Stand: 13.07.2005

Simple Aurora Monitor (SAM) - Software (Version 3.1b)

0. Allgemeines

Die SAM - Betriebssoftware ist hinsichtlich ihres Verhaltens weitestgehend parametrierbar. In der vorliegenden Version werden zwei Sensoren zur Messung des Erdmagnetfeldes (Ost-West-Richtung) unterstützt.

Wir empfehlen die Uhr auf UTC zu stellen. Nur dann ergibt sich die Möglichkeit des weltweiten Vergleiches der Messwerte mit anderen Magnetometern. Speziell bei der Bestimmung des lokalen K-Wertes kann es zu Abweichungen gegenüber anderen Magnetometern kommen, wenn die Uhr auf Lokalzeit gestellt ist.

Da die Magnetfeldsensoren eine gewisse Temperaturabhängigkeit haben, erheben wir nicht den Anspruch den Absolutwert des magnetischen Flusses bestimmen zu können. Dies ist für die meisten Anwendungen auch nicht nötig, da es vor allem auf den qualitativen Verlauf der Messwertkurve ankommt. Wenn wir dennoch den Absolutwert im Display darstellen, ist das für die Anwender gedacht, die durch entsprechende Maßnahmen eine konstante Temperatur am Sensor erreichen.

Wir haben die Software und auch die Anzeige der Messwerte bisher verhältnismäßig einfach gehalten. Wir wollten keine unnötigen Funktionen realisieren und erwarten uns durch die recht große Anwenderzahl einen Ideenschub betreffs wirklich sinnvoller Erweiterungen.

1. Allgemeiner Programmablauf

Nach dem Einschalten und der Anzeige des Starttextes im Display durchläuft das SAM eine Initialisierungsphase. Dabei wird die interne Messwertschlange gefüllt und es wird die Referenzfrequenz (Sensorfrequenz zum Einschaltzeitpunkt) des Sensors bestimmt. Aus dieser Referenzfrequenz wird der Referenzwert des magnetischen Flusses (nT) berechnet. Die Initialisierungsphase dauert etwa 10 Sekunden. Danach beginnt SAM mit den Messungen. Wenn SAM mit den Standardeinstellungen betrieben wird, erfolgt gegen 00:00 eine Neubestimmung des Referenzwertes.

Die Messungen erfolgen zyklisch. Es gibt dabei folgende Zeittakte:

1s-Takt:

· Messung der Sensorfrequenz und Berechnung des magnetischen Flusses,

· Ausgabe des Messwertes im Display in der Form: “<Vektor>: Absolutwert / Relativwert nT “(Relativwert = aktueller Messwert – Referenzwert), wobei Vektor der gemessenen Magnetfeldkomponente entspricht (X,Y oder Z),

· Ausgabe der Relativwerte oder des K-Wertes auf die Analogausgänge,

· Ausgabe des Messwertes auf die RS-232 Schnittstelle. Dabei kann über einen Parameter festgelegt werden, in welchem Intervall der Messwert gesendet wird. Der Standard ist 1s.

60s-Takt:

· Bestimmung des lokalen K-Wertes,

· Ausgabe des lokalen K-Wertes im Display in der Form „letzter K-Wert / aktueller K-Wert“,

· Schalten des Alarm-Ausganges und der LED in Abhängigkeit vom eingestellten Schwellwert.

Außerdem gibt es noch folgende wichtige Zeiten: 00:00, 03:00, 06:00, 09:00, 12:00, 15:00, 18:00 und 21:00. Es handelt sich dabei um die Intervalle für die acht K-Werte eines Tages. Grundlage der Bestimmung des K-Wertes ist die Differenz zwischen Maximum und Minimum innerhalb eines 3h-Intervalles. Dabei liegt SAM folgende Tabelle zugrunde:

K-Wert	Max. – Min. [nT]
0	0..10
1	11..15
2	16..25
3	26..50
4	51..90
5	91..152
6	153..225
7	226..370
8	371..600
9	> 600

Bei der Bestimmung des K-Wertes erfolgt noch keine Berücksichtigung des Tagesganges des Erdmagnetfeldes. Dies kann dazu führen, dass tagsüber auch bei ungestörtem Erdmagnetfeld K-Werte im Bereich K=3 ... K=4 bestimmt werden. Wir werden versuchen, den Tagesgang in die Bestimmung des K-Wertes einfließen zu lassen. Momentan sind wir auf der Suche nach einem einfachen Algorithmus. Da der Tagesgang des Erdmagnetfeldes jahreszeitlichen Schwankungen und auch noch anderen Einflüssen unterworfen ist, können wir zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht sagen, ob die Berücksichtigung des Tagesganges aufgrund des beschränkten Speicherplatzes im Controller realisierbar ist.

