Jste zde

Elektronické výškoměry = MEMS barometry

Antonín Vojáček, 10. Září 2011 - 16:22

Plošnou orientaci a měření polohy na naší zemi lze dnes snadno a dostatečně přesně provádět pomocí systému GPS navigace. Ta ale již není příliš vhodná pro přesné měření nadmořské výšky či převýšení. Zde vykazuje dost velké odchylky. Proto se i např. turistické GPS navigace pro tyto účely vybavují dalším snímačem - elektronickým tlakovým výškoměrem...

V nabídce známých výrobců integrovaných obvodů, například společností STMicroelectronics a Freescale Semiconductor, můžete narazit na skupiny zajímavých integrovaných MEMS senzorů označených jako integrované senzory absolutního tlaku – barometry. Mimo klasické měření a zobrazení atmosférického tlaku se však využívají i pro realizaci výškoměrů (altimetrů), tedy pro měření relativní i absolutní nadmořské výšky. Jaké jsou však možnosti a úskalí tohoto řešení?

Jak lze měřit nadmořskou výšku ?

Jak je všeobecně známo, s nadmořskou výškou, s tím jak se snižuje hmotnost sloupce vzduchu, klesá i atmosférický tlak. Tohoto jevu se právě využívá i pro realizaci tzv. barometrických výškoměrů, které jej měří a následně podle převodního algoritmu přepočítávají na nadmořskou výšku. Přestože to v praxi není úplně přesný systém měření, protože atmosférický tlak s časem kolísá, stále je to však obvykle přesnější způsob než například navigační systém GPS. U něj totiž též hodnoty naměřené nadmořské výšky s časem kolísají z důvodu tzv. dýchání výšky. Někdy tato chyba může být i v řádu stovek metrů v relativně dost krátké době. Proto se například i turistické GPS navigace Garmin doplňují právě barometrickým výškoměrem.

Převod tlaku na nadmořskou výšku

Snímač nadmořské výšky je tedy obvykle barometr. Průměrná hodnota tlaku vzduchu u mořské hladiny (tedy 0 m nad mořem) činí 1013,3 hPa. Tato hodnota se obecně bere jako referenční. Přestože v praxi se atmosférický tlak mění s teplotou a zeměpisnou šířkou, je tato hodnota uvažována pro výškoměry jako základní převodní konstanta (přesně však platí pouze při teplotě 15 °C a na 45° zeměpisné šířky). Dále pak je důležitý tzv. vertikální barický stupeň, který vyjadřuje o kolik metrů musíme vystoupat, aby tlak vzduchu poklesl o jeden hektopascal (hPa). V nížinách klesá tlak vzduchu o jeden hPa po osmi metrech stoupání, v nadm. výšce 1800 m je však pokles o jeden hPa až po 10 m stoupání a ve výšce 7300 m je pokles o jeden hPa až po 20 m stoupání. Tlak vzduchu tedy neubývá s výškou lineárně, ale stoupáme-li do výšky o stejné úseky (aritmetickou řadou ), klesá tlak vzduchu řadou geometrickou. Po každých 5,5 km stoupání se snižuje tlak na polovinu.

Tabulka přepočtu průměrných hodnot tlaku vzduchu na nadmořskou výšku.

Na vertikální barický stupeň pak má dost výrazný vliv také změna teploty, která se projevuje následovně: Zatímco například při teplotě 0°C musíme vystoupat o osm metrů, aby se tlak vzduchu snížil o 1hPa, při teplotě +10°C musíme vystoupat o 30 cm více (tedy 8,30 m). Proto je také v každém moderním elektrickém výškoměru implementována teplotní kompenzace.

Vliv podmínek na funkci výškoměrů

Důsledkem všech přírodních vlivů je tedy fakt, že ani přístroj s barometrickým výškoměrem ve střednědobém horizontu nezaručuje přesnou hodnotu nadmořské výšky. To je jejich hlavní a téměř jediný problém. Na druhou stranu v relativně krátké době po kalibraci či naopak dlouhodobým průměrování hodnot lze získat i velmi přesné výsledky s chybou jen jednotek metrů. V praxi nás navíc ve většině případů zajímá hlavně relativní převýšení mezi dvěma výškovými body měřené v horizontu několika hodin, například aktuální výškový profil trasy během jednoho dne, nikoli dlouhodobé absolutní hodnoty.

