Technik des Stratosphärenballons
Sensorik – Hardware
Zur Messwertaufnahme und -aufbereitung werden ein MSP430F5529 sowie zwei MSP430G2553 von Texas Instruments verwendet, deren Firmware selbst geschrieben wurde. Die kleineren MSP430G2553 Controller übernehmen Unteraufgaben und verwalten das Spektrometer sowie das Geiger-Müller-Zählrohr, während der stärkere und großzügiger ausgestatte MSP430F5529 das Herzstück der Sensorik bildet. Neben der Aufnahme aller Messwerte kommuniziert er mit einem Raspberry Pi (nachfolgend RPi), welcher die Daten in Datenbanken speichert und zur Bodenstation sendet. Informationen zum Rpi sowie zur Datenkommunikation finden sich in einem separaten Artikel unter RPi - Hardware. Der gesamte Aufbau der Sensorik ist im nachfolgenden Bild dargestellt:
Weiterlesen: Programmierung/Firmware
APRS System
Das APRS System ermöglicht es Datenpakete per Funk über das Packet-Radio-Netz zu übertragen. Dazu gehören z.B. GPS-Daten und kurze Textnachrichten. Hierzu werden Frequenzen im 2-Meter-Band bei einer Bitrate von 1200 Bit/s verwendet. Das Packet-Radio-Netz sollte dabei jedoch möglichst wenig belastet werden, daher werden die gesendeten Informationen von Packet Radio Digipeatern nur soweit weitergeleitet, bis sie auf einen IGATE treffen. Bei einem IGATE handelt es sich um einen Packet Radio Digipeater, der über eine Internetanbindung verfügt. Die auf diese Weise in das Internet eingespeisten Datenpakete lassen sich über entsprechende Programme abrufen und verarbeiten.
UV-Strahlungsmessung
Die Strahlungsintensität des UV-Lichtes ist eine physikalische Größe, die stark von der Höhe über dem Erdboden und natürlich auch von den Wetterverhältnissen abhängt.
Verwendet wird die UV-Diode SG01S-18.
Datenübertragung über große Strecken
Autoren: Grujic, Heemann
Für die Datenübertragung über große Strecken bieten sich eine Vielzahl von Möglichkeiten an, klassischerweise wird diese über kabelgebundene Lösungen realisiert und bietet zum Beispiel bei der Verwendung von Lichtwellenleitern hohe Übertragungsraten bei gleichzeitiger, nahezu verlustlosen Übertragung des Signals. Bei vielen mobilen Anwendungen ist jedoch eine kabelgebundene Verbindung nicht realisierbar, daher werden hier drahtlose Kommunikationsformen verwendet. Die Übertragung von Daten über große Strecken mit Hilfe von drahtlosen Verbindungen stellt jedoch eine größere technische Herausforderung dar. Zum einen nimmt die Signalstärke mit zunehmender Distanz ab, hierfür Verantwortlich ist die Freiraumdämpfung (Abnahme der Leistungsdichte mit größer werdendem Abstand), des Weiteren sind die Daten störempfindlicher und müssen für die Übertragung zunächst in ein übertragbares Signalformat moduliert und anschließend demoduliert werden.
Luftfeuchtigkeit messen
Zur Messung der Luftfeuchtigkeit wird der digitale Sensor Si7021-A10-GM1 von Silicon Labs verwendet.
Dieser kann Temperaturen von bis zu -40°C standhalten.
Die Antenne
Für den Empfang der Daten, die von der Radiosonde im 70cm-Bereich gesendet werden, wird eine Antenne mit einem Gewinn größer 10dB benötigt. In Verbindung mit einem 40dB-Antennenvorverstärker sowie 20dB-Preamplifier des Transceivers wird eine Aufnahme der Daten auch über eine große Distanz möglich.
Der 2m-Bereich erfordert keine spezielle Empfangseinrichtung, da die Daten der Sonde direkt über APRS INET-Gateways automatisch ins Internet eingespeist werden. Diese Verbindung ermöglicht eine Liveverfolgung des Ballons unter aprs.fi im Internet.
Weiterlesen: Empfangsantenne (70cm-Yagi-Antenne)
Der Sauerstoffsensor
Der Sauerstoff-Sensor 7OX-V CiTiceL wird mit der entsprechenden Elektronik von GAWADO zur Verfügung gestellt.
Es handelt sich um einen galvanischen Sauerstoffsensor, der eine dem Sauerstoffgehalt proportionale Spannung ausgibt.
