Balonová minisonda

Myšlenky na stavbu balonové sondy schopné pořídit snímky Země z výšek větších než malých mě drží již dlouho. Ačkoliv samotnou sondu mám dávno připravenou, nenašel jsem odvahu vypustit takovéto a ne zrovna levné zařízení do neznáma s nulovou zkušeností z podobné akce. Největší obavy jsem měl z přerušení rádiového kontaktu se sondou mizející v mrazivých výškách. První pokusy proto proběhly v duchu ověření provozuschopnosti vysílací části sondy a pozemního příjmu signálu včetně možnosti zaměření sondy směrovou anténou. Vysílací frekvence i koncepce vysílače byla dána dostupným přijímačem a to vojenskou radiostanicí RF 10 vykazující slušnou citlivost a selektivitu při nízké ceně. Vysílač na frekvenci okolo 50 MHz nepředstavuje větší konstrukční problém a může být řízen běžně dostupnými krystaly. Koncepce vysílače byla nejdříve dvou tranzistorová oscilátor- koncový stupeň. První pokusy však ukázaly, že spojení probíhá bezpečně i s nižším výkonem a celý vysílač se smrsknul pouze na oscilátor s výstupním výkonem okolo 100 mW. Pokusy s miniaturní sondou podpořil rovněž fakt, že opatření dostatečně velkého meteo balonu, schopného vynést zařízení o hmotnosti cca 1 kg, je v české kotlině dost těžko překonatelný problém. Minisondu s hmotnosti do 50 g lze úspěšně vypustit i na mikrotenovém pytli. Také nároky na pohonný plyn nejsou tak velké. V mém případě byl použit k plnění balónu vodík generovaný přímo na místě vzletu chemickou cestou. Další pokusy se zaměřily na konstrukci vhodného převodníku k měření teploty, který by nevykazoval odchylky i při podchlazení celého zařízení na teploty panující ve výškách 10-20 km tj kole -50-60°C.

Konstrukce vysílače:

Vysílač je tvořen jedním tranzistorem ve funkci oscilátoru, na který je přímo navázaná anténa přes vazební cívku. Druhý tranzistor plní funkci spínače vysílače a je přes něj vedena modulace vysílaného signálu. Klíčování vysílače je možné vést také přes odpor 6,8K místo jeho trvalého napojení na kladný pól zdroje. Toto řešení však způsobovalo poruchy ve smyslu, že vysílač i po odeznění modulačního pulzu vysílal dál. Způsobuje to zpětná vazba mezi cívkou. Její zastínění tento problém řeší, avšak v rámci miniaturizace je výhodnější použít jeden SMD tranzistor navíc. Rovněž náběh vysílače je rychlejší a přesnější. Vysílač byl po dokončení naladěn jádrem v cívce na maximální výkon na jednoduché umělé zátěži. Výkon se pohyboval podle použitého tranzistoru kolem 90-140 mW. Tranzistor není opatřen chladičem a rychle se zahřívá za poklesu výkonu. To však vzhledem k krátké aktivní době a silných mrazech nevadí. Naopak při ochlazení tranzistoru na teploty cca -50 °C dosahuje výkon špičkové hodnoty cca 250mW. Krystal ve vysílači pochází z výprodeje vojenského materiálu www.drbal.cz a původně sloužil nejspíše pro podobné účely v nějakém vysílači či směšovači. Použití krystalu 48 Mhz, který lze běžně koupit v prodejnách součástek lze vřele nedoporučit. Na této frekvenci je stanice RF 10 zahlcena rušivými signály a digitálními trylky pocházející ze všudypřítomné počítačové techniky. Tento jev pak neumožňuje spolehlivé dekódování vysílaného signálu a silně omezuje možnou dobu příjmu.

Vysílač lze s výhodou pro jednoduchost postavit stylem dobře organizovaného hnízda okolo kostřičky cívky, na jejíž piny připájíme potřebné součástky. Přestavba celku na SMD verzi se nesetkala s úspěchem a vysílač nebyl ve své funkci spolehlivý.