Pokud chcete sledovat svou absolutní nadmořskou výšku je pak nutné alespoň jednou denně (při stabilním počasí) provést kalibraci výškoměru tím, že elektronice snímače se v daný moment zadá aktuální známá nadmořská výška (zjištěná například z mapy nebo značené kóty). Tu si elektronika přiřadí aktuálně své naměřené hodnotě absolutního atmosférického tlaku. Prudká změna počasí přitom může vyvolat odchylku i několik desítek metrů, což znamená nutnost častější kalibrace. Krátkodobě po kalibraci však lze dosáhnout i velmi přesného měření s chybou v řádu jen jednotek metrů.

Konstrukce MEMS barometrů / výškoměrů

U integrovaných barometrů se obecně využívá známého piezorezistivního jevu, kdy určité materiály mohou za určitých okolností měnit svůj odpor na základě mechanického namáhání, a tedy i tlakem. Tento jev je zvláště výrazný právě u polovodičů, což se výborně hodí právě pro realizaci integrovaných polovodičových senzorů. Pro vyšší přesnost a citlivost se pak používá zapojení více senzorů do můstku, jehož výstup je dnes dále převáděn A/D převodníkem na číslicový signál následně upravován a vyhodnocen číslicovými algoritmy v procesorech.

V praxi se měřící části integrovaných senzorů tlaku obvykle realizují jako miniaturní vzduchová dutina na jedné straně uzavřená pružnou minimembránou, na níž je přímo implementován onen zmíněný odporový můstek s piezoelementy. Ty pak ve výsledku převádí tlakem způsobené prohnutí membrány na požadovaný elektrický signál, který se dále analogově či číslicově zpracovává a u výškoměrů přepočítává na metry.

Integrované barometry / výškoměry Freescale

Nejnovějším příspěvkem společnosti Freescale do nabídky barometrů vhodným pro výškoměry (altimeters) je senzor MPL3115A. Jako jeden z mála i v porovnání s konkurencí totiž nabízí také přímo výstup v podobě hodnoty nadmořské výšky. Jde tedy o plnohodnotný integrovaný výškoměr obsahující MEMS tlakový senzor, teplotní kompenzační senzor, přesný 24bitový A/D převodník, vyhodnocovací elektroniku s MCU jádrem a datové sériové komunikační rozhraní I2C, který má místo i pro uživatelský program. U takového senzoru pak již nepřekvapí nízkopříkonové režimy, časové automatické měření, zpracování a záznam získaných dat s frekvencí až 128 vzorků za sekundu. Pro tyto účely přímo senzor obsahuje vnitřní FIFO paměť na 32 hodnot.

Dle nastavení vnitřních registrů senzorů lze tedy získávat 20bitové naměřené hodnoty buď v podobě absolutního tlaku v jednotkách Pascal či v podobě nadmořské výšky v metrech. V prvém případě s rozlišením na 1,5 Pa v rozsahu 200 až 1100 hPa nebo v druhém případě s rozlišením 30 cm v rozsahu převýšení cca -300 až 5 000 m n. m, přičemž hodnoty jsou vnitřními algoritmy teplotně kompenzovány a linearizovány. Relativní přesnost měření je samozřejmě horší a pohybuje se v hodnotách +/- 50 až +/- 100 Pa, tedy cca +/- 4 až 8 m. Toto je v praxi však ještě prakticky akceptovatelná chyba, i vzhledem ke změnám atmosférického tlaku. Pracovní teplotní rozsah -40 až + 85 °C vyhovuje běžnému prostředí bez problému a malé pouzdro LGA velikosti jen 5 mm x 3 mm x 1,1 mm umožňuje nasazení i do malých přenosných zařízení a čidel.

Blokové schéma integrovaného altimetru / barometru Freescale MPL3115A.

Samozřejmě v nabídce Freescale najdete i další zajímavé a pro konstrukci výškoměrů vhodné senzory absolutního tlaku, ale žádný z nich již Vám přímo nedává hodnotu nadmořské výšky, kterou je tak nutné externě ještě v nějakém MCU či CPU zpracovat hodnotu tlaku a převést na výšku.

