Hallo,
ich möchte ein kleines Gerätchen für den Unterricht basteln, mit dem man
die relative Höhenveränderung mit Hilfe der Luftdruckveränderung
anzeigen lassen kann.
Sensor ist ein BME280, als library habe ich Seeed_BME280 installiert.
Plattform Arduino UNO, später dann atmega328
Barometrische Höhenformel ist 44330.0*(1-pow(P/P0,1/5.25588))
Da ich nur den relativen Unterschied haben will, setze ich im setup den
Bezugsdruck P0 auf den aktuellen gemessenen Druck (soll später mit einem
Taster immer wieder auf "wo bin ich jetzt" zurück gesetzt werden
können).
Im loop wird dann immer der aktuelle Druck P ermittelt. Wenn das Teil
nun flach auf dem Tisch liegt, müsste als Ergebnis immer 0 (Null)
rauskommen.
Das tut es auch, aber ich habe Schwankungen zwischen 0 und ca. 0,30
Also habe ich statt des angenommenen Standardwertes von 44330.0 eine
errechnete Variable eingesetzt, die die aktuelle Temperatur misst, in
Grad Kelvin umrechnet und durch 0,0065 teilt. Die Schwankungen bleiben
leider gleich groß.
Nächste Idee wäre, in der Bibliothek die Einstellungen für das
oversampling von 16x auf 1x oder 2x zu ändern. Leider weiß ich nicht,
wie sich der voreingestellte Hex-Wert 0xb7 für 16x oversampling
einstellen lässt.
Tobias H. schrieb:> ich habe Schwankungen zwischen 0 und ca. 0,30
Dann würde ich nicht sagen, dass das Ergebnis "zu genau" ist, sondern
eher im Rahmen der bzw. ggf. schlechter als die erwartete
Messgenauigkeit.
Müsste man halt mal mit dem Datenblatt abgleichen.
Tobias H. schrieb:> ich möchte ein kleines Gerätchen für den Unterricht basteln> mit dem man die relative Höhenveränderung anzeigen lassen kann.
Da gibt es doch diese Frage, wie man am besten die Höhe eines Turms
mit Hilfe eines Barometers messen kann. Eine der Antworten lautete:
Barometer fallen lassen, und die Sekunden zählen, bis es aufschlägt.
Harald W. schrieb:> Tobias H. schrieb:>>> ich möchte ein kleines Gerätchen für den Unterricht basteln>> mit dem man die relative Höhenveränderung anzeigen lassen kann.>> Da gibt es doch diese Frage, wie man am besten die Höhe eines Turms> mit Hilfe eines Barometers messen kann. Eine der Antworten lautete:> Barometer fallen lassen, und die Sekunden zählen, bis es aufschlägt.
LOL.
Aber irgendwie schon wahr.
Macht deine Lib eine Temperaturkompensation des Druckmesswertes? Die
muss unbedingt sein. Und in deiner Höhenformel kommt auch die Feuchte
der Luft nicht vor. Das gibt auch noch mal Ungenauigkeiten. Dazu misst
der Sensor ja auch Feuchte und Chiptemperatur, um das alles zu
kompensieren.
An sich ist der BME280 ein sehr guter Sensor, wenn man einen originalen
von Bosch bekommt. Bei Chinaplatinen weiss man das leider nicht...
Tobias H. schrieb:> Nächste Idee wäre, in der Bibliothek die Einstellungen für das> oversampling von 16x auf 1x oder 2x zu ändern.
Damit wird das Rauschen größer. Kapitel 3.6 Datenblatt.
Tobias H. schrieb:> Das tut es auch, aber ich habe Schwankungen zwischen 0 und ca. 0,30
War es Windstill?
Selbst mit einem Androiden-Wischfernsprecher und passender Software kann
man schön sehen, wie kleinste Luftdruckunterschiede passieren. Parallel
dazu kann man mit einer Thermokanne (Nicht die schraubbaren, sondern die
mit Federklappe) am Zischton hören wie sich der Umgebungsdruck ständig
ändert.
Tobias H. schrieb:> ich möchte ein kleines Gerätchen für den Unterricht basteln.> ...> Also habe ich statt des angenommenen Standardwertes von 44330.0 eine> errechnete Variable eingesetzt, die die aktuelle Temperatur misst, in> Grad Kelvin umrechnet und durch 0,0065 teilt.
Für den Unterricht solltest du dich mit den Einheiten an die
gesetzlichen Einheiten (in vermutlich Deutschland) und damit an das SI
halten.