Vysílací anténu tvoří půlvlný dipól, za který rovněž celá sonda visí. Na anténu je dobré použít lanko, jako prevence ukývání antény ve větru a pádu sondy na zem. (Zmiňuji se o tom, protože se to skutečně podle náhlého vymizení silného signálu stalo :)

Přijímací část:

K prvním pokusům byla využita samotná stanice RF 10 a to jak vysílač vysílá bylo poznat podle utichnutí silného šumu stanice v době, kdy přicházel signál. Později při přechodu na automatický záznam přijímaného signálu nesoucí údaj o teplotě, byla stanice vybavena vstupem pro záznějový oscilátor. Ten jsem zavedl přes 1 nF kondenzátor před poslední stupeň mezifrekvenčního zesilovače po druhém směšování. (2. mezifrekvence je 100khz) použitý záznějový kmitočet měl cca 98 kHz. Pro jednoduchost a snadnou laditelnost jeho frekvence i úrovně byl na místě BFO oscilátoru použit školní RC generátor BK124. Přijímaný signál se pak změnil na stav, kdy bylo na výstupu ticho (přijímaný signál nahrazuje zavedený signál z BFO) a tónu při skutečném příjmu signálu. K příjmu jsem použil originální anténu (půlvlnou drátovou) Pro pokusy se zaměření sondy jsem zhotovil magnetickou smyčkovou anténu, která vykazuje jedno absolutní minimum v ose kolmé na rovinu smyčky. Tato anténa vyžaduje přesné naladění do rezonance, k čemuž jsem využil měřič čsv a ladil při vysílání. Ladění antény je zcela klíčové a musí být provedeno s přesností na cca 20khz. Poté má tato anténa vzhledem k svému rozměru velmi dobré předpoklady k úspěšnému zaměření vysílače. Délka velké smyčky je o trochu menší než ¼ vlnové délky, délka malé napájecí smyčky cca 1/5 délky velké smyčky. Ladícím kondenzátorem s kapacitou cca 20 pF se ladí anténa do rezonance. Příjem ze sondy byl možný po dobu okolo 2-3 h od vypuštění. Její umlknutí způsobuje vybití baterie. (Použil jsem zprvu destičkovou 9V (při telotě cca -30 °C neuvolní proud potřebný k provozu vysílače) později čtveřici lithiových článků, které vzdorují mrazu velmi dobře.

ČSV-metr, BFO (BK124), RF 10

Měřící převodníky:

První sonda byla vybavena pouze přerušovačem s 50% střídou, který zapínal a vypínal vysílač cca co 5s. Prvním pokus o provedení měření byl učiněn pouhou náhradou jednoho z periodu ovlivňujících odporů termistorem. Celek však nebyl vybaven žádnou teplotní kompenzací ani stabilizací napětí, a proto bylo z příjmu jen zřejmé, že teplota klesá. V koncovém bodě by se dala odhadnout na cca – 35 °C. Další vývoj měřícího převodníku vycházel ze zvolené metody měření i dekódování informace o teplotě. Hlavním předpokladem pro dlouhotrvající spojení se sondou byl stav baterií respektive proud, který jsou schopny uvolnit i při velmi nízké teplotě. Proto jsem zvolil možná trochu netradiční způsob šíření informace a to prostřednictvím délky odmlky vysílače. Ten v praxi vysílá pouze po dobu 1s co 15-70s. Kde je rozestup mezi vysíláním přímo úměrný naměřené teplotě 30- (-80) °C. Z délky odmylky již pak není problém vypočíst podle předem stanovené závislosti teplotu.

