Indagolocus: Wo war ich gleich nochmal?

Ein Projekt in Zusammenarbeit mit der NABU Ortsgruppe Weißwasser. Problemstellung: Punkte draussen in der Landschaft nach langer Zeit möglichst genau wiederfinden. Für Langzeitstudien in der Natur müssen abgesteckte Untersuchungsfelder wiedergefunden werden. Erfahrungsgemäß sind Markierungen mit Stäben nicht zuverlässig. Deswegen werden Marker im Erdboden versenkt, auf Agrarflächen bis zu einem halben Meter tief. Bestehende Lösungen sind sehr teuer und trotzdem noch nicht perfekt für den Zweck.

  • Marker bis zu 50cm tief unter der Erde mit der Größe von Filmdosen
  • punktgenau: 5-10 cm Genauigkeit gewünscht
  • grobe Suche im 2-3m Umkreis notwendig, da GPS nicht genau genug

Lösungsansätze im Vergleich

  • Metallsucher: zu viel anderes Metall im Boden, daher sehr störanfällig
  • Magnetsucher: praktisch erprobt, aber Suchgerät sehr teuer
  • RFID Tags: gibt nur einen Anbieter, der aber Magnetsucher zur genauen Positionsfindung benutzt. Richtwirkung der Antenne in die falsche Richtung

Metallsucher

Basieren auf einem niederfrequenz LC-Schwingkreis dessen Spule eine große Luftspule ist, ähnlich wie bei magnetischen Antennen. Metall in der Nähe der Spule verändert deren Induktivität und damit die Frequenz des Schwingkreises. Gleichzeitig hat die Spule eine gewisse Richtcharakteristik, so dass man mit Erfahrung tatsächlich was finden kann.

Für unsere Anwendung sind Metallsucher allerdings nicht geeignet, da im Boden schon zu viel anderes Metall ist. Man kann halt nur schwer den eigenen Marker (Metallstück) von anderem Schrott unterscheiden.

Magnetsucher

Es gibt Magnetfeld-Sensoren, sogenannte Hallsensoren, beruhend auf dem Hall-Effekt. Elektronen die sich senkrecht zu den Magnetfeldlinien liegen werden abgelenkt. Lässt man Strom durch eine Platte fließen führt dies zu einer elektischen Spannung (Potentialunterschied) senkrecht zur Stromrichtung. Integrierte Hallsensoren bereiten dieses schwache Signal auf.

Die Idee bei dem Magnetsucher ist nun, ein Magnetfeld stärker als das Erdmagnetfeld zu detektieren. Dort wo das Maximum

Ein sehr empfindlicher Sensor ist Honeywell SS94A1F -115 bis +115 Gauss für ca. 35€. Welche Empfindlichkeit wir brauchen ist noch unklar. Eventuell werden auch zwei oder drei Sensoren benötigt, um mit den drei Raumrichtungen klarzukommen. Da ist Experimentieren und Nachdenken angesagt.

Eine rein analoge Variante benutzt die Ausgangsspannung des Sensors, um die Frequenz und Lautstärke eines NF Schwingkreises zu verändern (VCO). So wird daraus wieder ein akustisches Signal. Als VCO kann zum Beispiel der ICL8038 verwendet werden.

Mit einem Mikrocontroller wird es aber einfacher und flexibler: Die Ausgangsspannung wird mit ADC Eingängen abgetastet. Digital kann man dann die Signale von mehreren Sensoren „intelligent“ zusammenrechnen und daraus ein akustisches Signal erzeugen (Lautstärke, Frequenz, Impulse). Das Signal wird per PWM ausgegeben, geglättet und verstärkt für Kopfhöreranschluss oder kleiner Lautsprecher.

In beiden Varianten ist auf ein rauscharmes Design und Aufbau zu achten. Ansonsten fällt die Empfindlichkeit des Hallsensors der nachgeschalteten Elektronik zum Opfer.

RFID-Sucher

Es gibt passive 125kHz RFID Tags die an einer kleinen Ferritantenne angeschlossen sind. Damit lassen sich einige Meter überbrücken. Es gibt Bauanleitungen/Experimente bei denen das 125kHz Signal direkt vom Mikrocontroller erzeugt wird. Das vereinfacht schon mal die HF-Technik sehr.

Das Problem mit diesen Ansatz ist die Richtwirkung der Ferritantenne. Der Empfang ist maximal, wenn die Antenne Senkrecht zum Sender ist, also nicht auf ihn zeigt. Daher müsste die Antenne im Marker liegend verbaut werden. Das macht die Sache umständlich.