2. Bedienfunktionen

Über die 4 Taster können in der vorliegenden Programmversion folgende Aktionen ausgelöst werden.

F1: Dieser Taster startet/beendet den Kommandomodus.

F2: Dieser Taster startet/beendet den Kalibriermodus.

F3: Die Betätigung dieses Tasters löst einen Software-Reset aus. Dieser entspricht dem Einschalten des Gerätes, jedoch ohne Unterbrechung der Betriebsspannung.

F4: Schaltet die Displaybeleuchtung für 6 Sekunden ein. Wenn der Alarmschwellwert überschritten ist, kann über F4 der Relaiskontakt zurückgesetzt werden.

Hinweis:

Nach Beendigung des Kommando- bzw. des Kalibriermodus empfiehlt sich ein Software-Reset über F3, damit es zu keinen Abweichungen bei der Bestimmung des K-Wertes kommt.

3. Messwertverarbeitung

Der Fluxgate-Sensor liefert ein Rechtecksignal, dessen Periodendauer vom umgebenden magnetischen Fluss abhängig ist. Diese Abhängigkeit ist über einen großen Bereich weitestgehend linear. Deshalb arbeitet die Software mit einer einfachen Geradengleichung der Form y = m*x + c zur Berechnung der Messwerte.

Um kurzzeitige Störungen des Sensors auszublenden, erfolgt eine Filterung der Messwerte über ein Median-Filter mit 11 Elementen. Bei dieser Filterung werden die letzten 11 Messwerte in einer Messwertschlange gespeichert. Dabei wird der jeweils älteste Messwert durch den aktuellen Messwert ersetzt. Die Messwertschlange wird nach aufsteigenden Messwerten sortiert und der Messwert an der 6. Position wird als Ergebnis zurückgeliefert. Der Vorteil des Median-Filters gegenüber einer einfachen Mittelwertbildung besteht darin, dass kurzzeitige starke Schwankungen keinerlei Einfluss auf den gefilterten Messwert haben. In der vorliegenden Konfiguration muss eine Messwertänderung für mindestens 5-6 Sekunden anliegen, um als solche erkannt zu werden.

4. Kalibriermodus

Der Kalibriermodus ist eine Hilfe zum Ausrichten des Sensors in Ost-West-Richtung.

Die „Nullfrequenz“ der Sensoren ist schwierig zu bestimmen, da wir über keine abgeschirmte Messkammer verfügen. Eine einfache Methode ist folgende:

1. Der Sensor wird waagerecht auf einer Unterlage platziert und grob in Richtung Ost-West ausgerichtet. Es sollten möglichst keine Metallteile in der näheren Umgebung vorhanden sein.
2. SAM wird durch Betätigung von F2 in den Kalibriermodus gebracht.
3. Durch Drehung des Sensors versucht man die Ausrichtung zu finden, bei der die Frequenz nach einer Drehung um genau 180° gleich bleibt.
4. Hat man die entsprechende Einstellung gefunden, befindet sich der Sensor annähernd genau in der magnetischen Ost-West-Richtung und die angezeigte Frequenz entspricht der Nullfrequenz.

Wem dieses Verfahren zu aufwendig ist, der kann eine Nullfrequenz von ca. 62kHz annehmen ohne große Ungenauigkeiten bei der Messung befürchten zu müssen.

Wenn der Sensor installiert wird, sollte man SAM in den Kalibriermodus bringen und den Sensor so lange ausrichten bis er in etwa die Nullfrequenz anzeigt. Soll die X- oder die Z-Komponente gemessen werden, so dreht man den Sensor nach erfolgter Ost-West-Ausrichtung um 90° in die entsprechende Richtung. Dabei gilt:

Y-Komponente -> Anschlüsse nach Westen

X-Komponente -> Anschlüsse nach Süden

Z-Komponente -> Anschlüsse nach oben

Die Median-Filterung der Messwerte wird im Kalibriermodus unterdrückt, so dass im 1s-Intervall der aktuelle Messwert angezeigt wir. Zusätzlich erscheint in der 4. Displayzeile die Frequenz des Sensors. Die Berechnung des lokalen K-Wertes erfolgt im Kalibriermodus nicht.