Převodník typ 1:

Jako prvek reagující lineárně na změnu teploty byla zvolena obyčejná křemíková dioda, u které se využívá lineární změna úbytku napětí na PN přechodu v propustném směru s teplotou. S klesající teplotou tento úbytek roste se závislostí cca 2mV/°C. Za diodou následuje měřící zesilovač upravující její teplotní závislost v rozsahu 30 – -80°C na napětí 1–5V. Tohoto převodu je dosaženo odečtením cca 0,65 V od úbytku napětí na diodě při 30°C (0,70 V). Takto vzniklý rozdílový signál 0,05 V vznikající v diferenciálním zesilovači A je následně zesílen cca 20x na hodnotu 1 V neinvertujícím zesilovačem B. Pro druhou mezní teplotu -80 °C vzniká na diferenciálním zesilovači napětí 0,25V a po zesílení 5V. Toto napětí (1–5 V) řídí kmitočet napětím řízeného oscilátoru (4046) pracujícím na frekvencích kolem 50-150 Hz v závislosti na řídícím napětí. Tento kmitočet je pro dosažení potřebných dlouhých period vydělen binárním děličem číslem 2048 (4040) a následně je z tohoto pomaloběžného signálu se střídou 50% vyformován krátký impulz spouštějící vysílač pomocí monostabilního klopného obvodu spouštěného kladnou hranou přicházejícího signálu (4027). Tyto impulzy mají rozestup lineárně závislý na teplotě a je jimi přímo spouštěn vysílač.

Myšlenka tohoto provedení se ukázala jako dobrá, ovšem celý obvod vykazoval v reálném provedení silnou teplotní závislost, která způsobovala celkovou chybu měření v uvedeném rozsahu cca 20 %. Chyba vznikala hlavně v napětím řízeném oscilátoru 4046, a byla ještě umocněna vlivem změny kapacity kondenzátoru s teplotou ve frekvenci určujícím RC členu. Popsaný obvod vykazoval spotřebu jen 2,1 mA a s celkovou váhou 3,8 g byl víc než vhodný, kdyby se sním dalo pořádně měřit :) Proto bylo nutné změnit koncepci formování časově závislých impulzů s použitím teplotně nezávislých principů převodu.

Převodník typ 2:

Vstupní část i princip zůstala zachována, změna je jen ve sloučení funkce prvního diferenciálního zesilovače A s druhým zesilovačem B. U výše popsaného převodníku byl použit diferenciální zesilovač se zesílením 1 a následně zesilovač se zesílením 20. U převodníku druhého typu je použit přímo diferenciální zesilovač se zesílením 20. Jeden ušetřený operační zesilovač je využit v obvodu jako komparátor. Celý obvod se nyní skládá ze čtyř nezávislých celků. Měřící zesilovač, oscilátor, převodník D/A, komparátor. Hlavní změnou oproti předchozímu typu je použití krystalem řízeného oscilátoru, jako referenčního signálu k dalšímu zpracování. Jeho frekvence je odvozena od hodinového krystalu s frekvencí 32,768 kHz a následným vydělením tohoto kmitočtu 1024 na 32 Hz. (4060) Tímto kmitočtem je načítám 11-bitový binární čítač (4040). Načítané binární číslo je převáděno pomocí odporové sítě R/2R na lineárně zvyšující se napětí v rozsahu 0-5 V. Načtení do koncové binární hodnoty 2048 trvá 126 s. (toto rozlišení umožňuje stanovení teploty s krokem po 0,067 °C) Napětí z tohoto převodníku je komparátorem srovnáváno s napětím z měřícího zesilovače. V okamžiku, kdy dojde ke shodě, se na výstupu komparátoru objeví napětí, které spustí vysílač a rovněž nabíjí přes rezistor kondenzátor, který je spojen s restartovacím vstupem čítače v převodníku. Po nabití tohoto kondenzátoru na 2,5V, což trvá cca 1,5 s, se čítač restartuje, napětí na výstupu převodníku i komparátoru spadne na nulu, vysílač přestane vysílat a celý cyklus se opakuje. Jako celek je tento převodník vysoce lineární, protože hodnota napětí z měřícího zesilovače 1-5V je srovnávána s napětím z D/A převodníku odvozeným od po sobě jdoucích binárních čísel, které jsou teplotně nezávislé :) Klíčový vliv na celou linearitu pouze přesnost odporů v odporové síti D/A převodníku. Běžně dostupné rezistory s přesností 0,1% jsou však plně dostačující. Zjištěná relativní chyba měření pro měřenou teplotu 0 °C je v rozsahu teplot měřícího obvodu 30 – (-85)°C pouhých 0,15%. Nelinearita celého obvodu je pro zamýšlený rozsah použití max. 0,2%. Těchto výsledů obvod dosahuje z několika důvodů. Linearita měřící diody je při použití malého proudu v propustném směru (80 uA) téměř absolutní až do hodnot kolem -220°C. Měřící zesilovač sestaven z operačních zesilovačů je teplotně velmi dobře kompenzován pro v jádu symetrickou konstrukci operačního zesilovače sestávající se z PNP/NPN tranzistorů, které se navzájem kompenzují. Frekvenci určující krystal je v tomto rozsahu teplot jen mírně rozlaďován, ale tento rozdíl se po vydělení kmitočtu 1024 prakticky neprojeví. Čítač v převodníku provádí jen na teplotě nezávislé matematické operace a následný převodník složený z rezistorů chybu i přes teplotní závislost nevnáší, protože odpory mají pro své stejné provedení stejný teplotní součinitel. V tomto převodníku je důležitý pouze poměr hodnot 1:2 a ne jejich konkrétní hodnota.

