3T geeft zonnestralingsmeter intelligente sensor interface

Wanneer het weerbericht rept over de hoeveelheid zonnestraling, dan is de kans groot dat pyranometers van Kipp & Zonen eraan te pas zijn gekomen om die te meten. Maar ook bij het vinden van de meest geschikte plek voor zonnepanelen spelen de systemen een belangrijke rol. Om de stralingsmeters, de nauwkeurigste in hun soort, van een intelligente sensorinterface te voorzien, ging het Delftse bedrijf in zee met 3T uit Enschede.


Kipp & Zonen: Intelligente sensor interface voor pyranometersDe CMP 11 Pyranometer met SSI van Kipp & Zonen

Een pyranometer wordt gebruikt om de hoeveelheid zonnestraling te meten, in de meteorologie maar bijvoorbeeld ook in de land- en tuinbouw en de solarmarkt. Hart van het systeem is een roetzwarte sensor die de straling absorbeert over een breed spectrum, van tweehonderd tot vierduizend nanometer. Als gevolg van die absorptie ontstaat een (klein) temperatuurverschil met de behuizing, dat met thermokoppeltjes wordt omgezet in een spanning van -5 mV tot +50 mV – de negatieve spanning treedt op in het donker, wanneer de zwarte sensor door infrarooduitstraling meer afkoelt dan zijn omgeving. Versterking en linearisatie geven vervolgens een geijkt signaal in watt per vierkante meter. Luxere uitvoeringen hebben ook een temperatuursensor aan boord om te corrigeren voor de omgevingstemperatuur en zo een nog nauwkeuriger sensorsignaal af te leveren.

Kipp & Zonen uit Delft is marktleider in dergelijke zonnestralingsmeters. De oorspronkelijke pyranometer van het bedrijf is passief. Het instrument gaat vergezeld van een kalibratiecertificaat met de gevoeligheid in µV per W/m2, correctietabellen voor omgevingstemperatuur en een overzicht met de respons als functie van de zonnehoek. De gebruiker moet het sensorsignaal dan zelf omrekenen naar een nauwkeurige meetwaarde voor de zonnestraling.

De Smart Sensor Interface (SSI) maakt er een actief meetinstrument van. Deze module, die in de pyranometer wordt gemonteerd, bevat de benodigde gegevens voor kalibratie en correctie en past die toe op de sensoroutput. Daarmee levert het instrument direct een spanning of een stroom, die een maat is voor de gemeten zonnestraling in W/m2. Bovendien heeft de SSI een digitale communicatie-interface, die de meetwaarde zonder verlies aan nauwkeurigheid doorgeeft.

Kipp & Zonen gebruikt een computergestuurd systeem om zijn actieve pyranometer te kalibreren. De instellingen slaat het op in het instrument. Daarnaast bewaart het ze in een eigen kalibratiedatabase.

KippZonen_CVF4_klein
De pyranometer moet zijn werk doen in de meest uiteenlopende omstandigheden.

Wolk voor de zon

De SSI is een idee van Kipp & Zonen zelf. Voor de uitwerking heeft het Delftse bedrijf gezocht naar een partner met expertise in sensor- en interface-elektronica. Daarbij is de keuze gevallen op 3T. De opdracht was om een oplossing te ontwikkelen die alle correcties uitvoert en een digitale interface levert, terwijl de nauwkeurigheid van de ‘kale’ sensor behouden blijft.

Vertrekpunt was een functionele specificatie van maar liefst tachtig pagina’s (zie kader). Een van de eisen was een normale werking op 5 tot 30 V, bijvoorbeeld op een accu van 12 of 24 V, eventueel opgeladen door zonnecellen. De analoge uitgang voor de meetwaarde moet naar keuze spanning (0 tot 1 V) of stroom (4 tot 20 mA current loop) leveren, in het laatste geval met een aansluitweerstand van 50 tot 500 Ω. De digitale interface moet het Modbus-protocol aanbieden via een RS485-signaal, zodat uiteenlopende apparatuur aan te koppelen is. Ook moet het mogelijk zijn er meerdere pyranometers op aan te sluiten die individueel zijn uit te lezen.

Product eisen

  • voedingsspanning 5 tot 30 V
  • ingang -5 mV tot +80 mV
  • uitgang 0 tot 1 V of 4 tot 20 mA (current loop)
  • digitale interface met RS485
  • Modbus RTU-protocol (geschikt voor andere protocollen)
  • software-interface met uitgebreide specificaties
  • software te downloaden via de digitale interface
  • operationele temperatuur -40 tot 80 graden Celsius
  • warmteontwikkeling < 100 mW
  • inbouwruimte 32 bij 32 mm (cilindrisch)

Kipp & Zonen had de wens om de behuizing ongewijzigd te laten. Dat betekende dat de elektronica moest passen in de bestaande cilindrische ruimte onder in het instrument. Daarbij dient het systeem te functioneren in een breed temperatuurbereik omdat de pyranometer wordt ingezet van zuidpool tot woestijn. De belangrijkste uitdaging was echter om ervoor te zorgen dat de SSI zo weinig mogelijk warmte produceert. De module zit immers in het huis van de pyranometer, naast een sensor waarvan de werking berust op een thermisch principe en wiens nauwkeurigheid dus wordt beïnvloed door warmte.

Een andere belangrijke wens was een snellere responstijd van de pyranometer. Bij een plotselinge verandering van de stralingsinval, bijvoorbeeld doordat een wolk voor de zon schuift, bereikt de sensor zijn eindwaarde pas na vijf tot achttien seconden, afhankelijk van het toegepaste type detector. Het doel was een insteltijd van hoogstens twee seconden, wat meer in overeenstemming is met de responstijd van zonnecellen.

