Sensoren

Die wichtigste Aufgabe bei einem Stratosphärenflug ist es, Daten während des Fluges zu gewinnen. Dazu haben wir uns überlegt, welche Sensoren und Experimente wir mitfliegen lassen wollen. Wichtige Kriterien dabei waren:

  • 3,3V Betriebsspannung
  • niedriger Stromverbrauch
  • sehr geringes Gewicht
  • großer Temperaturbereich
Sensorzunge mit Temperatur-, Licht- und Feuchtigkeitssensor

Sensorzunge mit Temperatur-, Feuchtigkeits- und Lichtsensor (letzterer nicht im Bild)

Da ein Temperatursensor, der Lichtsensor, der Luftfeuchtesensor und die Temperaturdiode vom Solarladeregler außerhalb des isolierten Gehäuses liegen müssen, haben wir hierfür eine Sensorzunge entwickelt. Diese ist über ein Flachbandkabel mit der Hauptplatine verbunden und ragt durch einen kleinen Schlitz im Gehäuse ca. 3cm ins Freie.

Hauptplatine und Sensorzunge haben Sensoren für folgende Messgrößen:

 

Temperatur Aussen

Es gibt eine Vielzahl von digitalen Temperatursensoren. Angefangen vom einfachen LM75 über hochpräzise, berührungslose Infrarotsensoren. Da nicht jeder Sensor den Anforderungen eines Ballonflugs genügt, wurden folgende Kriterien zur Auswahl verwendet:

  • Temperaturbereich bis -50°C
  • Digitaler Ausgang
  • Hohe Auflösung und Genauigkeit
  • 3,3V Betriebsspannung
  • Geringer Energieverbrauch

Nach einiger Recherche fielen folgende Sensoren in die engere Auswahl:

BezeichnungAnschlußGehäusePräzision
DS18B201WireTO9212 Bit, 0,5°C Genauigkeit
MAX31725I²CTDFN16 Bit 0,5°C Genauigkeit
DS1726SPIμSOP-812 Bit, Genauigkeit unter 0°C nicht spezifiziert
ADT7310TRZSPISO-816 Bit 0,4°C Genauigkeit ab -40 °C bis +105°C

Die Wahl fiel letztendlich auf den ADT7310TRZ. Ausschlaggebend waren die überzeugenden Spezifikationen im Datenblatt sowie das vergleichsweise große Gehäuse. Leider ist er auch der teuerste Chip.

  • Modell: ADT7310TRZ von Analog Devices
  • Eingangsspannung: 2,7V bis 5,5V
  • Stromaufnahme: 200μA
  • Gewicht: 0,1 g
  • Temperaturbereich: -40°C bis 105°C
  • Besonderheiten: Automatische Messung jede Sekunde
  • Bezugsquelle: Farnell
  • Preis: 4,65 €

 

Temperatur Innen

Die Jugendgruppe hat für die H20 Fieldweek 2012 eine Styropor-Isolationsbox für Trockeneis gebaut. Diese war in der Lage, die -78,48°C kalten CO2 Nuggets über mehrere Tage zu erhalten. Beeindruckt von dieser Isolationsfähigkeit möchten wir den Temperaturverlauf innerhalb der Nutzlast ebenfalls protokollieren. Aus diesem Grund wird ein weiterer Temperatursensor im Innenraum angebracht.

Obwohl der Ladungsmesser bereits die Temperatur misst, wird für die Innentemperatur ein zusätzlicher Sensor verwendet. Es war unklar, ob die Messergebnisse des LTC2942 nicht evtl. durch Abwärme des benachbarten Ladereglers verfälscht werden. Es werden aber beide Messwerte protokolliert, so dass sich Abweichungen später ermitteln lassen. Nach der Auswertung dieser Daten kann dann entschieden werden, ob bei zukünftigen Nutzlasten nur noch der kombinierte Sensor verwendet werden kann.

Für den Innenraumsensor wird der gleiche Typ wie für den Außensensor verwendet.

Luftdruck

Einen Luftdrucksensor zu finden, der den Anforderungen einer Ballonmission gerecht wird, war nicht einfach. Viele der bekannten Sensoren messen in einem Bereich von 800 bis 1200 hPa, sind also für den Luftdruck am Boden ausgerichtet. In den Höhen, die der Ballon erreicht, sinkt der Druck auf ca. 12 hPa. Es wird also ein Sensor benötigt, der auch in diesem Bereich noch sinnvolle Messwerte liefert.

Gut erhältlich ist der HP03 von HopeRF, der allerdings nur bis 300hPa spezifiziert ist. Dies entspricht einer Flughöhe von 9 Kilometern. Für die geplante Anwendung ist das bei weitem nicht ausreichend. Ein anderer, noch erhältlicher Sensor ist der MS5534 von Measurement Specialties, der einen Messbereich von 10 – 1100 hPa aufweist. Der Druck wird absolut mit einer Auflösung von 16 Bit gemessen und digital ausgegeben.

