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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Barometric height measurement, high resolution (german/english)


Autor: Sascha W. (bucky2k)
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**********Artikel in Deustch weiter unten*************

Hi,

two years ago I already mentioned my interest in measuring the height of 
jumps during kitesurfing. A first approach with accelerometers and gyros 
showed difficulties extracting the neccessary data from the signal, 
especially due to changing orientations of the surfer. Also the cost for 
the hardware is quite high.
I already studied some of the articles in the german community, but in 
parallel I would like to post my project here in order to benefit from 
your experience and ideas in hardware development. Thanks for that in 
advance!

There are some sensors on the market, already calibratet, temperature 
compensated and with an internal ADC. But since these are made for 
measurements in the range of several hundret meters, the resolution is 
not sufficient for my intended tolerance of about 10cm.

I am aware of the problems to achieve this tolerance, especially because 
of pressure disturbances due to wind and movement. Also a high sampling 
rate is needed in order to be able to apply filters and to catch the 
highest point.

However, I would like to try how accurate a good hardware can be. Some 
advantages are, thet the temperature can be kept almost constant and 
that the system can calibrate its ground level almost continously or at 
least every few minutes before the next jump. Also a range from -5 to 
20meters would be sufficient, which makes a high resolution ADC 
obsolete. But the hardware must be able to set the offsetcorrection 
properly and the signal has to be amplified introducing a minimum of 
extra noise. In the end, remaining deviations could be reduced by using 
a 3-D accelerometer.

Waht do you think, possible? In the following I will post my first tests 
and what I am planning to do next. I would appreciate some comments and 
hints form your side :-)

Bucky2k



Hallo,

schon vor ca. 2 Jahren habe ich hier in einem Artikel kundgetan, dass
ich Interesse an einer Sprunghöhenmessung beim Kitesurfen habe. Eine
erste Idee mit Beschleunigungssensoren und Gyroskopen wurde zunächst
zurückgestellt, da der Kosten/Nutzenfaktor doch fraglich ist. Auch haben
erste Datenreihen, aufgenommen mit einem IPod Touch, einen schwer
auswertbaren Verlauf ergeben, da die Orientierung des Surfers zu oft
wechselt.
Ich habe bereits einige Artikel hier im Forum und in anderen Quellen
gelesen, möchte hier aber parallel dazu nach und nach mein Vorhaben
beschreiben und durch eure Kritiken und Erfahrung in der
Hardwareentwicklung hoffentlich ein zufriedenstellendes Ergebnis
erlangen. Dafür im Vorfeld schon einmal vielen Dank :-)

Es gibt ja nun einige fertige Sensoren, bereits kalibriert,
temperaturkompensiert und mit integriertem ADC. Da diese aber auf einen
Messbereich von vielen hundert Metern ausgelegt sind, kommen diese nicht
auch die von mir angepeilten 10cm Messungenauigkeit.

Mir ist bewusst, dass diese Toleranz schwer zu erreichen ist, dazu noch
im mobilen Einsatz bei Druckschwankungen durch Wind und Bewegung. Um die
Chance zu haben, das Signal auf plausibilität zu prüfen, ist also eine
hohe Samplingrate nötig. Dies auch im Hinblick auf den zeitlichen
Verlauf eines Sprunges und die kurze Aufenthaltsdauer am oberen
Umkehrpunkt.

Dennoch möchte ich schauen, was mit einem durchdachten Hardwareaufbau
machbar ist. Vorteil ist, dass Temperatureinflüsse begrenzt sind
(Akklimatisierung des Gerätes vor dem Einsatz) und das Gerät im Prinzip
kontinuierlich auf Meereshöhe genullt werden kann (vor dem Sprung oder
alternativ auch alle 30 min vor dem nächsten Einsatz). Auch kann der
Messbereich auf z.B. -5 - 20meter begrenzt werden, was eine hochgenaue
ADC Wandlung überflüssig macht. Es muss dann aber bei der Nullung der
Höhe durch die Hardware eine Offsetkorrektur erfolgen und das Signal
möglichst Rauschfrei verstärkt werden. Verbleibende Ungenauigkeiten
könnten am Ende ggf. noch durch Zuhilfenahme eines 3-D
Beschleunigungssensors verringert werden.

Was meint ihr, machbar? Im folgenden werde ich mal meine Vorhaben und
bisher gemachten Tests kund tun und freue mich über hilfreiche
Anregungen.

Bucky2k

: Verschoben durch Admin
Autor: Sascha W. (bucky2k)
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Ok, erste Erkenntnisse:

Die Sensoren MPX4100 sind durch das Eigengewicht und die Trägheit der 
Membrane recht empfindlich bezüglich ihrer Lage und 
Vibrationen/Beschleunigungen. Ich werde daher zwei Sensoren Rücken an 
Rücken montieren und hoffe damit, dass sich die Störungen gegenseitig 
ausgleichen.