Stanovení kalibrační závislosti převodníku:

Po sestavení převodníku nebylo třeba žádné další nastavování. K měření je však třeba experimentálně stanovit závislost rozestupu impulzů na teplotě. Tuto kalibraci jsem provedl na 3 body o známé teplotě. A to ve vodě o teplotě 30 °C ve vodě s ledem o teplotě 0°C a acetonu se suchým ledem -85°C. Pro téměř absolutní linearitu by stačila kalibrace na dva body. Ze získaných dat teplota/čas byla sestrojena přímka jejíž rovnice popisuje hledanou závislost. Ukázalo se, že u různých převodníků je směrnice přímky velmi podobná liší se jen její úsek a to hlavně díky odchylkám úbytku na měřící diodě při daném proudu a ofsetovém napětí použitého operačního zesilovače. Celý převodník byl navržen, aby jeho výsledná cena nepřesáhla 50 Kč. Je si třeba uvědomit, že se jedná zařízení s užitným časem kolem 2,5 h.

Zápis hodnot do txt soboru:

Pro snadné dekódování naměřených hodnot jsem vybavil audio výstup ze stanice usměrňovačem a komparátorem, který převádí stav ticho/ tón na logickou 0 a 1. tímto signálem již není problém spínat stopky měřící přesně časové úseky. S výhodou můžeme použít stopky na PC (např. program Xnote Stopwatch), který umožňuje řízení přes com port a zápis hodnot (mezičasů) do txt souboru ve formě tabulky. Z takto naměřených časů po exportu do excelu hromadně přepočítáme na teploty. Můžeme tedy sestavit graf teplota vs. letový čas. Když vše vyjde, jak má dostaneme závislost podobnou mnou změřené:

Sonda byla vypuštěna na mikrotenovém balónu, o obsahu cca 2 m³ naplněným 120 dm³ vodíku. Celkový aktivní čas sondy byl 194 min, z pozastavení poklesu teploty na -50 °C se dá usuzovat, že balon vystoupil až k tropopauze tj. výšky minimálně cca. 12km.

Konstrukce sondy:

Sondu je dobré umístit do polystyrenového obalu s vnějším neprodyšným pláštěm (lepící páska). Sonda je k balonu připevněna za jeden prvek dipólu. Druhou stranu je vhodné mírně zatížit, aby drát visel svisle a nekroutil se. K napájení minisondy se osvědčily 4 kusy 3V lithiových článků typu CR2032, které vydrží při daném provozu cca 4h. V praxi vypadaly některé z vypuštěných sond takto:

Balón a vodík:

Celková hmotnost sondy se pohybovala mezi 30-40 g což se projevilo pozitivně na možnosti jednoduché konstrukce balónu např. z velkých pytlů na odpadky (pozor některé jsou jemně perforované) Větší balón dle vlastních představ lze vyrobit z krycí mikrotenové folie. K jejímu spojování se mi osvědčila klasická trafopájka se smyčkou z ocelového drátu o průměru cca 1,5mm vyhnutou do kulata. Mikroten pak lze s velkou úspěšností svařit přes tenký lesklý papír z časopisů na hladkém dřevěném prkýnku. Nejjednodušší je vyrobit rukáv, který na obou stranách zavážeme. Pro fajnšmekry doporučuji poskládat si před svařením mikroten stejně jako je skládaný pytel na odpadky. Po nafouknutí vzniká zhruba kulové těleso připomínající opravdové výškové balony :)

Dva 100l odpadkové pytle.