Leider hat dieser Sensor einige Nachteile: Das digitale Interface ist SPI ähnlich, aber nicht SPI kompatibel. Er benötigt also einen eigenen Datenport. Außerdem benötigt er einen externen 32,768 kHz Takt. Weiterhin muss eine Temperaturkompensation der gemessenen Werte in Software erfolgen. Da auch nach intensiver Recherche kein weiterer brauchbarer Sensor gefunden wurde, fiel die Wahl dennoch auf den MS5534C. Der notwendige 32,768kHz Takt wird von einem Counter des Propellers erzeugt.

  • Modell: MS5534C von Measurement Specialties
  • Eingangsspannung: 2,2V – 3,6V
  • Stromverbrauch: 1mA
  • Messbereich: 10 hPa – 1100 hPa
  • Schnittstelle: SPI-ähnlich
  • Gewicht: 0,3 g
  • Temperaturbereich: -40°C bis 125°C
  • Besonderheiten: Benötigt externen Takt, Schnittstelle nicht SPI-kompatibel
  • Bezugsquelle: ELV
  • Preis: 20,47 €

 

GPS

Zur Positions-, Geschwindigkeits- und Höhenbestimmung wird ein GPS Modul benötigt. Dieses sollte klein, leicht und sparsam im Stromverbrauch sein. In der Jugendgruppe sind mehrere JRC-GPS Module vorhanden, die jedoch wegen ihres Stromverbrauchs von 150 mA ungeeignet waren. Ein ebenfalls verfügbares Venus648 Modul von Sparkfun stellte sich als deutlich sparsamer und leichter heraus.

Das Modul wurde für die Ballonmission zur Verfügung gestellt, so dass kein neues GPS-Modul erworben werden muss.

  • Modell: Venus638FLPx von SkyTraq Technology
  • Eingangsspannung: 2,8V – 3,6V
  • Stromverbrauch: 29mA wenn Fix
  • Genauigkeit: Position: 2,5m
  • Schnittstelle: UART TTL
  • Startzeit: 29 sek. Kaltstart
  • Ausgabeformat: GGA, GSSA, GSV, RMC, VTG
  • Gewicht: 23g incl. Antenne
  • Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
  • Besonderheiten: Antenne mitgeliefert
  • Bezugsquelle: Sparkfun
  • Preis: 37,53 €

 

Luftfeuchtigkeit

Neben Temperatur und Luftdruck gehört die Luftfeuchtigkeit zu den Standardmessgrößen einer Wetterstation. Daher darf ein Feuchtesensor auch in der Ballonnutzlast nicht fehlen. Folgende Kriterien wurden für die Auswahl verwendet:

  • Temperaturbereich bis -50°C
  • Digitaler Ausgang
  • Hohe Auflösung und Genauigkeit
  • 3,3V Betriebsspannung
  • Geringer Energieverbrauch

Diese Kriterien werden sowohl vom SHT75 als auch vom HYT271 erfüllt. Obwohl der SHT75 preisgünstiger ist und eine bessere Bauform besitzt, entschieden wir uns gegen diesen Sensor, da das Interface zwar elektrisch I²C komatibel ist, das verwendete Übertragungsprotokoll jedoch nicht.

  • Modell: HYT271 von Hygrochip
  • Eingangsspannung: 2,7V – 5,5V
  • Stromverbrauch: 850 μA
  • Messbereich: 0 – 100% rF, -40 - +125°C
  • Schnittstelle: I²C
  • Gewicht: 0,5 g
  • Temperaturbereich: -40°C bis +125°C
  • Besonderheiten: I²C Adresse kann umprogrammiert werden
  • Bezugsquelle: Farnell
  • Preis: 25,00 €

 

Lagesensor

Mit einem Lagesensor wollen wir die Beschleunigungen während des Aufstiegs, Abstiegs und bei der Landung messen, sowie die Rotationen während des Fluges, um z.B. beim nächsten Start Aerodynamische-Stabilisatoren anbringen zu können. Außerdem nutzen wir den Kompass, um die Richtung der Kameras zu bestimmen. Der MPU-9150 ist gut erhältlich und ist derzeit das „Flaggschiff“ unter den 3D Bewegungssensoren. Er verfügt über:

  • 3-Achsen Gyroskop
  • 3-Achsen Accelerometer (Beschleunigungssensor)
  • 3-Achsen Magnetometer
  • Rechenwerk zur Verarbeitung der Rohdaten

Hier die technischen Details im Überblick:

  • Modell: MPU-9150 von InvenSense Inc.
  • Eingangsspannung: 2,3V – 3,46V
  • Stromverbrauch: 3,9 mA
  • Schnittstelle: I²C
  • Gewicht: 0,2 g
  • Temperaturbereich: -40°C bis +85°C
  • Besonderheiten: I²C Proxy Modus
  • Bezugsquelle: Scantec-Shop
  • Preis: 20,13 €

 

Lichtintensität

Da die Solarzelle nicht zur Bestimmung der Lichtintensität verwendet werden kann, wird ein Helligkeitssensor benötigt. Hier sollte ein Sensor zum Einsatz kommen, der die Intensität des sichtbaren Spektrum in einer nachvollziehbaren Einheit ermittelt. Ein einfacher Fotowiderstand schied somit aus.

