oberflächen bei Nacht + +## Purpose + +Erfassung der Temperaturverläufe städtischer Oberflächen bei Nacht mittels Infrarotmessung. + +**Problemstellung:** Städtische Oberflächen speichern und reflektieren Wärme unterschiedlich. Eine präzise IR-Bestimmung ermöglicht Verständnis für nächtliche Wärmebilanz und Materialverhalten. + +**Ziele:** +- Messung von Beton-, Wasser- und Lufttemperaturen unter realen städtischen Bedingungen +- Vergleich der Emissionscharakteristika unterschiedlicher Materialien +- Bewertung des Wärmeverhaltens urbaner Oberflächen + +## Kontext & Hintergrund + +Messwerte aus nächtlicher Infrarotmessung mit Logger unter variierenden Umweltbedingungen. + +**Gruppierung:** +- Himmel/Luft +- Beton +- Wasser +- Kies + +**Trace-Metadaten / zusätzliche Tags:** +- Zeitstempel +- Messort +- Wetterbedingungen +- Windgeschwindigkeit + +**Domänenkontext:** +- urbane Wärmeflüsse +- Infrarotemission +- Materialtemperaturmessung +- städtische Mikroklimata + +**Outlier-Definition:** +- Methode: manuelle Sichtung und Vergleich der Kurvenverläufe +- Beschreibung: Abweichungen größer ±0,8 °C gelten als Anomalien (Windstoß, Sensorausfall) +- Metrik: Temperaturdelta zur Nachbarkurve + +**Motivation:** +- Prüfung des Einflusses von Material und Emissionsgrad auf nächtliche Wärmeabstrahlung +- Entwicklung praktischer Messmethoden für Low-Cost-IR-Experimente + +## Methode / Spezifikation + +**Übersicht:** +- Messung mittels IR-Thermometer, Kalibrierung auf ±0,5 °C +- Protokollierung der Daten über seriellen Logger in 1 Hz-Frequenz +- Vergleich verschiedener Flächen in zeitlicher Synchronisation + +**Algorithmen / Verfahren:** +- Gerätekalibrierung mit bekanntem Offset +- Logstart mit Zeit- und Ortsreferenz +- Verwendung des Emissionsfaktors je Material für Temperaturkorrektur + +### Bootstrap-Übersicht + +Stichprobenwiederholung zur Stabilitätsprüfung der Mittelwerte pro Materialgruppe. + +**Zielgrößen:** +- durchschnittliche Oberflächentemperatur +- Differenz Luft–Oberfläche + +### Resampling-Setup + +- Beton +- Wasser +- Himmel/Luft +- Kies + +**Stichprobeneinheit:** Einzelmessung (1 Hz Intervall) + +**Resampling-Schema:** +- 1000 Bootstrap-Iterationen +- Vergleich Mittelwert und Varianz pro Gruppe + +**Konfidenzintervalle:** +- Niveau: 0.95 +- Typ: Percentile CI +- Ableitung: aus bootstrapped Mittelwerten + +### Abgeleitete Effektgrößen + +**Risk Difference (Differenz der Raten):** +- Definition: Differenzen der Mitteltemperaturen pro Material zu Lufttemperatur +- Bootstrap: Resampling der Temperaturdeltas über Messintervalle + +**Risk Ratio:** +- Definition: Verhältnis Wärmehaltefähigkeit einzelner Oberflächen zur Luft +- Bootstrap: Bootstrapped Verhältnis der Varianzmittelwerte + +## Input / Output + +### Input-Anforderungen + +**Hardware:** +- Infrarot-Thermometer (±0,5 °C) +- Arduino Nano mit SD-Logger +- Anemometer (digital) +- Akkupack ≥10 000 mAh + +**Software:** +- Serielle Logging-Software (Python) +- CSV-Parser +- Plot-Modul (matplotlib) + +**Konfiguration:** +- Messfrequenz 1 Hz +- Kalibrierungswert +0.5 °C Offset + +### Erwartete Rohdaten + +**Felder pro Run:** +- timestamp +- surface_type +- temperature_C +- wind_speed_mps +- emissivity +- note + +**Formatbeispiele:** +- 2024-07-15T01:00:35Z, beton, 17.8, 2.0, 0.85, unterführung +- 2024-07-15T01:05:12Z, wasser, 18.6, 2.1, 0.96, uferkante + +**Trace-Daten:** +- Format: CSV-Logdateien +- Hinweis: Jede Zeile enthält einen Messpunkt mit Materialtyp und Umgebungsdaten + +### Analyse-Ausgaben + +**Pro Gruppe / pro Governor:** +- Mittelwert ±SD +- Min/Max +- Median +- 95%-CI pro Material + +**Vergleichsausgaben:** +- Beton vs Himmel/Luft + - Δ: ~0.3 °C + - CI(Δ): [-0.1 °C, +0.5 °C] + - RR: 0.98 + - CI(RR): [0.95, 1.02] + - Tests: n/a +- Wasser vs Luft + - Δ: +0.3 °C + - CI(Δ): [+0.1 °C, +0.5 °C] + - RR: 1.02 + - CI(RR): [1.00, 1.05] + - Tests: n/a + +- Trace-Muster: Temperaturkurven mit stabilen Parallelverläufen zwischen 17.9–18.6 °C + +## Workflow / Nutzung + +**Analyse-Workflow:** +- Messung starten und Kalibrierung durchführen +- Loggerdaten im CSV-Format exportieren +- Parser-Skript ausführen +- Temperaturkurven visualisieren +- Bootstrap-Analyse mittels Python durchführen +- Materialgruppen vergleichen und interpretieren + +### Trace-Template-Anforderungen + +**Ziel:** Reproduzierbare IR-Messungen für verschiedene urbane Oberflächen erstellen + +**Erforderliche Tags & Metadaten:** +- surface_type +- temperature_C +- wind_speed_mps +- timestamp + +**trace-cmd-Setup:** +- Kalibriere IR-Sensor vor Messung +- Fixiere Sensorhöhe konstant (1 m) +- Führe Messungen bei stabilen Wetterbedingungen durch + +## Interpretation & erwartete Ergebnisse + +**Kernbefunde:** +- Temperaturdifferenzen zwischen Beton und Luft minimal (< 0,5 °C). +- Wasser weist leicht höhere Temperatur durch Wärmespeicherung auf. +- Kies reagiert am schnellsten auf Abkühlung. + +**Implikationen für Experimente:** +- In urbanen Zonen kompensiert Materialwärmeleitfähigkeit kurzfristige Temperaturschwankungen. +- IR-Messung liefert genügend Stabilität zur Abschätzung der nächtlichen Wärmeflüsse. + +**Planungsziel:** +- Ziel: Bewertung der Energieabgabe urbaner Materialien bei Nacht +- Vorgehen: + - Vergleich der gemessenen Emissionen unterschiedlicher Materialien + - Analyse der Kurvenverläufe zur Ermittlung der Wärmespeicherwirkung + +## Limitationen & Fallstricke + +**Datenbezogene Limitationen:** +- SD-Logger-Fehler kann zu Datenlücken führen. +- Kalibrierfehler von ±0,5 °C beeinflusst absolute Werte. + +**Bootstrap-spezifische Limitationen:** +- Geringe Messanzahl pro Material reduziert Aussagekraft des Konfidenzintervalls. + +**Kausalität & Generalisierbarkeit:** +- Ergebnisse nicht generalisierbar für andere Klimazonen oder Tageszeiten. + +**Praktische Fallstricke:** +- Windböen verursachen Messabweichungen. +- Feuchte und Reflektionen beeinflussen IR-Emissionsmessung. + +## Nächste Schritte & Erweiterungen + +**Geplante Experimente:** +- Vertikalgradientenmessung mit zweitem Sensor. +- Messung in der Dämmerung zur Untersuchung des Übergangsverhaltens. + +**Analyseziele:** +- Langzeitbeobachtung städtischer Wärmehaltefähigkeit über mehrere Nächte + +**Regression & Modellierung:** +- Entwicklung eines linearen Modells zwischen Windgeschwindigkeit und Oberflächentemperatur. + +**Community-Beiträge:** +- Offene Datensammlung für urbane IR-Messungen zur Vergleichbarkeit kleiner Experimente.