Nässesensor mit Schneehöhensensor für Wetterstationen

© 2004 Helmut Bayerlein, dc3yc [at] darc [.] de

Die interdigitale Sensorstruktur reagiert zusammen mit der Auswerteelektronik auf Regen, Schnee, Nebel und Hagel. Beim Ansprechen wird eine Heizung unter der Sensorstruktur eingeschaltet, sodass die Feuchtigkeit recht schnell verdunstet. Gleichzeitig wird dieses Ausgangssignal in meiner Sensorelektronik alle 30 Sekunden abgetastet. Ist zu einem Abtastzeitpunkt die Auswerteelektronik aktiv, wird der Wert für die relative Feuchte um 10% erhöht. Da das Sendeintervall des Sensors ca. 3 Minuten beträgt, wird je nach Niederschlagsdauer ein Wert zwischen 10% rH und 60% rH übertragen. Wird keine Nässe erkannt, beträgt der gesendete Wert 0% rH.

In den Analogeingang des Sensors wird das Ausgangssignal eines Ultraschall-Abstandsmessers eingespeist. Ich habe den Typ UPR1003P024A der Firma SNT Sensortechnik. Der Sensor besitzt einen analogen Ausgang von 1.5 V bis 10 V bei einer Entfernung des Reflektors zwischen 15 cm und 100 cm. Auch Sensoren anderer Hersteller sind geeignet, bei ebay findet man öfter passende Teile (nach Ultraschallsensoren suchen).
Da der Analog-Digital-Wandler nur eine maximale Eingangsspannung von 3 Volt  (genauer: Betriebsspannung) verträgt, muss ein passender Spannungsteiler vorgeschaltet werden.

Im letzten Winter habe ich Versuche gemacht und gefunden, dass Schnee ein passender Reflektor für Ultraschall ist. Auch unter schrägen Einfallswinkeln erfolgt noch eine ausreichende Schallreflexion.
Mein Testaufbau hat folgendes Aussehen:

Damit der Schnee ungestört auf die Messfläche fallen kann, ist der Sensor mit Trichter schräg angeordnet. Bei einem Abstand von 80 cm vom Boden und einem Winkel von 30º ist die Messstrecke maximal ca. 93 cm. Bei einer Auflösung von 8 Bit des ADC bekommt man eine Genauigkeit von besser als 0.5 cm vom Abstand Boden - Sensor und damit der Schneehöhe. Im Programm ist die Berechnung des Cosinus (30º) und die Subtraktion von den 80 cm bereits enthalten, sodass der übertragene Temperaturwert direkt der Schneehöhe entspricht. Durch den Messbereich des Sensors und den mechanischen Aufbau bestimmt, sollte sich die Schneehöhe im Bereich von 0 bis 60 cm messen lassen. Für das Flachland ist das bestimmt ausreichend; weitere Tests können allerdings erst im kommenden Winter durchgeführt werden.

So sieht das Schaltbild der Sensorelektronik aus:
 
 

Da der Ultraschallsensor mit 24 Volt arbeitet, der Nässesensor mit 12 Volt und der Datenverarbeitungsteil mit 3 Volt, muss man zwei Spannungsregler einsetzen. Die gesamte Schaltung bekommt 24 V zugeführt, daraus werden mit einem Dreibeinregler 12 V gemacht und aus diesen wiederum mit einem Festspannungsregler 3 Volt. Der Stromverbrauch der 12 V ist mit ca. 150 mA gerade so hoch, dass man einen 1 A-Typen ohne Kühlkörper betreiben kann. Bei einem Verbrauch von < 10 mA bei 3 V ist ein SMD-Regler ausreichend. Für den Ultraschallsensor ist ein Abblockkondensator (220µF) vorgeschrieben. Folgende Schaltung habe ich auf Lochrastermaterial aufgebaut: 

Die Fotos zeigen rechts den Conrad-Sensor und links meine Schaltung in einem wasserdichten Bopla-Gehäuse. Der Ultraschallsensor ist durch einen passenden Trichter vor Nässe geschützt.

Wegen Leiterplatten, programmierten Prozessoren oder Programmmodifikationen bitte eine EMail an dc3yc [at] darc [.] de senden!

Noch ein Hinweis:
Die Adresse des Sensors wird an K1 eingestellt. Wenn mittels Jumper alle drei Kontakte überbrückt werden, ist Adresse 0 eingestellt. Bei drei offenen Kontakten sendet der Sensor mit Adresse 7. Das niederwertige Bit (K1 Pin 5 und 6) ist auf Port P1.0 geführt (Prozessorpin 12); das höchstwertige Bit (K1 Pin 1 und 2) auf Port P1.2 (Pin 14). Ein gesteckter Jumper bedeutet Low-Pegel.

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