Nun habe ich ja (bei diesem Sensortyp) zwei mal ca. 4,5 V Signal. Der 
mich interessierende Bereich ist aber bei ca. 0,12 mBar / m, einem 
Bereich von ca. 25m und 54 mV/kPa = 16,2 mV. setze ich beide 
Sensorsignale auf einen Instrumentenverstärker habe ich je nach 
Bauteiltoleranz diese 16mV plus die Abweichung zwischen den 
Ausgangssignalen der Sensoren. In dieser Stufe ist eine Verstärkung von 
200-300 um die 25m/16mV auf den ADC Bereich zu spreizen also nicht 
möglich. Der erste Instrumentenverstärker müsste ich wohl mit 
Verstärkung 1 laufen lassen und einen weiteren Instrumentenverstärker, 
der mittels vom µC gesteuerten digitalen Poti den BT-bedingten Offset 
rausnimmt, für die Verstärkung realisieren. Aber bis hier hin habe ich 
doch schon massig Rauschen mit in mein Signal geholt oder? Wie kann man 
das ganze sonst machen?
PS: Das ganze soll nachher auf Batterie laufen, stabile negative 
Spannungen also auch nicht so einfach, die Verstärker sollten gegen 
Ground arbeiten können.

Gruß,

Bucky

Autor: Bernhard R. (barnyhh)
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Es gibt Differenzdruck-Sensoren mit recht niedrigem Meßbereich. Siehe 
z.B. SDP10xx bis SDP1108 (z.B. bei Conrad). Wenn die eine Luftzuleitung 
über einen entsprechenden "Tiefpaß" an die Umgebungsluft geht, die 
andere ohne diesen Tiefpaß, dann sollte das ohne großen Abgleich ... 
sauber arbeiten.

Grüßle
Bernhard

Autor: Sascha W. (bucky2k)
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Das ist eine sehr gute Idee... Sprich ein möglichst kleines und damit 
stabiles Volumen auf der einen Seite mit einer Kapillare zur Umgebung. 
Schwierig ist nur die mechanische Umsetzung, damit man eine ausreichend 
große Zeitkonstante für den Tiefpass hinbekommt... Definitiv einen 
Gedanken wert...

Autor: Sascha W. (bucky2k)
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Aber sowas müsste es doch auch fertig geben, oder? Kennt jemand einen 
Sensor mit höherer Empfindlichkeit als 54mV/kPa absolut?

Autor: Gast (Gast)
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Der SCP1000 hat eine Auflösung von 1,5 Pascal. Das reicht für 15cm. Aber 
nur zwei Messwerte pro Sekunde.

Autor: Peter Z. (peter2)
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Hallo,
ich habe mal mit XFPM Sensoren gearbeitet und wollte ebenfalls mBar 
herausholen. Das Problem ist bei diesen Sensoren das sie in diesen 
feinen Bereichen driften. Du wirst um eine Kurzzeitkorrektur nicht 
herumkommen. Ich konnte meinen Sensor auf ungefair 10mBar genau 
kurzfristig auslesen. Ich hatte allerdings nur einen Sensor aber dafür 
eine stabiele Temperatur und Lage. Der Sensor selbst ist über die 
Zeit(15 Minuten) um ca 0,6mV getriftet. (Bei relativ gleichbleibender 
Temperatur.) Zur Messung(von der Drift) wurde übrigens ein 6 1/2 
stelliges Multimeter benutzt. Ich denke mal das diese schon sehr gute 
Messverstärker haben. Ich konnte leider keine anderen Sensoren 
untersuchen.
Gruß
Peter

Autor: Marko (Gast)
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Autor: Gast XIV (Gast)
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Wind ist ein Differenzdruckausgleichsphänomen ;-).

Wie soll eine barometrische Messung dieses Phänomen inkl. 
Luftverwirbelungen von Druckänderungen durch Höhe unterscheiden?

-

Das einzig stabile was mit einfällt bei dieser Applikation in den Sinn 
kommt ist das Magnetfeld der Erde.

Du kennst die Lage des Feldes, und weißt wie schnell und in welcher 
Richtung es durcheilt wird. Außerdem ist so'n Board groß genug um Spulen 
einzulegen und auch nicht magnetisch .

Autor: Sascha W. (bucky2k)
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Marko wrote:
> Much more accurate:
>
> http://lea.hamradio.si/~s53mv/radalt/radalt.html
>
> :)

Unfortunately not possible due to arbitrary orientation of the measuring 
device (rotations, upside down, etc.)