Die Basiseinheit der Temperatur ist das Kelvin.
https://de.wikipedia.org/wiki/Internationales_Einheitensystem#Basisgr%C3%B6%C3%9Fen_und_Basiseinheiten
Eine Einheit "Grad Kelvin" gibt es seit 1967 nicht mehr.
https://de.wikipedia.org/wiki/Kelvin#:~:text=Die%20Bezeichnung%20war%20zun%C3%A4chst%20%E2%80%9EGrad,Temperatur%20des%20Tripelpunktes%20des%20Wassers.
Klaus schrieb:> Damit wird das Rauschen größer. Kapitel 3.6 Datenblatt.
Ja, 16x Oversampling und Mittelung sollten das Rauschen gegenüber
Einzelmessungen um einen Faktor 4 (= √(16)) verringern, falls elementare
Grundlagen der Statistik nicht außer Kraft gesetzt sind. Dafür muss man
nicht ins Datenblatt gucken. Das IST einfach so.
Der (saubere) theoretische Faktor 4 geht in der Tabelle 11 aus dem
Datenblatt allerdings etwas in Rundungsfehlern unter.
Tobias H. schrieb:> Im loop wird dann immer der aktuelle Druck P ermittelt. Wenn das Teil> nun flach auf dem Tisch liegt, müsste als Ergebnis immer 0 (Null)> rauskommen.>> Das tut es auch, aber ich habe Schwankungen zwischen 0 und ca. 0,30
0,30 Pa, nehme ich an? Oder etwa hPa? Sollte man den Schülern gar nicht
erst erlauben, Werte ohne Maßeinheit anzugeben ...
Lies mal das Datenblatt:
Auflösung 0,18 Pa,
Rauschen bei maximalem Oversampling und voller Bandbreite 1,3 Pa
Was erwartest du da?
Warum hat der Chip diese hohe Auflösung, obwohl er gar nicht so genau
misst (absoluter Fehler >1 hPA)? Weil er auch für andere Anwendungsfälle
gedacht ist, z. B. für Anwesenheitserkennung. Natürlich schwankt der
Druck, wenn da Personen drumrum sitzen. Oder wenn das Schlüsselloch
nicht zugeklebt ist und im Nachbarraum jemand die Kaffeemaschine
anstellt.
Rolf schrieb:> 0,30 Pa, nehme ich an? Oder etwa hPa?
0,30 hPa entspräche schon einem Höhenunterschied von 2.4 Metern. Das
wäre schlimm.
Eine Unsicherheit von 0,30 Pa wäre für den Sensor völlig im Rahmen.
> Sollte man den Schülern gar nicht> erst erlauben, Werte ohne Maßeinheit anzugeben ...
10+
Klaus schrieb:> Tobias H. schrieb:>> ich habe Schwankungen zwischen 0 und ca. 0,30>> Dann würde ich nicht sagen, dass das Ergebnis "zu genau" ist, sondern> eher im Rahmen der bzw. ggf. schlechter als die erwartete> Messgenauigkeit.> Müsste man halt mal mit dem Datenblatt abgleichen.
Danke, Klaus, das ist genau der richtige Hinweis. Daran hatte ich
überhaupt nicht gedacht.
Tobias H. schrieb:> Hat vielleicht jemand eine Idee dazu, oder gerne auch einen anderen> Ansatz?
Der Luftdruck schwankt immer etwas. Solltest mal den Vergleich zum Föhn
messen und wenn sich die Windräder in der Nachbarschaft drehen.
Dieter D. schrieb:> Der Luftdruck schwankt immer etwas.
Luftdruck ist eine makroskopische Größe, die sich als Mittel aus den
Stößen der Luftmolekülen z.B. auf das Sensorelement ergibt. Damit
rauscht der Wert zwangsweise. Aber in diesem Fall wird das wohl doch von
anderen, wesentlich kräftigeren störenden Größen (Sensorrauschen,
Verstärkerrauschen) überlagert.
Um Störungen von außen abzuschirmen, könnte man den Sensor in ein
festes, halbwegs dicht schließendes Gefäß setzen (verschlossenes Glas,
evtl. Deckel auf einen stabilen Träger kleben) und gucken, ob sich am
Rauschverhalten irgendetwas signifikant ändert. Wenn Bosch das Rauschen
des Sensors beschreibt, werden sie das wohl kaum neben der Startbahn
eines Flughafens gemessen haben, sondern in ruhiger Umgebung und nicht
ausgerechnet, wenn auf der anderen Seite vom Fenster ein ausgewachsener
Sturm tobt.