Například lze zmínit taky digitální barometr MPL115A s měřícím rozsahem 500 až 1150 hPa, který též obsahuje tenzometrický tlakový senzor napojený na A/D převodník a s plně digitálním zpracováním naměřených hodnot i s teplotní integrovanou teplotní kompenzací. Komunikační rozhraní může být buď v podobě I2C sběrnice nebo SPI. Výrazně horší je však rozlišení měření na 150 Pa (tedy 100x horší), čímž i rozlišení nadmořské výšky se pohybuje v řádu 14 m, což již není nic moc, zvláště pro potřeby pozemních (turistických) výškoměrů, kde se převýšení pohybuje v řádu desítek až stovek metrů. Z toho je patrné, že pro výškoměry, je nutné spíše používat specializované senzory, které výrobce pro tento účel přímo doporučuje.

Blokové schéma integrovaného barometru Freescale MPL115A.

Integrované barometry STMicroelectronics

Též další známý výrobce integrovaných obvodů a senzorů, společnost STMicroelectronics, nezůstává pozadu a v nabídce v letošním roce najdete již 3 zástupce: LPS001D, LPS001WP a LPS331AP. Všichni představují moderní plně integrované senzory absolutního tlaku (barometry) s integrovanou speciálně vyvinutou snímací částí s miniaturní monolitickou křemíkovou membránou VENSENS, s teplotní kompenzací, A/D převodníkem, vyhodnocovacím procesorem a datovou komunikací I2C či SPI.

Zatímco první dva zástupci shodně poskytují měřící rozsah 300 až 1100 hPa, poslední z nich, senzor LPS331AP, má rozsah o něco větší (260 - 1260 hPa). Nejen tím se nejvíce hodí pro použití ve výškoměru, protože také nabízí rozlišení již 2 Pa. To odpovídá výšce cca 30 cm. Tedy parametr podobný senzoru Freescale MPL3115A. Také obsahuje 24bitový A/D převodník, ale relativní chyba měření je udávána jako +/- 10 Pa, tedy cca +/- 0,85 m, což je dokonce 10x lepší hodnota. Dokonce i absolutní chyba měření napříč celým měřícím rozsahem je jen +/- 100 Pa, což proti udávaným +/- 400 Pa u Freescale je také výrazně lepší. Na druhou stranu senzor od STM poskytuje ve svých registrech prostřednictvím komunikačního rozhraní pouze hodnoty tlaku a ne již přímo přepočet na metry nad mořem. To se musí provést externě.

Konstrukčně o něco málo starší senzory LPS001D a LPS001WP pak obsahují pouze 16 bitový A/D převodník a poskytují o něco horší rozlišení 10 Pa, resp. 6,5 Pa. I to však stále představuje možnost rozlišení jednotlivých výškových metrů, přičemž i relativní chyba měření +/- 150 Pa, tedy cca +/- 13 metrů je ještě stále pro monitorování nadmořské výšky dobře prakticky akceptovatelná hodnota.

Blokové schéma integrovaných barometrů STMicroelectronics.

Závěr

Elektronické barometrické výškoměry dosahují dnes při neměnném počasí velmi dobré přesnosti i okolo jednoho metru, tedy o řád lepší než prostřednictvím systému GPS. V praxi hodnoty barometrického výškoměru takřka nekolísají a při dodržení několika pravidel, jako např. pravidelná kalibrace, měření v závětří apod., lze získat výškový profil odpovídající skutečnosti s velkou přesností.

Pokud tedy například provozujete turistiku či provádíte nějakou rekognoskaci terénu, kde je pro vás výškový profil zajímavá či dokonce nutná informace, je zařízení s tlakovým (barometrickým) výškoměrem stále nejpřesnější metoda, jakou lze nadmořskou výšku měřit.

Článek vytvořil z podkladů výrobců a z praktických zkušeností: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Další aktuální články z oblasti integrovaných senzorů na serveru automatizace.HW.cz:

Hodnocení článku: 

Komentáře

Anonymous (neověřeno) - 22. Září 2011 - 22:16

kde sa daju kupit a aka je cena?