8.3.1 Gewitterortung

Letztes Update 24.07.2002


8.3.1.1 Übersicht

Eine Spule mit Ferritkern besitzt eine Richtcharakteristik. Diese Eigenschaft soll ausgenutzt werden um eine Richtungserkennung des Blitzes im Raum durchzuführen. Zur Blitzdetektierung empfiehlt die Literatur einen Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz von ca. 12 kHz. Der Blitz induziert einen Spannungsimpuls von 15 bis 30 ms Länge. Gemessen wird das Maximum dieses Impulses aller drei Spulen in der Hoffnung, das die Beziehungen zueinander eine Richtungserkennung ermöglichen.

Berechnung der Spule ohne Kern

Da es mir nicht gelungen ist, geeignete Spulenkörper käuflich zu erwerben, hat mir ein netter Kollege welche auf der Drehbank gedreht:

Bild 1

Mittlerer Spulendurchmesser = d = 14,2mm = 0,0142m

Mittlere Windungszahl = n = 540 Windungen

Spulenlänge = l = 20mm = 0,02m

 Induktivität in Henry

Das Wickeln aller Spulen hat ungefähr 6 Stunden gedauert. Natürlich über mehrere Tage verteilt. Die Spulen wurden mit folgenden Parametern anschliessend ausgemessen.
 

Spule 1

Spule 2

Spule 3

 

Ohne Kern

Mit Kern

Ohne Kern

Mit Kern

Ohne Kern

Mit Kern

Lp

5,623 mH

17,11 mH

5,475 mH

16,34 mH

5,640 mH

16,01 mH

Rp

28,60

645,2

27,56

609,8

28,59

562,6

Z

22,22

106,1

21,51

101,3

22,25

99,03

Berechnung der Spule mit Kern

µr ist die relative Permeabilitätskonstante, die die Eigenschaften des Kernes beschreiben (Verstärkung des Feldes). Für ferromagnetische Stoffe liegt der Wert über 1. Für einen Ferritstab sind nur Richtwerte zwischen 2 und 20 zu finden.

Die Berechnung der Induktivität ist nicht möglich, da µr des Ferrit-Antennenstabes (40mm Länge und 10mm Durchmesser) nicht bekannt ist. Er kann aber aus Messungen berechnet werden und liegt bei ca. 3.

Ferrite

Ferrite sind keramische oder einkristalline Stoffe, oft mit der chemischen Zusammensetzung MeOo(Fe2O3)x , wobei Me für ein zweiwertiges Metall wie z.B. Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden oder auch aus Mischungen von diesen Elementen besteht. Ferrite haben typisch eine Dielektrizitätszahl von etwa 2 - 20, ihre Anwendungen basieren auf ihre magnetischen Eigenschaften mit großen Werten für die Permeabilitätszahl µr - oft weit über 1000 - und auf den besonderen Frequenzgängen von µr. Im Unterschied zu Ferromagnetika sind Ferrite extrem hochohmig, so dass keine Wirbelstromverluste auftreten. Hochfrequenzfelder können deshalb tief in den Ferrit eindringen und mit ihm wechselwirken. Dadurch sind erst Hochfrequenzanwendungen möglich.

Berechnung des Kondensators

Die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises berechnet sich zu:

Die Gleichung wird nach C aufgelöst. Werden die Parameter eingesetzt ergibt sich eine Kapazität von ca. 10nF. Der Aufbau der Schaltung ergab eine mittlere Resonanzfrequenz von 12500 Hz.

8.3.1.2 Schaltung

Bild 2

Zur Richtungserkennung sollten eigentlich zwei Spulen in der Ebene ausreichen, aber mal schauen wie die Ergebnisse bei allen drei Raumachsen aussehen. Bild 2 zeigt die Anordnung der Spulen. Aus Bild 3 ist der Aufbau der Elektronik zu erkennen:

Bild 3

Das Signal der Spule geht auf den Eingang eines Nicht-Invertierenden Verstärkers mit einem Verstärkungsfaktor von 100 und anschliessend auf einen Impedanzwandler. Dieser Teil sitzt in einem Bopla Gehäuse. In der Wetterstation sitzt dann für jeden Kanal ein Gleichrichter und ein Tiefpaß 2. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von ca. 2 kHz zur Erzeugung der Hüllkurve.Das ganze wird dann auf den ADC des 68HC11 Microcontrollers gegeben, der die Auswertung übernimmt. Durch eine Komparatorschwelle wird dann die Länge eines Impulses und der maximal Wert innerhalb dieses Impulses gemessen. Die Messung der Impulslänge ist wichtig, um Störungen (sehr kurze Impulse) zu erkennen.