Nur damit mal ein wenig Gefühl für die Messverhältnisse aufkommt.
Auf der Küchentheke ruhend gemessen, gut drei Meter Abstand zum Herd.
Möchte jemand raten wann die Dunstabzugshaube eingeschaltet wurde und
wie viele Stufen sie hat? ;-)
Norbert schrieb:> Möchte jemand raten wann die Dunstabzugshaube eingeschaltet wurde und> wie viele Stufen sie hat? ;-)
Rate mal, wie Sensoren zur Freischaltung von Dunstabzugshauben arbeiten,
um zu verhindern, dass die Dunstabzugshaube die Abluft von einem
Kaminofen rückwärts in den Wohnraum saugt.
https://www.unidomo.de/heizung/ratgeber/unterdruckwaechter/
Helmut -. schrieb:> 4 Stufen?
Perfekt.
Rainer W. schrieb:> Rate mal, wie Sensoren zur Freischaltung von Dunstabzugshauben arbeiten,
Muss ich nicht, weiß ich… ;-)
Dieter D. schrieb:> Da wäre mal das Spektrum interessant
Dieterchen, was glaubst Du denn daraus ablesen zu können, abgesehen von
der Sample-Rate, die man aber schon vorher kennt?
https://link.springer.com/article/10.1007/BF02018347
"Vermutlich sind es entweder Druckschwankungen, die durch das Schwingen
der Kaltluft in den Föhntälern entsteht,"
Diese Druckschwankungen ändern sich innert weniger Minuten.
Messungen haben gezeigt, dass Druckschwankungen in einem Intervall von 4
bis 20 Minuten am meisten Beschwerden auslösen.
Neue Züricher Zeitung
Dieter D. schrieb:> https://link.springer.com/article/10.1007/BF02018347
Geiler Link, eine Studie von 1950.
Wird mal Zeit zur erforschen, welche physiologischen Auswirkungen der
Föhn auf kleine Dieterchens hat. Irreversible Schädigung des
Frontallappens würde ich als Hypothese in den Raum werfen.
Dieter D. schrieb:> Messungen haben gezeigt, dass Druckschwankungen in einem Intervall von 4> bis 20 Minuten am meisten Beschwerden auslösen.
Immer wenn ich den Kopf schütteln muss, geht mir das auch so.
Zum Glück kommen Deine Kommentare in kürzeren Intervallen.
Frank O. schrieb:> Schneide die Werte doch ab, wenn es nicht so genau sein muss/soll.
Was für ein didaktischer Unsinn.
Die heile Welt liefert bereits die barometrische Höhenformel.
Im Unterricht kann es nur nützlich sein, die real immer vorhandenen
Messfehler zu sehen und - ganz wichtig - zu lernen, sie zu bewerten.
Wenn die Vermittlung dieser Fähigkeit nicht im naturwissenschaftlichen
Unterricht statt findet, passiert es sogar, das ausgebildete Lehrer dazu
nicht selbständig in der Lage sind ;-)
Rainer W. schrieb:> die real immer vorhandenen Messfehler zu sehen und - ganz wichtig - zu> lernen, sie zu bewerten.
Die Druckschwankungen sind nicht uninteressant, wenn man sich das
Spektrum anschaut.
Bei gekippten Fenster, nur den Gehsteig dazwischen, kann man Autos und
LKW zaehlen.
Dieter D. schrieb:> Die Druckschwankungen sind nicht uninteressant, wenn man sich das> Spektrum anschaut.> Bei gekippten Fenster, nur den Gehsteig dazwischen, kann man Autos und> LKW zaehlen.
Ah, ein weiteres Patent von Dieterchen: Man nehme einen Drucksensor,
kippe das Fenster, lasse eine FFT über den Druckverlauf im
Millihertz-Bereich drüber laufen und zähle vorbeifahrende Autos.
Brilliant, wie immer.
Rainer W. schrieb:> Was für ein didaktischer Unsinn.
Klar, da bin ich sogar bei dir. Aber der TO fragte, wie er das auf Null
bekommt. Das ist der einfachste Weg.
Frank O. schrieb:> Klar, da bin ich sogar bei dir. Aber der TO fragte, wie er das auf Null> bekommt. Das ist der einfachste Weg.
Genaugenommen müßte Tobias die Messung "digital glätten". D.h. zum
Beispiel es wird erst zehnmal gemessen und dann der erste Mittelwert
angezeigt. Die weiteren Meßwerte verbessern den Mittelwert.