Experimente mit Magnetfeldsensoren

Ein analoger Sensor, z.B. der Honeywell SS94A1F über eibtron. Das Ausgangssignal liegt in Ruhe bei 2.5V und Bewegt sich dann zwischen ca. 0.2 und 4.7V. Dieses Signal müssen wir mit möglichst hoher Auflösung digitalisieren und dabei interessiert uns in der Entfernung eigentlich nur der Bereich um 2.5V herum, z.B. 2–3V oder noch kleiner.

AVR121: Enhancing ADC resolution by oversampling ⇒ 300uV pro Bit mit 29 Hz (14bit) und 75uV pro Bit mit 3Hz (16bit). Da können wir auch die Auflösung dynamisch runterfahren und die Samplingrate hoch, je nachdem was gerade wichtiger ist. Der SS94A1F liefert 25mV pro Gauss bzw. -115 bis +115 Gauss Messbereich. Das ergibt 0,014 Gauss pro Bit bis 0,0035 Gauss pro Bit. Na wenn das nicht reicht… Sowie weitere Tipps um das Rauschen zu reduzieren: http://www.atmel.com/Images/doc4278.pdf

Die AVCC und Aref Spannungen müssen gut gedrosselt sein. Solide 5V Versorgungsspannung wäre auch hilfreich. Dabei kann man ausnutzen, dass der Stromverbrauch vielleicht nicht so groß ist.

Andere Idee: externen high-resolution ADC verwenden

http://www.exp-tech.de/Sensoren/Magnet/CoreMag-HMC5883L-3-Achsen-Magnetometer.html 12bit ADC in +-8Gauss Feld ⇒ 0,0039 Gauss pro Bit, im Datenblatt steht was von 0.002Gauss Auflösung

Unser Erdmagnetfeld liegt bei 0.5 Gauss.

Wir könnten zwei ADCs nehme für die positiven und negativen Flussdichten. Dann muss jeder Bereich 2.5V abdecken und darf seinen programmierbaren Gain-Faktor von bis zu 8fach verwenden. Damit kommen wir auf bis zu 0,0002 Gauss pro Bit.

962-20 10K :: Spindeltrimmer als einstellbarer Spannungsteiler und TS 78L05 ACY :: U-Reg +5V 0,1A SOT89 als 5V Spannungsregler. Die 5V werden durch den Trimmer auf 2.5V geteilt und diese werden mit Kondensator geglättet. Der „positive“ ADC bekommt 2.5V als Vin- und Vhall als Vin+. Der „negative“ ADC bekommt Vhall als Vin- und 2.5V als Vin+. Wenn die 2.5V richtig auf den Nullpunkt des Hallsensors eingestellt sind, dann sollten beide ADC „0“ messen. Vhall sollte auch noch einen RC-Tiefpass bekommen, um Aliasing-Effekte zu vermeiden.

Alles Quatsch. Der ADC misst auch negative Pegel, also mit Vin+ kleiner als Vin-. Es genügt daher, einen ADC zu nehmen mit Vin-=2.5V und Vin+ gleich Vhall. Wir bekommen also Richtung plus 15bit Auflösung mit max 2.048V Ausschlag gegen Null bzw 0.256V mit 8x Verstärkung. 0.256V entsprechen 10Gauss bei 25mV pro Gauss. Das sind dann 0,0003 Gauss pro Bit.

An jedem Punkt gibt es nur eine Feldlinie als Vektor mit der Länge entsprechend der Feldstärke. Die Sensoren messen die Projektion dieses Vektors auf die Achse senkrecht auf den Sensor. Mit 3 Sensoren kann an die Feldstärke richtungsunabhängig messen. Allerdings interessieren wir uns nur für die Feldlinien senkrecht zur Erdoberfläche.

Sensoren

SS495A 4.5 - 10.5 V/DC SIP 2,13€ 3,15 mV/Gauss +-670 Gauss
SS495A1 4.5 - 10.5 V/DC SIP 4,08€ 3,15 mV/Gauss +-670 Gauss höhere Fertigungsgenauigkeit?
SS59ET 2.7 - 6.5 V/DC SOT 89 B 2,61€ 1,4 mv/Gauss +-1000 Gauss
SS94A1F 6.6 - 12.6 V/DC Keramik 35,18€ 25 mV/Gauss +-115 Gauss
SS94A2 6.6 - 12.6 V/DC Keramik 28,53€ 5 mV/Gauss +-500 Gauss
91SS12-2 13,67 7,5 mV/Gauss
Allegro A1301 2,41 2.5 mV/Gauss
Allegro A1302 2,37 1,3 mV/Gauss

Erkenntniss der Sucherei: Es gibt keine empfindlicheren Sensoren als der +-115 Gauss Bereich.