Autor: Sascha W. (bucky2k)
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Peter Z. wrote:
> Hallo,
> ich habe mal mit XFPM Sensoren gearbeitet und wollte ebenfalls mBar
> herausholen. Das Problem ist bei diesen Sensoren das sie in diesen
> feinen Bereichen driften. Du wirst um eine Kurzzeitkorrektur nicht
> herumkommen...
> Gruß
> Peter

Gast XIV wrote:
> Wind ist ein Differenzdruckausgleichsphänomen ;-).
>
> Wie soll eine barometrische Messung dieses Phänomen inkl.
> Luftverwirbelungen von Druckänderungen durch Höhe unterscheiden?
>
>


Beides sollte kein Problem darstellen, da meine maximale "Flugzeit" bei 
10 Sekunden liegt. Dazwischen bewege ich mich auf konstanter Höhe mit in 
der Regel max. 1m Schwankung durch Wellengang. Es kann hier aber 
beliebig lang bis zum Absprung gemittelt werden.

Generell schafft ja schon jeder billig Fahrradcomputer 20cm Auflösung, 
wohlgemerkt mit langer Mittelwertbildung. Alles was ich brauche ist eine 
hohe Samplingrate um auch noch genug mitteln zu können und eine 
mechanische Anordnung die vor Wasser schützt und Druckschwankungen durch 
die Bewegung beim Surfen minimiert... Frei nach dem Motto " So schwer 
kann das nicht sein"

Heute am Oszilloskop konnte ich schon 10cm Auflösen, mit ner simplen 
Instrumentenverstärkerschaltung ohne Kondensatoren, ohne stabile 
Spannungsquelle, alles auf Lochraster und wilder Verdrahtung. Noch habe 
ich Hoffnung das Design etwas zu verfeinern^^

Was ich jetzt herausfinden muss, ob ich einen Absolutsensor mit höherem 
Signal/Druckverhältnis finde, einen versuche sauber zu verstärken oder 
die Idee mit dem empfindlicherem Differenzdrucksensor. Bei letzterem 
sehe ich derzeit das Größe Potential, eine Seite verschließen bei 
~1013mBar, Drift durch Temperatur, Druckverlust, etc. durch häufiges 
Nullsetzen ausgleichen, fertig... Oder übersehe ich etwas gravierendes?

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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> Gast XIV wrote:
>> Wind ist ein Differenzdruckausgleichsphänomen ;-).
>>
>> Wie soll eine barometrische Messung dieses Phänomen inkl.
>> Luftverwirbelungen von Druckänderungen durch Höhe unterscheiden?

Ich schätze mal, ohne das nachgerechnet zu haben, ein kräftiger 
Windstoss gegen die Apparatur zeigt mal schnell einen Sprung von 100 m 
an, oder auch minus 100m, was ganz neue Aspekte ergibt.

Zur Erklärung (ist scheint es nötig): Wind erzeugt auch Differenzdruck, 
wird als Staudruck bezeichnet.

Gruss Reinhard

Autor: Sascha W. (bucky2k)
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Nun, ich teile die Sorge, dass inbesondere in den Situationen wo hohe 
Sprünge möglich sind (7 BFT) die Staudrücke und den Körper umgebenden 
Wirbel das größte Problem darstellen. Dennoch möchte ich zunächst eine 
möglichst präzise Hardware haben, um weitere Messungen zu ermöglichen. 
Ich kann vor dem Sprung lange mitteln, da sind mir Verwirbelungen egal, 
Staudruck durch die Relativgeschwindigkeit des Windes zum Surfer muss 
Konstruktiv verhindert werden (sollte kein großes Problem sein). Während 
des Sprungs kann ich wenn die Signalschwankungen zu groß werden ja noch 
mittels physikalischen modellen und durch die Accelerometer beisteuern.

Autor: Jan Bolting (Gast)
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Moin,

Intersema (www.intersema.ch) bietet Sensoren mit SPI-Bus an. Der neueste 
bietet eine Genauigkeit von 1,5m und eine Auflösung von 0,2m bei einer 
Messrate von >10Hz (MS5607-B). eher verfügbar sollte der MS5534 sein 
(1m/1,5m/~10Hz), den gibt's auch einzeln bei www.amsys.ch

Gruß,
Jan

Autor: Sascha W. (bucky2k)
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Vielen Dank,

derzeit arbeite ich mit einem Bosch BMP085 Chip, der eine noch höhere 
Genauigkeit verspricht. Noch habe ich allerdings keine abschließenden 
Ergebnisse, die Zeit fehlt einfach...

Gruß,

Bucky

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