Die Zentraleinheit
Aufbau und Platzierung der Bauteile auf der neuen Platine in SMD-Bauweise.
Da einige der Sensoren nicht ohne Weiteres an einen Port geschlossen werden können, wird die Zentraleinheit mit diversen Schaltungen zwischen Sensoren und Launchpad verwendet. Die gesamte Zentraleinheit wurde mit dem Programm „Altium Designer V13“ entworfen.
Der Schaltplan ist so konstruiert worden, dass alle verwendeten Sensoren an die Platine modular angeschlossen werden können. Damit ist gewährleistet, dass das System benutzt werden kann, unabhängig vom Fortschritt des Projektes. Die Sensoren arbeiten unabhängig voneinander, womit die Funktionalität der Schaltung auch bei Ausfall einzelner Sensoren nicht gefährdet ist. Die Platine wurde an einer hochschuleigenen CNC-Fräsmaschine für Leiterplatten hergestellt. Alternativ kann man diese auch bei diversen Dienstleistern herstellen lassen.
Der Temperatursensor
Temperatursensoren sollen während der gesamten Flugdauer die Temperaturen inner- und außerhalb des Gehäuses messen. In einigen Kilometern Höhenunterschied weicht die Temperatur stark von der an der Erdoberfläche ab Für den Einsatz werden die digitalen Thermometer DS18S20 von maxim integrated verwendet. Mit einem Messbereich von -55°C bis +125°C entsprechen diese den Anforderungen.
Energieversorgung
Die Energieversorgung erfolgt über acht Lithium Batterien im Mignon Format der Firma Varta, die mit 2900mAh bei 15g pro Batterie über eine hohe Energiedichte verfügen und in einem Temperaturbereich von -40°C bis +60°C arbeiten.
Weiterlesen: Energieversorgung
Der Luftdrucksensor
Der Luftdrucksensor MS5803-01BA von Measurement Specialties kann bis zu Temperaturen von unter -40°C den Luftdruck messen.
Der Messbereich für den Luftdruck liegt im Bereich von 10 bis 1300 mbar und ist damit ausreichend.
Spektrometrie
Die uns ständig umgebende gasförmige Masse, die Atmosphäre, lässt sich grob in die fünf Schichten Tropo-, Strato-, Meso-, Thermo- und Exosphäre unterteilen. Jede dieser Schichten weißt eine andere Zusammensetzung und Dichte auf. Während des Ballonfluges werden Höhen von bis zu 40 Kilometern erreicht und ermöglicht so eine Betrachtung von Troposphäre und Stratosphäre.
Autor: Grujic
Die Troposphäre erstreckt sich etwa 18 Kilometer in die Höhe und beinhalte nahezu 90 Prozent der Luft und beinahe den gesamten Wasserdampf der Erdatmosphäre. Mit zunehmender Höhe schließt sich an die Troposphäre die Stratosphäre an, diese reicht bis zu 50 Kilometern in die Höhe. Die Ozonschicht unseres Planeten befindet sich Hauptsächlich in der unteres Stratosphäre.
Mit Hilfe der bereits integrierten Sensoren ist es möglich UV-Strahlung, Temperatur, Luftfeuchte und Sauerstoffgehalt zu ermitteln. Eine Möglichkeit zusätzliche Informationen über die Zusammensetzung von Troposphäre und Stratosphäre zu sammeln biete der Einsatz eines Spektrometers.
Sensoren
In der Stratosphäre und in einer Höhe von über 30 km herrschen extreme Bedingungen. Die Umgebungstemperatur liegt dort bei ca. -55°C und der Luftdruck bei ca. 10 mbar, was ungefähr einem Hundertstel des Luftdrucks auf dem Erdboden entspricht.
Zur Verarbeitung und Übertragung der Sensordaten an den Raspberry Pi wird das Launchpad Evaluation Kit von Texas Instruments verwendet: Launchpad Evaluation Kit, MSP430 F5529
Radioaktivitäts Messung
Zur Messung radioaktiver Strahlung wird ein Geiger-Müller-Zählrohr verwendet, welches eine Eingangsspannung von etwa 450V DC benötigt. Aufgrund der niedrigen Temperaturen strebten wir jedoch eine Eingangsspannung von etwa 600V bei Raumtemperatur an. Ziel war es, das Zählrohr mit einer Spannungsversorgung von 5V DC und praktisch stromlos betreiben zu können.