Der neue 2m Sensor

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Da beim jetzigen 2m Sensor der Feuchtigkeitssensor im Bereich 90% – 100% eher schlecht als recht misst und weiterhin neue Bodentemperatursensoren geplant sind, habe ich begonnen einen neuen 2m Mast aufzustellen und mit einem neuen 2m Sensor, samt neuen Strahlungsschutz zu bestücken. Der derzeitige Lüfter im Strahlungsschutz wird über ein Solarmodul angetrieben und läuft daher nur bei Sonnenschein. Sobald eine Wolke vor die Sonne zieht, stoppt somit die Frischluftzufuhr und die gemessene Temperatur steigt an. Daher wurde der neue Strahlungsschutz Dauerbelüftet ausgelegt. Beim jetzigen Strahlungsschutz kommt ein 12V PC-Lüfter zum Einsatz. Zusammen mit einer Stromaufnahme von rund 100mA, ist dieser gänzlich ungeeignet für einen Dauerbetrieb über Akkus, welche von einem Solarmodul nachgeladen werden. Nach intensiver Suche, wurde ich bei meinem Lieblings-Elektronikversandhandel fündig. Es gab gleich 3 Kandidaten für einen Solarmotor mit geringer Stromaufnahme bei einer geringen Spannung bis max. 3,6V. Ich bestellte mir alle 3 und schaute, welcher am besten geeignet ist. Meine Wahl fiel auf einen Solarmotor mit 33mA Stromaufnahme bei 3,6V. Hier kommt ein 30 Ohm Vorwiderstand zum Einsatz, um den Stromfluss auf die besagten 33mA zu begrenzen. Zusätzlich lies ich mir 2 Rotorblätter mit 3 Rotorflügeln kommen, welche genau auf die 2mm Welle des Motors passt. Als Akku kommen 2 NiMh Packs mit je 3 Zellen in Reihe mit 1500mAh Kapazität zum Einsatz. Parallel geschaltet komme ich mit den beiden Packs auf 3000mAh, was rechnerisch ausreicht, um bei 35mA Stromverbrauch den Solarmotor für 85,7 Stunden bzw. 3,6 Tage anzutreiben. Genug Zeit also, um auf Sonne zu hoffen, welche die Akkus nachlädt. Da der Motor des weiteren auch sehr ruhig läuft (ausser ein leises surren, welches durch den Rotor entsteht, ist nichts weiter zu höhren), ist er der ideale Kandidat für diesen Job. Ich werde mir bei meiner nächsten Bestellung zur Sicherheit noch das eine oder andere Exemplar davon, zur Reserve zulegen.

Zunächst wurde der neue Strahlungsschutz gefertigt und der Motor darin montiert. Nachfolgend wurde das neue SHT75 Sensorelement in den neuen Strahlungsschutz montiert.


Hier ist der neue SHT75 Sensor auf einer Lochrasterplatine zu sehen. Deutlich sind die Anschlussleitungen zu erkennen. Hierbei ist braun (ganz links) die SCK Leitung (Serial Clock), rot ist die Betriebsspannung (2,7V – 5,5V), schwarz ist Masse/GND und grün stellt letztlich die Datenleitung dar, welche über einen 10k Ohm Widerstand an die Betriebsspanung zu führen ist, um einen eindeutigen Signalpegel bereit zu stellen.


Nachfolgend wurde ein Teil des Sensors, sowie die Anschlussplatine in Heißkleber eingegossen, um diese vor Witterungseinflüsse zu schützen.


Hier ist nun der SHT75 Sensor über dem Rotor zu sehen. Der Strahlungsschutz liegt auf dem Kopf. Der Lüfter saugt die Luft nach oben ab. Direkt darunter befindet sich der Sensor, welcher somit von der angesagten Frischluft umspült wird. Die Unterseiten (bis auf die unterste) wurden weder weiß lackiert, noch mit Aluminium – Klebeband beklebt. Dies hat den Vorteil, dass eventuell über Reflektionen einfallende Strahlung nicht weiter zum Sensor reflektiert wird, sondern vom Blumentopfuntersetzer absorbiert wird. Die unterste Seite, welche zur Wiese zeigt, wurde dann wieder vollständig mit Aluminium beklebt, so dass sich hier das Material nicht erwärmen kann.


