Die Technik

Die Aufgabe des Stratosphärenballons ist es, uns wichtige Messdaten über den Flug bis tief in die Stratosphäre zu liefern. Dafür benötigt er leistungsstarke Messinstrumente, die folgende Punkte am ehesten erfüllen:
• hohes Spektrum der Betriebstemperatur (um auch bei jeglichen Temperaturen zu funktionieren)
• hohe Auflösung der Messwerte
• schnelle Wiederholungsrate (für eine genaue Modellierung des Aufstiegs)
• eine geringe Wärmeentwicklung
• eine geringe Betriebsleistung
• platzsparende Größe
Die folgend vorgestellte Technik erfüllt diese Aspekte am ehesten:

Der NTC- Heißleiter

Damit wir den ganzen Flug lang möglichst genau die Außentemperatur messen können, haben wir uns für einen NTC mit 1 Kiloohm Widerstand entschieden.

Der Heißleiter oder auch NTC- Widerstand/Thermistor weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf und kann den elektrischen Strom bei hohen Temperaturen besser leiten, als bei niedrigeren Temperaturen. Diesen Effekt der Veränderung des Widerstands nutzen wir zur Messung der Lufttemperatur beim Aufstieg des Ballons.

Um die Temperatur zu messen, legt der Arduino MKR WiFi 1010 eine Spannung von 3,3 V an einen Spannungsteiler aus Vorwiderstand und NTC an. Nach unseren Rechnungen bekommen wir im Temperaturbereich von -50 bis +15 Grad die beste Auflösung mit einem Vorwiderstand von 6,8 Kiloohm.

Die Spannung, die am NTC abfällt, wird dann durch einen AnalogPin des Arduino als Binärzahl zwischen 0 und 4095 ausgelesen. Mit der Binärzahl lässt sich der Widerstand des NTCs berechnen.

Da die Zuleitungswiderstände vernachlässigbar sind, nehmen wir eine Zwei-Punkt-Messung vor und setzen den berechneten NTC-Widerstand in folgende vereinfachte Form der Steinhart-Hart-Gleichung ein:

1/T = a0 + a1•ln(R/1000)+ a3•ln(R/1000)^3

Dabei stehen a0, a1 und a3 für beliebige Parameter, die für jeden Heißleiter verschieden sind. Damit diese Werte auf unseren NTC angepasst sind, haben wir mithilfe des Datenblattes des Herstellers einen Daten-Fit mit Excel modelliert. In diesen mussten wir einfach solange a0, a1 und a3 Werte einsetzen, bis wir die kleinste Temperaturdifferenz zum Datenblatt hatten.

Nun haben wir eine gemessene Temperatur, die der echten Temperatur sehr gut entspricht und bei Raumtemperatur eine Abweichung von weniger 0,3 Grad im Vergleich zu einem Referenzthermometer zeigte.

von Felix

Strato-3 Datenlogger

Ein wichtiger Bestandteil der Sensorerfassung ist der Strato 3. Der Strato 3 ist ein fertig programmierter Mikrocontroller zur Erfassung von Messwerten, den wir bei der Fa. Stratoflights bestellt haben. Die Daten werden über eine auf der Außenseite der Nutzlast liegende Sensorplatine erfasst. Zur Darstellung der Daten ist ein Display über der Hauptplatine montiert, das live den Status des GPS-Sensors und die Messdaten anzeigt. Dieses Display ist vor allem für die Tests vor dem Start interessant, aber beim späteren Flug ist die Speicherung auf einer Micro SD-Karte in Tabellenform nützlich. Die Stromversorgung wird über eine Lithium-9Volt-Batterie sichergestellt. Folgende Daten werden dabei gemessen:

• Temperatur extern
• Temperatur intern
• Höhe
• Luftdruck
• Luftfeuchtigkeit
• GPS-Daten

Der Strato erleichtert uns die Erfassung von elementaren Daten, die es uns ermöglichen andere Bereiche zu fokussieren und ist unsere Versicherung, falls Teile der eigenen Elektronik ausfallen sollten. Des weiteren bietet er uns gute Vergleichswerte für unsere eigene Sensoren bei der Kalibrierung und der späteren Auswertung des Fluges. Die Datenerfassungsrate ist mit einer Messung alle 2 Sekunden für den Aufgabenbereich des Stratos ausreichend, da dieser abgesehen von der Höhen- und Druckmessung ein Vergleichssensor ist und keine primäre Datenerfassungquelle. Unsere eigene Elektronik liest die Daten (deutlich) schneller aus.

von Alexander

weitere Berichte folgen:

Ozon- Sensor

Licht- Sensor

UV- Sensor

Apeman Kamera