Balon ala pytel na odpadky o objemu cca 2m³ celková váha 42 g.

Množství plynu v balonu na startu je dobré volit tak aby byl vztlak minimálně dvojnásobný k hmotnosti celku. S klesajícím okolním tlakem se bude plyn přirozeně rozpínat a balón zvětšovat. Pro možnost výstupu do 5,5 km je třeba počítat s dvojnásobnou rezervou objemu, do 10km je zvětšení objemu zhruba čtyřnásobné a pro výstup do 20km již cca 15 násobné. Jeden dm³ vodíku „uzvedne“ na zemi cca 1,2 g.

Vodík ve větším množství pro plnění balónu vyrobíme asi nejvýhodněji reakcí NaOH s hliníkem. Samotná reakce není z hlediska množství vodíku nikterak zázračná, avšak snadná dostupnost hydroxidu v drogeriích za cca 50kč/kg i hliníku činí tuto metodu všeobecně dobře použitelnou. Tato reakce v sobě nese jedno velké úskalí, a to vznikající reakční teplo, se kterým se nedá boj vyhrát. Množství tepla je takové, že ani chlazení měděné reakční nádoby ledem nedokáže reakci udržet pod kontrolou a teplota směsi nekontrolovaně s exponenciální rychlostí roste. To má za následek velmi rychlé uvedení obsahu reaktoru do varu což je spojeno s pěněním a vykypěním obsahu. O tom, že stříkající vroucí hydroxid není zrovna příjemné medium není třeba vést dlouhé polemiky. Tento problém se mi podařilo vyřešit překvapivě jednoduše a to záměnou vody za velmi koncentrovaný až nasycený roztok NaCl. Vzniká tak „těžká“ voda, která nemá sklony k pěnění a reakční směs za varu zůstává na svém místě. Také rozpouštění hydroxidu pak probíhá na základě jeho úbytku a jeho koncentrace v roztoku je během reakce takřka konstantní. Spolu s vodíkem se uvolňuje i velké množství páry, kterou je třeba od vodíku oddělit. Nejjednodušší ne však dokonalé je oddělení páry probubláváním směsi plynů přes vodu. Vodík zůstává sice vlhký, ale je již dobře použitelný. Dodušení je možné dalším promýváním např. přes koncentrovanou 98 % kyselinu sírovou. V praxi se mi osvědčila aparatura sestavená ze dvou silonových kanistrů. Varný reakční kanistr je dobré zabalit to nějaké látky nebo jej omotat drátem. (Má tendenci při provozní teplotě 108 °C měknout a nafukovat se.) K propojení lze použít gumové hadice o dostatečné světlosti. Rychlost vývinu vodíku je při varu směsi překvapivá a dosahuje na popsané aparatuře cca 1m³/h. Množství hliníku k reakci je dobré volit raději větší, aby bylo možno nechat reakci doběhnout až do vyčerpání hydroxidu. Vřele doporučuji používání ochranných pomůcek jako brýlí štítů, zástěr a rukavic.

Reakce vedoucí ke vzniku vodíku: 2NaOH + 2Al + 6 H₂O => 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂ Z rovnice vyplývá, že z 1kg vznikne 1246 dm³ vodíku a bude k tomu potřeba 1,48 kg NaOH

Na závěr je třeba říct, že sondážnictví je velmi zajímavá činnost, ovšem jako hodně zajímavých věcí je nelegální. V tomto případě hned minimálně dvakrát a to proviněním proti telekomunikačním mu zákonu a zákonu o leteckém provozu. Proto je dobré, chovat se během celé akce nenápadně :)

Letu zdar!