Výškoměr

Konstrukce barometrického plně analogového výškoměru vznikla z mé zvědavosti co takové čidlo tlaku umí a taky jsem si chtěl trochu pocvičit operační zesilovače, které jsem až doposud ignoroval :) Měření výšky vychází ze základního faktu, že tlak vzduchu klesá z výškou a to celkem lineárně do výšky cca 10 km. Trend poklesu tlaku je v "lineární oblasti" zhruba 10,34Pa/m. Výškoměry pracující na tomto principu dále předpokládají, že tlak vzduchu se v rámci několika hodin po kalibraci výškoměru nemění. Ve skutečnosti tomu tak není a změna tlaku daná změnou teploty masy vzduchu nad místem měření může mít na výsledek značná vliv. Měření tímto systémem zklame hlavně při náhlé změně počasí (přechod studené, teplé fronty) měna tlaku o 1hPa způsobí odchylku o cca 9 m. Taková změna tlaku je celkem běžná i pro dny se stálým počasím bez výrazné změny. Ale asi to nebude tak tristní, když se takovéto výškoměry používají všude tam, kde je nenahradil systém GPS popřípadě radiolokace u letadel v malé výšce. 

Závislost zanesená do grafu do výšky 20km nad zemským povrchem vypadá takto:

Konstrukce výškoměru:

Hlavní součástkou výškoměru je čidlo barometrického tlaku MPX4115 s napěťovým výstupem se závislostí 46mV/kPa. Čidlo pracuje v rozsahu 15-115 kPa a má teplotní kompenzaci (-40-80°C). Z výše uvedeného grafu vyplývá, že by se s tímto čidlem dala měřit výška do cca 13km nad zemským povrchem. Informace o výšce je zprostředkována pomocí změny napětí na výstupu výškoměru a to se závislostí 1mV/m. Při pokusech jsem k zobrazení výšky používal  obyčejný multimetr a panelový voltmetr s děličem pro rozsah 1999 mV. Celé zapojení upravuje výstup z čidla tak, aby byla výstupní závislost právě 1mV/m. Pro zobrazení údaje přímo v m.n.m je třeba k získanému napětí z čidla přidat ještě základní úroveň od které se měření odvíjí.

Popis zapojení:

K zpracování výstupního signálu z čidla jsou použity běžné dvojité operační zesilovače LM358 vykazující velmi nízkou spotřebu a možnost nízkého napájecího napětí. První operační zesilovač pracuje v diferenciálním zapojení tj. od napětí na neinvertujícím vstupu se odečítá napětí na invertujícím vstupu. Aby měření začínalo vždy od nuly a mělo stejný rozsah je třeba před měřením nastavit potenciometrem napětí stejné jako je napětí na výstupu z čidla tj. na výstupu z operáku je napětí nulové. Toto seřízení je třeba provést vždy právě kvůli přirozené změně tlaku vzduchu. Nulové napětí na výstupu je pro snadnější nastavování indikováno přebliknutím diod na výstupu druhého operačního zesilovače, který pracuje jako komparátor s překlapovací úrovní na nulovém potenciálu. Tyto diody pak svým přebliknutím indikují přechod z pod referenční úrovně na které byl výškoměr kalibrován nad tuto úroveň. (čili bude to domů z kopce nebo do kopce :)) Třetí operační zesilovač pracuje jako  neinvertující zesilovač, pomocí kterého převedeme výstupní závislost čidla 46mV/kPa (46mV/96m) na požadovanou hodnotu 100mV/100m tj. zesílení cca 2x. Při kalibraci výškoměru je nastavení tohoto trimru zcela klíčové pro jeho přesnost, nečiní to však žádné problémy pokud nebydlíte na Hané :) Poslední zesilovač pracuje jako sčítačka napětí a umožňuje tak nastavit pomocí druhého potenciometru nadmořskou výšku ve které se nacházíte při kalibraci na místní tlak pomocí prvního potenciometru. Integrovaný obvod ICL7660 pracuje jako zdroj záporného napětí pro operační zesilovače- to je nutné pro možnost podkročení referenční úrovně, kdy se na výstupu prvního operáku objeví záporné napětí, které se jako záporné zesiluje i přičítá k nastavenému napětí referenční úrovně tj. napětí se odečte od nastavené počáteční výšky a údaj  na se displeji snižuje. Celé zařízení je napájeno přes stabilizátor napětí LP2951 s malým úbytkem (40 mV) s funkcí odpojení zdroje při poklesu výstupního napětí pod nastavenou úroveň. (tím bych chtěl všechny upozornit na existenci tohoto obvodu, který svými vlastnostmi a funkcemi převyšuje ostatní stabilizátory o několik tříd)

Návrh plošného spoje pro SMD součástky velikosti 0805, rozměr destičky 61x20mm

Osazení: První dva integráky operační zesilovače LM358 pak ICL7660 a LP2951 ( z leva). Všechny odpory (modře) až na 3 mají hodnotu 100K  a ty tři si najděte :), kondenzátory červeně, použité nastavovací prvky- 18 otáčkové trimry - vyhnout nožičky a připájet jako SMD. Místa označené tečkou stejné barvy nutno propojit.

 

Postup měření a kalibrace:

Vysvětlím na konkrétním příkladu z mé praxe: Když je vše spájeno bez chyby měl by výškoměr fungovat na prví šup, odběr je do 10 mA, svítí jedna z diod a na zdroji záporného napětí naměříme cca -4,8V kladná větev má 5,1V. Otáčením potenciometru k nastavení nuly najdeme místo kdy přeblikávají diody (nikdy nebudou svítit obě najednou) Měřením zkontrolujeme, zda je výstupní napětí prvního operáku blízké nule (odchylka v jednotkách mV) Nyní když vezmeme výškoměr měly by se diody přebliknout při změně výšky o cca 2m. Druhým potenciometrem nastavíme údaj na displeji aby odpovídal naší skutečné nadmořské výšce. Vezmeme výškoměr a vyrazíme na výlet na další místo se známou výškou (čím větší rozdíl tím lépe). V mém případě byla počáteční výška 300 m.n.m. a vyrazil jsem na nedaleký kopec s výškou 393 m.n.m. Na kopci byla na displeji hodnota 398 m.n.m. Trimrem jsem proto snížil zesílení tak aby byla zobrazena skutečná výška 393 m.n.m. Změna zesílení nemá na počáteční hodnotu vliv, protože začínáme od nuly a ta se zesílit nedá :) Tím je výškoměr zkalibrovaný a připraven k použití.

Konstrukční detaily:

Obě LED diody musí být stejné, protože je vyžadován konstantní odběr zařízení (zdroj záporného napětí je velice měkký a změna zatížení způsobuje změnu záporného napětí a tím i celkovou chybu měření) Ledky musí být nízkopříkonové do 2mA, aby zbytečně nevybíjely případnou napájecí baterii.

Použité potenciometry (trimry) jsou víceotáčkové pro přesné nastavení hodnot, měly by jít ztuha by nedošlo při manipulaci k změně nastavení, které musí být po celou dobu měření stejné.

Při konstrukci vodotěsného výškoměru dbejte na fakt, že v něm musí být přece jenom malá dírka :)

Takovéto panelové měřidlo vyžaduje oddělený napájecí zdroj- kdo toto vymyslel :(

Použité čidlo MPX4115A