Nach langer Suche wurden wir mit dem TSL2561 fündig. Dieser Sensor wird u.a. für die Belichtungsmessung eingesetzt und besitzt 2 Sensorkanäle. Ein Kanal besitzt einen Infrarotfilter und misst nur das infrarote Spektrum, der zweite Kanal misst technisch bedingt sowohl sichtbares Licht als auch Infrarot. Mittels einer Korrekturrechnung kann so die Lichtintensität in der Einheit Lux für das vom Menschen wahrnehmbare sichtbare Licht ermittelt werden.
Obwohl der Temperaturbereich nur bis -30°C spezifiziert ist, hoffen wir, dass dieser Sensor auch bei tieferen Temperaturen nicht ausfallen wird.

  • Modell: TSL2561 von TAOS
  • Eingangsspannung: 2,7V – 3,8V
  • Stromverbrauch: 0,6mA
  • Messbereich: 0 – 65535 Lux
  • Schnittstelle: I²C
  • Gewicht: 0,1 g
  • Temperaturbereich: -30°C bis +70°C
  • Besonderheiten: Zweiter Kanal für Korrekturwert Infrarotspektrum
  • Bezugsquelle: Farnell
  • Preis: 2,37 €

2 Gedanken zu „Sensoren

  1. Koess Ruthemann

    Aussentemperatursensor:
    Wenn die Lufttemperatur in grossen Hoehen gemessen werden soll, so stellt sich folgendes Problem:
    Die Waermestrahlung der Sonne nimmt in grossen Hoehen weiter zu, waehrend die Dichte des zu messenden Mediums (Luft) stark abnimmt. Deshalb ist dafuer zu sorgen, dass die Messung nicht durch Strahlungseinfluesse zu sehr verfaelscht wird. Ich wuerde auf der Oberseite der Sensorzunge ausserhalb des Lichtsensors mit Waermeisolationszwischenlage AluFolie aufkleben, damit die Sensorzunge nicht zu stark von der Waermestrahlung der Sonne erhitzt wird. Die Qualitaet Eurer Messung laesst sich auf einfache Weise ueberpruefen: Vergleicht die Temperatur bei Aufstieg und Fall am Fallschirm: In gleichen Hoehen sollten etwa gleiche Temepraturen zu messen sein. Wenn derUnterschied groesser als 10 grad sein sollte, so war die Temepraturmessung wenig glaubwuerdig!

    GPS Empfaenger:
    Zivile GPS Empfaenger unterliegen einer Beschraenkung:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System#Restrictions_on_civilian_use
    Zur Vereinfachung stoppen manche GPS Empfaenger den Empfang bereits dann, wenn eine der Bedingungen erfuellt ist (obwohl laut Vorschrift nur beide Bedingungen "AND" erfuellt sein muessen). Leider habe ich keine Angaben zum Verhalten Eures Empfaengers gefunden.

    Wuensche viel Erfolg fuer Eure Mission! DB1MRK

    1. DL7PNP Artikelautor

      Hallo DB1MRK,

      vielen Dank für dein Interesse am Propellerballonprojekt!

      Der Temperatursensor sowie der Luftfeuchtigkeitssensor auf der Unterseite der Sensorzunge werden mit etwas Styropor und Schrumpfschlauch bedeckt sein. Der Lichtsensor muss natürlich frei bleiben. Die Idee mit dem Vergleich der Temperaturen beim Auf- und Abstieg ist sehr gut.

      Zum GPS-Empfänger haben wir folgenden Link gefunden:
      http://wiki.whitestarballoon.com/doku.php?id=hardware:flightcomputer:venusgps
      Wir sollten damit also GPS-Daten auch in großen Höhen empfangen können.

      Sollte bei unserem ersten Start auf der HAM-Radio 2013 alles reibungslos funktionieren, werden wir unser Projekt evtl. als Hauptnutzlast auf der Fieldweek 2013 starten lassen. Dann mit eigenem Telemetriesender (siehe Erweiterungen) und hochauflösenderen Kameras, sowie neuen Experimenten.

      vy 73 de Pascal, DL7PNP

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