Zu viele Messwerte für den Mittelwert darf Tobias auch nicht
heranziehen, weil es sonst zu lange dauert, bis sich der andere
Druckwert als geglätteter Mittelwert auf der Anzeige bemerkbar macht,
wenn man die Treppe 10m hoch gelaufen ist. Damit dürfte klar sein, wer
aus dem Bild/Link in dem Falle mit dem Gerät den Druckunterschied
messend hochlaufen geschickt werden sollte:
https://www.youtube.com/watch?v=7YpLLzVnCpk
Dieter D. schrieb:> Genaugenommen müßte Tobias die Messung "digital glätten". D.h. zum> Beispiel es wird erst zehnmal gemessen und dann der erste Mittelwert> angezeigt. Die weiteren Meßwerte verbessern den Mittelwert.
Das sollte er sowieso tun. Sonst zappelt seine Anzeige sicher viel zu
sehr.
Da kann er auch 100 oder sogar 1000 Werte aufaddieren.
Er will doch seinen Schülern nur den Luftdruck nahe bringen.
Wir wissen doch nicht welches Alter die Schüler haben oder auf welchem
Niveau sie sind.
Es gibt nun mal Situationen, da ist weniger mehr.
Bei einer Ampel brauchen wir auch nur drei Farben, wenn auch die Leds
RGB sind und alle möglichen Farben darstellen könnten.
Ja Stefan, viele Wege führen nach Rom.
Ich finde es bemerkenswert, dass ein Lehrer so etwas für seine Schüler
machen will.
Ich hatte nur faules Pack als Lehrer. Der einzig gescheite Lehrer war
der Sportlehrer und der wurde so gemobbt von seinen Kollegen, dass er
den Beruf komplett aufgegeben hat.
Frank O. schrieb:>> Genaugenommen müßte Tobias die Messung "digital glätten".> Das sollte er sowieso tun. Sonst zappelt seine Anzeige sicher viel zu> sehr.> Da kann er auch 100 oder sogar 1000 Werte aufaddieren.
Bei Spannungsmessungen per Arduino addiere ich z.B. 18 Werte, werfe den
größten und kleinsten weg und teile dann durch 16.
Man kann natürlich mehr holen, das kommt auf die notwendige
Reaktionszeit an und man sollte es nicht übertreiben.
Frank O. schrieb:> Ich finde es bemerkenswert, dass ein Lehrer so etwas für seine Schüler> machen will.
Der will halt lehren und motivieren, µC und Sensor sind etwas "zum
Anfassen" und nicht so abstrakt wie das Lehrbuch.
Was mir nicht klar ist, ist die reale Umsetzung. Ob der Sensor oben auf
dem Schrank oder dem Fußboden liegt, wird kaum einen deutlichen
Unterschied im Luftdruck ergeben.
> Ich hatte nur faules Pack als Lehrer. Der einzig gescheite Lehrer war> der Sportlehrer und der wurde so gemobbt von seinen Kollegen, dass er> den Beruf komplett aufgegeben hat.
Man kann Pech haben, ich hatte überwiegend unfähige Sportlehrer und
Mathematik wurde auch nicht verständlich gelehrt. Ich bin froh, dass man
uns in der Grundschule vernünftiges Rechnen beigebogen hat und auch der
Dame dankbar, die praxisnahes Englisch gelehrt hat.
Manfred P. schrieb:> Was mir nicht klar ist, ist die reale Umsetzung. Ob der Sensor oben auf> dem Schrank oder dem Fußboden liegt, wird kaum einen deutlichen> Unterschied im Luftdruck ergeben.
Das denkst auch nur du. Ein Unterschied von 20cm lässt sich damit gut
messen - einfach mal probieren.
Manfred P. schrieb:> Ob der Sensor oben auf> dem Schrank oder dem Fußboden liegt, wird kaum einen deutlichen> Unterschied im Luftdruck ergeben.
Äh, doch! Grob über den Daumen 10pa pro Meter.
Klaus schrieb:> Äh, doch! Grob über den Daumen 10pa pro Meter.
Die barometrische Höhenformel liefert für Meereshöhe eine Änderung von
etwa 8m/hPa.
Das kann man sich vielleicht gerade noch so merken, ohne einen noch
breiteren Daumen drauf setzen zu müssen ;-)
Bild: Druckänderung bei etwa 2m Höhenänderung
Man kann auch den Druckunterschied mit dem Schalldruck vergleichen. 12Pa
(soviel wie ein 1m Höhenunterschied) entspräche 115dB, und 0.3Pa 83dB.