Tegenstrijdige parameters

Uiteindelijk hebben we twee aparte producten ontwikkeld: een met spanningsoutput en een met current loop-uitgang. Bij de eerste konden we vooraf berekenen en garanderen dat de SSI zou voldoen aan de gestelde eisen. Als controller hebben we een 32 bit Cortex-M3-processor genomen uit de LPC1700-serie van NXP. Deze heeft veel resources aan boord, zoals Ram, flash en AD- en DA-converters, wat scheelt in kostprijs en ruimte.

SSI-200
De SSI bestaat uit twee flexibel verbonden prints van 25 bij 28 mm, met het analoge en digitale deel zo veel mogelijk gescheiden om interferentie te voorkomen.

Belangrijk was ook dat deze Cortex-M3 verschillende instellingen kent voor energiezuinig gebruik. We hebben ervoor gekozen om hem niet op topsnelheid te laten draaien maar op 12 MHz, zodat de energieconsumptie een stuk lager is. In een cyclus van 100 ms handelen we alle berekeningen af, waarna de processor in slaap gaat. Voor de gehele SSI blijft de warmteontwikkeling daardoor beperkt tot 55 mW (bij 12 V voeding) à 60 mW (24 V). Wel mag de RS485-driver maar kort actief zijn, wat in de praktijk ook het geval is.

Een SSI met stroomuitgang voldoet niet zomaar aan de eis voor maximale warmteontwikkeling. Een current loop-circuit met een klassieke analoge driver produceert veel meer dan het toelaatbare, tot wel 200 mW (bij 24 V voedingsspanning en een belastingsweerstand van 500 Ω). Daarom hebben we voor deze versie eerst onderzoek gedaan naar een current loop-driver met technieken uit schakelende voedingen. Nauwkeurigheid, stabiliteit en warmteontwikkeling bleken tegenstrijdige parameters. We zijn uitgekomen op een nauwkeurigheid van 0,05 procent voor de spanning/stroomomzetting, waarbij de current loop-driver bij een 12 V voeding tot 28 mW aan warmte ontwikkelt en tot 40 mW bij 24 V. Dit zijn maxima; de waardes in de praktijk zijn acceptabel voor de klant.

Om de gewenste responstijd van twee seconden te realiseren, hebben we de SSI voorzien van een softwarematig fast-response filter. Nadeel van een dergelijk filter is dat het ruis toevoegt aan het meetsignaal. De kwaliteit van het meetcircuit vóór de sensor is echter zodanig dat de hoeveelheid ruis verwaarloosbaar is.

SSI-panel2
Voor de hanteerbaarheid van de kleine flexprint bij machinale assemblage en tests heeft 3T een paneel ontworpen waarin vijf SSI-modules passen.

Adequate bescherming

Het was nog even puzzelen om de elektronica in de beperkte inbouwruimte te krijgen. Het bleek niet mogelijk om het ontwerp op één print te realiseren. Dan zouden we componenten heel dicht op de rand moeten plaatsen en analoog en digitaal zouden te dicht bij elkaar komen te zitten. Daarom hebben we gekozen voor twee flexibel verbonden prints van 25 bij 28 mm, met het analoge en digitale deel zo veel mogelijk gescheiden om interferentie te voorkomen. De resulterende flexprint is een betrouwbare oplossing die slechts beperkte meerkosten heeft in vergelijking met een gewone print.

In het veld staat het systeem bloot aan uiteenlopende weersinvloeden. Met name blikseminslag vraagt om een gedegen bescherming van de elektronica. Absolute garantie voor het overleven van een inslag kunnen we niet geven, maar we hebben er rekening mee gehouden in het design. Samen met goed afgeschermde externe bekabeling biedt dit adequate bescherming, zo hebben EMC-tests aangetoond.

De software hebben we geschreven in C. Nieuwe besturingsprogrammatuur is via een bootloader in het instrument te laden. Tijdens de ontwikkeling hebben we de software na elke build onderworpen aan unittests met behulp van het Google C++-testframework. Zo zijn we erin geslaagd betrouwbare code te maken met minimale functionele herkwalificatie. De werking van de hele SSI hebben we gecontroleerd met een eigen testapplicatie, geschreven in de Labview-omgeving van National Instruments. Deze applicatie hebben we gebruikt om via de digitale interface aan te tonen dat alle functionele eigenschappen voldoen aan de specificaties.

Test systeem

3T heeft zelf de prototypes geproduceerd en gekwalificeerd op functionele en technische specificaties. Vervolgens hebben we ook de serieproductie verzorgd voor Kipp & Zonen. Daartoe beschikken we in Enschede over uitgebreide labvoorzieningen waar we ESD-veilig kunnen werken met elektronica.

Voor de hanteerbaarheid van de kleine flexprint bij machinale assemblage en tests hebben we een paneel ontworpen waarin vijf SSI-modules (‘opengevouwen’ flexprints) passen. Daarbij hebben we een testautomaat ontwikkeld die met contactpennen aan de onderzijde verbinding maakt met testaansluitingen op elke module. Deze automaat maakt gebruik van programmeerbare voedingen en data-acquisitiemodules, onder besturing van NI’s Teststand-software.

Inmiddels heeft Kipp & Zonen de SSI ook toegepast in zijn SHP1-pyrheliometer. Dit instrument registreert enkel de hoeveelheid direct invallende zonnestraling, waar een pyranometer ook de diffuse straling meet.

Klaas Bangma is projectleider bij de hoofdvestiging van 3T in Enschede, onder meer van het project voor Kipp & Zonen. Richard Mijnheer is manager commerciële zaken bij 3T en verantwoordelijk voor business development en marketing.

Bron: Bits&Chips, 2 mei 2014