5. Kommandomodus

Im Kommandomodus ist SAM bereit, Befehle über die RS-232-Schnittstelle zu empfangen. Folgende Befehle sind zur Zeit implementiert.

1. Setzen des Datums,

2. Stellen der Uhrzeit,

3. Auslesen der gesetzten Parameter aus dem EEPROM und senden der Daten zum PC,

4. Übertragung eines neuen Parametersatzes vom PC zu SAM.

6. Parametrierung

Um eine hohe Flexibilität zu erreichen, gibt es eine Vielzahl von Programmparametern, die den Ablauf der Betriebssoftware steuern. Diese können vom Nutzer nach seinen Wünschen eingestellt werden. Um den Umfang des Programmes im Controller zu begrenzen, kann die Änderung der Programmparameter nur auf dem PC über ein spezielles Programm erfolgen (Download Betriebssoftware und Parametrierprogramm).

7. Betrachtungen zur Genauigkeit der Messwerte

Der Sensor ist in einem Bereich von +/-50000nT verhältnismäßig linear. Die Nichtlinearität wird vom Hersteller mit etwa 5.5% angegeben. Im für uns interessanten Messbereich (Y-Komponente bei ca. +/- 1000nT) ist die Linearität fast ideal. Aus diesem Grund ist eine 100%ige Ausrichtung des Sensors auch nicht unbedingt erforderlich. Eine grobe Ausrichtung in Ost-West Richtung ist ausreichend. Als Richtwert sollte der angezeigte Absolutwert im Bereich von +/- 1000nT liegen. Je größer die Abweichung ist, umso größer wird auch der Einfluss der X- und der Z-Komponente des Erdmagnetfeldes.

Den größten Einfluss auf die Genauigkeit der Messwerte hat die Temperaturabhängigkeit des Sensor. Laut Herstellerangaben beträgt der Temperaturgang im Bereich des Nullfeldes etwa 30nT/K. Für eine Festinstallation empfiehlt sich das Vergraben des Sensors in möglichst großer Tiefe, um Temperaturschwankungen zu verringern. Dabei muss der Sensor nicht noch extra wärmeisoliert werden. Für die letzten 1-2m des Sensorkabels ist eine Wärmeisolation jedoch empfehlenswert, sofern dieses in geringer Tiefe verlegt ist. Gute Ergebnisse wurden auch bei der Platzierung des Sensors in Kellerräumen erzielt. Wird der Sensor in Wohnräumen installiert, muss mit Störungen der Messung durch elektrische oder magnetische Felder (Fernseher) gerechnet werden. Für den Feldeinsatz ist eine Wärmeisolation von Sensor und Sensorkabel zwingend notwendig.

Ich betreiben eine Sensor, der in 80cm Tiefe in einem Plastikgehäuse ohne zusätzliche Wärmeisolation vergraben wurde. Der Sensor wurde waagerecht platziert und mit einem Kompass in Ost-West Richtung ausgerichtet. Das Kabel zum Sensor hat eine Gesamtlänge von 40m. Davon sind die letzten 5m knapp unter der Grasnarbe verlegt und tauchen dann kurz vor dem Sensor nach unten ab. Eine Auswertung meiner Magnetogramme im März/April 2002 ergab eine Drift der Messwerte über 24h von etwa 30nT, was einer Temperaturänderung von 1K entspricht. Ich nehme an, dass die Hauptursache dieser Temperaturunterschiede in der fehlenden Wärmeisolation des Sensorkabels liegt, welches aufgrund der Kupferlitze ein guter Wärmeleiter ist. Trotz dieser thermischen Drift ist die Übereinstimmung meiner Messwerte mit denen das Observatoriums Magnetsrode sehr gut.

Nach dem Anlegen der Betriebsspannung benötigt der Sensor etwa 20-30 Minuten, bis sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat. Während dieses Zeitraumes kann es zu einer Drift der Messwerte von mehreren Hundert nT kommen. Aus diesem Grund sollte ein Software-Reset (F3) durchgeführt werden, nachdem die Messwerte zum Stillstand gekommen sind.

Die Auflösung der Messwerte liegt zwischen 1 und 2 nT und ist somit ausreichend, um kleinste Änderungen zu erfassen. Autos erzeugen bis 15m Abstand eine Änderung von 15-20nT. Güterzüge machen sich auf über 100m bemerkbar, wenn die Bahnstrecke genau Senkrecht zum Sensor verläuft.