Wenn der Drucksensor sich davon beeinflussen läßt, könnte man die
Wirkung der digitalen Glättung noch besser demonstrieren und eine
Soundbar dazu dröhnen lassen.
Tobias H. schrieb:> Hat vielleicht jemand eine Idee dazu, oder gerne auch einen anderen> Ansatz?
Ein anderer Ansatz wäre, die Schüler ihr Smartphone rausholen zu lassen
und z.B. mit der App PhyPhox den Druck während der Höhenänderung
aufzeichnen zu lassen. (Von PhyPhox stammt mein oben gezeigter
Druckverlauf).
https://phyphox.org/de/home-de/
Dieter D. schrieb:> Man kann auch den Druckunterschied mit dem Schalldruck vergleichen. 12Pa> (soviel wie ein 1m Höhenunterschied) entspräche 115dB, und 0.3Pa 83dB.> Wenn der Drucksensor sich davon beeinflussen läßt, könnte man die> Wirkung der digitalen Glättung noch besser demonstrieren und eine> Soundbar dazu dröhnen lassen.
Dann verwendet man aber keinen BME280, sondern ein Mikrofon für die LKWs
und PKWs.
Im aktuellen Anwendungsfall sind es 7. Klässler, die das erste Mal mit
den Begriffen Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Temperatur usw. in
Kombination in Berührung kommen. Ein wesentliches Merkmal in der Lehre
ist das Prinzip der didaktischen Reduktion, ich bemühe mal kurz Strg+C:
1
...Rückführung komplexer Sachverhalte auf ihre wesentlichen Elemente, um sie für Lernende überschaubar und begreifbar zu machen.
Und hier soll eben NUR der Zusammenhang sichtbar gemacht werden (und
zwar didaktisch reduziert) zwischen Luftdruck und Höhe. In späteren
Jahrgangsstufen werden weitere Elemente eingeführt, auch adiabatische
Änderungen. Je nach Niveau wird z.B. die Temperatur mit einbezogen.
Heißt, die Schüler laufen tatsächlich mit dem Gerätchen vom Keller hoch
aufs Dach und erkennen, dass a) der Luftdruck gesunken ist und b) sich
daraus auf eine Höhenänderung schließen lässt. Dann laufen sie wieder
runter in den Keller und stellen fest, dass das ja auch stimmt. und vor
allem, sie freuen sich wie Bolle und haben gar nicht bemerkt, dass sie
eben etwas gelernt haben :-)
Problem der meisten Anwendungen, Programme, Gerätschaften usw. ist im
erzieherischen Bereich leider oft, dass das Grundprinzip der Reduktion
nicht umgesetzt wurde: der Herr Ingenieur könnte sich nämlich sonst
beschweren "Oh Gott, das ist ja falsch, wie kann man nur!". Aber lehren
funktioniert nunmal so: aufs Wesentliche reduziert, und je nach Niveau
Stück für Stück erweitert. Deshalb basteln wir Lehrer uns oft selbst
was, das der Realität nahe kommt: einfach und verständlich muss es sein
:-)
Für die wertvollen Tipps oben: vielen Dank!
Tobias H. schrieb:> Problem ... erzieherischen Bereich ... Grundprinzip der Reduktion ...
Hoffe es klappt mit dem Infos aus dem Forum. Drücke Dir die Daumen, dass
das nicht so endet, wie im Bekanntenkreis mit der Fitness-Watch.
Etwas Disput, wer von beiden Schülern der 11. Klasse die Treppe hoch
geht und wer runter. Es schallt dann von oben, es habe sich nichts
geändert, bei dem der runter lief das schalt nach oben das doppelte,
alles falsch Herr Lehrer. Daher die Erwähnung des Föhns. Wobei ich eher
annehme, das hier nicht eine Schwingung, sondern schwankender Winddruck
auf das Gebäude die Ursache war.
Ein physikalisches Experiment ist es, wenn nichts klappt.
Ein chemisches Experiment ist es, wenn es stinkt und kracht.
(Alte Schülerweisheit)
Frank O. schrieb:> Bei einer Ampel brauchen wir auch nur drei Farben, wenn auch die Leds> RGB sind und alle möglichen Farben darstellen könnten.
Ach, gibt es jetzt Ampeln mit nur einer Lampe statt drei?
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