Hier ist nun der Strahlungsschutz fertig aufgebaut und der SHT75 Sensor wurde an eine Versuchsschaltung angeschlossen. Später folgt noch die Fertigung der abschließend eingesetzten Elektronik. Diese wird auch 5 Sensoren des Typs DS18B20 ansteuern und deren Daten über Funk an die Wetterstation senden. Von diesen 5 Sensoren werden 4 als Bodentemperatursensoren (-5cm, -20cm, -50cm und -100cm) eingesetzt, einer wird als neuer +5cm Sensor eingesetzt, zur Ermittlung von Bodenfrost. Dazu aber später mehr. Das bis hier niedergeschriebene, repräsentiert den Projektzustand am 11.09.2016.

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Update, 22.09.2016:

Inzwischen sind nun auch auch die Unterseiten der Blumentopfuntersetzter weiß lackiert und der Untersetzter, an welchem der Holzstab (in welchem sich der Solarmotor befindet) angeschraubt ist, wurde durch einen Neuen ersetzt. Denn bei dem alten Untersetzer waren die Schrauben so fest angezogen, dass er sich verzogen hatte. Dies war in Hinsicht auf den Luftstrom zwar nicht störend, sah allerdings nicht schick aus. Daher habe ich einen weiteren Blumentopfuntersetzter weiss lackiert und mit Alu-Klebeband beklebt.

Seit gestern Abend funktioniert auch die Elektronik weitestgehend. Der SHT75, als auch die 5 DS18B20 Sensoren sind am Mikrokontroller angeschlossen und werden korrekt ausgelesen. Das auf der Platine angelötete Funksendemodul erfüllt seine Aufgabe ebenfalls erwartungsgemäß. Die Daten des SHT75 wurden gestern Abend zur Probe als neuer Sensor in ein Sensortelegramm verpackt und gesendet. Die Wetterstation zeigte 3 Minuten später einen weiteren Sensor an und in der Rohdatendatei der Wetterstation fanden sich auch die korrekten Werte des SHT75.

Zur Ladeelektronik ist folgendes zu sagen:

Die Sensorelektronik wird über 3 NiCd Akkus betrieben, welche in Reihe geschaltet sind und je über 600mAh verfügen. Der Solarmotor wird über 2 parallel geschaltete Akkupacks mit je 3 in Reihe geschalteten NiMh Akkus mit 1500mAh betrieben, was somit satte 3000mAh an Kapazität ergibt. Alle Akkus werden über ein 4V/200mA Solarmodul mit Strom versorgt. Hierbei sorgen 2 Speerdioden dafür, dass die NiCd Akkus und die NiMh Akkus zwar vom Solarmodul gespeist werden, es aber keinen Stromfluss der verschiedenen Akkutypen untereinander gibt und auch nachts kein Strom ins Solarmodul fließt. Während die NiCd Akkus einen 30 Ohm Vorwiderstand haben (Die Messelektronik benötigt bei weitem nicht so viel Strom, wie der Solarmotor), hängen die NiMh Akkus nach der Speerdiode direkt am Solarmodul und bekommen somit fast (abzüglich des Stroms, welcher in die NiCd Akkus fließt) die komplette Ladung Strom ab. Dies ist auch notwendig, da der Solarmotor mit 33mA reichlich Strom zieht, während sich die Elektronik mit ein paar wenigen mA begnügt.