Der µC arbeitet mit einer Taktfrequenz von 2 MHz. Der integrierte 8-Bit ADC arbeitet im kontinuierlichen Scan-Modus, d.h. die Kanäle 1 bis 4 werden direkt hintereinander gemessen, in einem Register gespeichert, ein Flag wird gesetzt und sofort mit der nächsten Messung begonnen. Für die Wandlung eines Kanals werden 32 Takte benötigt. Bei 4 Kanälen ergibt das 128 Takte, also eine Abtastdauer von 64µs. Bei einer Durchschnittlichen Impulsdauer von 20 ms könnte also für jeden Kanal 312 Messungen durchgeführt werden.

Das Ergebnis wird dann als HEX-Zahlen über die serielle Schnittstelle zum PC gesendet. Da es in der Wetterstation höchstwahrscheinlich mehrere serielle Sensoren geben wird, bekommt das Telegramm noch eine Kennung verpaßt und hat dann folgenden Aufbau: #1001200180024AB348B:

Byte Inhalt Bedeutung
1 # Telegramm Start Kennung
2 1 ID = Ortungssensor
3..6 0012 Impulsbreite X-Kanal
7..10 0018 Impulsbreite Y-Kanal
11..14 0024 Impulsbreite Z-Kanal
15..16 AB Maximum X-Kanal
17..18 34 Maximum Y-Kanal
19..20 8B Maximum Z-Kanal
21 0D Telegramm Ende Kennung

Software als Pascal Kodierung
Offset := 13;
f1 := 0;
f2 := 0;
c1 := 0;
c2 := 0;
c3 := 0;
w1 := 0;
w2 := 0;
w3 := 0;
Repeat
  Repeat Until (adctl and #$80) > 0;
  If adr1 > Offset Then f1 := f1 or $01 Else f1 := f1 and $FE;
  If adr2 > Offset Then f1 := f1 or $02 Else f1 := f1 and $FD;
  If adr3 > Offset Then f1 := f1 or $04 Else f1 := f1 and $FB;
  If f1 > 0 Then Begin
    If adr1 > w1 Then w1 := adr1;
    If adr2 > w2 Then w2 := adr2;
    If adr3 > w3 Then w3 := adr3;
    If (f1 and $01) = $01 Then Inc(c1);
    If (f1 and $02) = $02 Then Inc(c2);
    If (f1 and $04) = $04 Then Inc(c3);
    f2 := 1;
  End Else Begin
    If f2 = 1 Then Begin
      WriteLn('#1',c1,c2,c3,w1,w2,w3);
      f2 := 0;
    End;
    c1 := 0;
    c2 := 0;
    c3 := 0;
    w1 := 0;
    w2 := 0;
    w3 := 0;
  End;
Until false;

Software als 68HC11 Code

8.3.1.3 Steckerbelegung

Steht noch nicht fest.

8.3.1.4 Kalibrierung

Für die Kalibrierung steht zur Zeit nur ein kleines Piezo Zündelement zur Verfügung. Die Leistung des Zündimpulses ist jedoch sehr gering, so daß die Empfänger nur sehr kleine Impulse liefern, d.h. der Meßfehler wird wahrscheinlich sehr hoch sein. Das folgende Bild zeigt ein erstes Ergebnis. Die Entfernung des Blitzimpulses beträgt 13cm und die Auflösung liegt bei 22.5 Grad.

Eine Richtung ist schon eindeutig zu erkennen, aber das sieht noch nicht nach Reproduzierbarkeit aus. Ich werde jetzt versuchen, eine KFZ-Zündspule zu bekommen um mal kräftigere Blitze zu erzeugen.

Eine Schlußfolgerung kann aber schon gezogen werden. Die Richtungserkennung von Gewitterereignissen auf große Entfernung ist wahrscheinlich mit einem großen Fehler behaftet, wobei ich noch nicht weiß, wie groß die Entfernung überhaupt ist. Ich warte jetzt ganz dringend auf ein Gewitter.

8.3.1.5 Mechanik

8.3.1.6 Schaltplan und Layout

Schaltplan 1

Schaltplan 2

Schaltplan 3

Schaltplan 4

Layout

8.3.1.7 Stückliste

Stückliste

8.3.1.8 Ergebnisse