Noch zu erledigen:

Um auch von dem WS2500/WS2200 Display, welche noch als Anzeigegerät in Verwendung sind, korrekt empfangen zu werden, müssen die Daten des SHT75 Sensor in einem vom Funkprotokoll festgelegten Zeitintervall gesendet werden. Dieses Zeitintervall muss noch programmiert werden. Für die 5 DS18B20 Sensoren muss noch jeweils eine Senderoutine geschrieben werden. Da diese Sensoren nicht so wichtig sind, dass diese auf den Displays zu sehen sein müssen und der Empfänger der Wetterstation dauerhaft empfängt, ist bei diesen Sensoren eine Einhaltung irgendwelcher Sendezeiten irrelevant. So wie es derzeit aussieht, kann der Sensor am Sa den 24.09.2016 draussen am neuen 2m Mast installiert werden und wird dann für mind. 2 Monate im Probebetrieb parallel zu den aktuellen Sensoren am derzeitigen 2m Mast laufen, bevor dann der derzeitige 2m Mast samt Sensoren abgebaut wird.

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Update, 25.09.2016:

Es ist geschafft. Der neue 2m Mast steht und die neuen Sensoren erledigen brav ihre Arbeit. Die Bilder gibt es in der neuen Bildergalerie.

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Update 03.10.2016 – 20:47 Uhr:

Es ist geschafft. Der neue 2m Sensor läuft nun mit nahezu identischen Werten, wie sie der bisherigen 2m Sensor liefert. Es lag an der Akkuspannung, welche Nachts so tief absank, dass der neue SHT75 zwar noch funktionierte, aber zu tiefe Temperaturen gemessen hat. Dies lag daran, dass der Ladestrom für die NiCd Akkus durch die Stromabnahme der NiMh Akkus und dem Solarmotor zu gering war. Nun läuft der Solarlüfter nur noch am Tage (mit 110 Ohm Vorwiderstand), während die NiMh Akkus ohne Vorwiderstand, den restlichen Strom zum Aufladen nutzen. Es sind nun nur noch die NiMh Akkus für die Sensorelektronik im Einsatz. In der Nacht setze ich nun darauf, dass die Lücken zwischen den einzelnen Blumentopfuntersetzer-Schalen groß genug für eine passive Belüftung sind. Am Tage zeigt sich der Solarmotor trotz der 110 Ohm Vorwiderstand recht genügsam. Denn selbst bei dichter Bewölkung am Himmel, läuft dieser.

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Der Winter ist oft recht trüb, die Sonne steht tief... keine guten Karten für solar betriebene Inselsysteme wie dem neuen 2m Sensor samt Bodensensoren. Hier sollte das Solarmodul also gut überdimensioniert sein, um auch bei trüben Winterwetter noch mehr Strom in die Akkus zu pumpen, als die Schaltung verbraucht. Denn dieser Stromüberschuss lädt die Akkus für die Nacht.

Beim Bau des neuen 2m Sensors, vertraute ich der Aussgae von Pollin in Hinblick auf diese Solarmodule: Link zu den Solarmodulen. Von denen hatte ich 5 Stück bestellt und in Reihe geschaltet. Ergäbe also 5V/200mA. Allerdings liefern Siliziummodule bei trüben Wetter weit weniger "Restenergie" als Dünnschichtsolarmodule. Diese Tatsache führte dazu das in der letzten Zeit immer wieder Akkuwechsel angesagt war. Erst versagen die Bodensensoren ihren Dienst und melden kurriose Werte, dann meldet sich die gesamte Schaltung ab und sendet keine Daten mehr. So hatte ich im letzten Monat immer wieder lange gerade Striche in den Diagrammen. Alle 3-4 Tage ging es bei Wind und Wetter raus, die alten Akkus entnehmen und durch frisch geladene ersetzen. Dem habe ich nun heute ein Ende bereitet:


Auf der linken Seite sieht man 2 direkt nebeneinander montierte Dünnschichtsolarmodule aus ehemaligen LED-Solarlampen. Diese Solarmodule hatten schon meinen alten 2m Sensor gespeist. Da ich den alten Sensor noch eine Weile parallel laufen ließ, brauchte der neue Sensor ein neues Solarmodul. Hier kamen die oben angesprochenen Pollin-Module zum Einsatz. Inzwischen ist der alte 2m-Sensor allerdings abgebaut und damit waren seine alten Solarmodule frei zur Verwendung am neuen Sensor. Diese habe ich dann auch heute dort montiert. Kurz die Kabel durchgeknippst, die Pollin-Module abgeschraubt, die Dünnschichtmodule montiert und die Kabel mit Hilfe eines kleinen Gasbrenners direkt vor Ort an die Elektronik angelötet und schließlich mit Schrumpfschlauch vor Witterungseinflüsse geschützt, fertig. Eine erste Kontrollmessung ergab eine Akkuspannung 3,68V. Nur eine halbe Stunde später habe ich erneut gemesssen und war erfreut stolze 4,02V messen zu können. Dieser Spannungsanstieg zeigt, dass die Akkus trotz des trüben Wetter geladen wurden. Damit sollten nun beständig wieder auftretende Sensorausfälle Vergangenheit sein.

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Ich hatte mich die ganze Zeit immer gewundert, warum es auf 5cm nur selten in den Frostbereich geht. Hute nun habe ich mir die Sache mal angeschaut. Naja, wenn der Sensor in einem dicken Grasbüschel drin steckt, dann kann da auch keine Frostluft ran kommen. Also das ganze Gras raus gerupft, so dass der 5cm Sensor nun großflächeig an der frischen Luft ist und siehe da, die Werte fallen auf unter 0°C. Logisch, dass Gras um den Sensor herum war mit Reif verziert und der Sensor befand sich zum Zeitpunkt der Grasentfernung noch im Schatten.

Kurz gesagt: Jetzt stimmen die Werte, der Sensor ist nun aus dem Grasbüschel raus und an der frischen Luft.

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Moin,

heute wirds dem 2m Sensor leider etwas warm. Die Belüfung ist ausgefallen. Angetrieben wurde sie von einem 3V Solarmotor. Wie sich nun zeigt, sind die offenbar nicht sehr zuverlässig. Daher wird nun flugs auf 12V und einem Computer-Lüfter umgebaut. Entsprechende Lüfter habe ich hier und ein 12V/5W Solardmodul liegt hier auch noch rum. Der umfangreichtse Teil wird es, eine Montagemöglichkeit fürs Solarmodul zu bauen.

Also heute bitte nicht über die hohen Werte wundern. Ich versuche den neuen Lüfter so flink wie möglich hin zu bekommen .

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Ich weiss nicht, warum bei solch nasskaltem Wetter immer die SHT75 Sensoren anfangen zu streiken. Beim Alten hat sich im letzten Winter das Temperaturelement verabschiedet, der Sensor sendete -40°C und die korrekte Luftfeuchtigkeit. Derzeit stimmt die Luftfeuchtigkeit nicht. Da braucht es keinen Wetterexperten um zu wissen: wenn alles tropfnass ist, haben wir sicher keine 50% Luftfeuchtigkeit. Ich hoffe, dass es nur ein Spannungsprobem ist. Durch das ewige Dauergrau sind die Akkus leer. Ich habe sie zwar im Ladegerät wieder aufgeladen, aber offenbar haben sie noch nicht ihre Endspannung erreicht. Denn der 5cm Sensor ist nur sehr sporadisch mal zu empfangen, was auf ein Spannungsproblem in Folge leerer Akkus schließen lässt. Mal sehen, wie ich dieses Problem wieder löse... Irgendwo habe ich 2 6V Solarmodule liegen, einen Laderegler und einen 6V Akku. Denke mal, daraus müsste sich eine neue Energieversorgung für die Elektronik des 2m Sensor bauen lassen. In der Hoffnung, dass die beiden Solarmodule selbst bei diesem dauergrau noch ausreichend Ladestrom liefern um den Stromverbrauch der Elektronik zu kompensieren.

Auf die Schnelle lässt sich das Problem allerdings erst einmal nicht beheben. Daher werden die falschen Luftfeuchtigkeitswerte zunächst bleiben. In der Hoffnung das irgendwann auch mal wieder die SOnne raus kommt und die Akkus wieder lädt.