Gewitter-Detektor und -Warngerät

Wie müsste ein Gerät aussehen, das möglichst zuverlässig vor herannahenden Gewittern warnt? Dazu sollte es auch noch einfach und preiswert zu bauen sein und nach Möglichkeit auch noch energiesparend im Betrieb. Hier eine Zusammenstellung der bisherigen Versuche:

21.6.13: Blitzempfänger-Shield für Arduino
21.6.13: Blitzbeobachtung und Messergebnisse
20.6.13: Sferics-Empfang mit Zähler
20.6.13: Gewitterindikator auf 10 kHz
20.6.13: 500-kHz Sferics Range Detector
19.6.13: Blitzmessung mit Spectrum Lab
19.6.13: Blitzmessung mit dem Zähler
17.6.13: Blitzauswertung mit dem Tiny13
17.6.13: Retroradio als Blitzwarner
17.6.13: OPV-Blitzwarner
14.6.13: Blitzimpuls-Auswertung
13.6.13: Blitz-Antennen und Empfänger
12.6.13: Blitzimpuls-Anzeige
11.6.13: Arduino-Logger
10.6.13: Blitzimpuls-Logger mit Mega32

Erste Versuche und Konzepte für solche Geräte wurden bereits im Elektronik-Labor vorgestellt: Heinz D. hat seinen Gewitter-(Früh-)Warner in mehreren Varianten gezeigt. Alle Versuche basierten auf Mittelwellenempfängern und dem Empfang bei ca. 500 kHz. Ein Vorschlag zur Verwendung des TA7642 gefiel mit besonders gut, weil dieses IC preiswert ist und eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Außerdem hat es besitzt eine automatische Verstärkungsregelung mit einem Umfang von ca. 40 dB (siehe www.elexs.de/drm18.htm). Bei starken Eingangssignalen sinkt die Ausgangsspannung bis auf ca. 0,9 V, ohne Signal liegt sie um 1,2 V. Durch Messung der Ausgangsspannung sollte es möglich sein, die Feldstärke eines Blitzes zu bestimmen und daraus die Entfernung abzuschätzen.

Die Energie eines Blitzes reicht von 10 kHz bis über 1 MHz, wobei das Maximum bei sehr kleinen Frequenzen liegt. Deshalb könnte es sinnvoll sein, weit unterhalb von 500 kHz zu empfangen um einen besseren Störabstand und deutlichere Signale zu erzielen. Allerdings spielt dieser Empfänger wegen seiner kleinen internen Koppelkondensatoren dann nicht mehr mit. Ein Versuch mit einer 100-mH-Drossel als Empfangsspule mit einer Resonanzfrequenz unter 100 kHz zeigte, dass es so nicht geht. Der Empfänger ist aber noch gut für den Bereich zwischen 300 kHz und 500 kHz geeignet (Labortagebuch 5.3.12: Frequenzgang des TA7642).

Bei der Entwicklung neuer Geräte mischen sich am Anfang Ziele, Vorinformationen und Wunschvorstellungen von denen man noch nicht weiß wie realistisch sie sind. Was ich mir wünsche ist jedenfalls dies: Eine sehr kleine Ferritantenne aus einer Festinduktivität wird auf ca. 500 kHz abgestimmt und liefert ein Signal an den TA7642. Die Empfindlichkeit reicht (so hoffe ich) für Blitze bis zu einem Abstand von 20 km aus. Ein kleiner Mikrocontroller misst permanent die Ausgangsspannung des Empfängers und zeigt ein nahes Gewitter an und nach Möglichkeit auch die ungefähre Entfernung und die Intensität des Gewitters.

Für den ersten Versuch habe ich eine Radioplatine aus dem Retroradio und den Tiny13 aus dem Lernpaket Mikrocontroller kombiniert. Eine Festinduktivität mit 1,5 mH bildet zusammen mit einem Kondensator von 56 pF den Eingangskreis. Die Controllerplatine liefert + 5V an den Empfänger. Eine rote LED sorgt für eine Stabilisierung auf ca. 1,8 V. Das Ausgangssignal des Empfängers wird über den Eingang ADC3 des Tiny13 ausgewertet. An Port B4 liegt eine LED, die die Intensität des Gewitters anzeigen soll. Der Mikrocontroller soll dabei nicht nur die Häufigkeit der Blitze sondern auch die Höhe der gemessenen Impulse bewerten.

'Gewitterwarner
$regfile = "attiny13.dat"
$crystal = 1200000
$hwstack = 8
$swstack = 4
$framesize = 4

Config Adc = Single , Prescaler = 4 , Reference = Avcc ' Pre 8...32
Start Adc
'Open "comb.1:9600,8,n,1,INVERTED" For Output As #1

Config Portb.4 = Output
Portb.3 = 1

Dim N As Word
Dim I As Word
Dim A As Word 'altueller Analogwert
Dim B As Word 'maximaler Blitzpegel
Dim H As Word 'Blitze gemittelt

Do
 H = H * 9 'Mittelung
 If H > 0 Then Portb.4 = 1 'LED-Start
 For I = 0 To 500 Step 10
 If B > 5 Then Portb.4 = 1
 B = 0
 For N = 1 To 200 'Messdauer ca. 100 ms
 A = Getadc(3)
 If A > 270 Then A = 270 'Max 1,3 V
 A = 270 - A 'negative Impulse umdrehen
 If A > B Then B = A 'Maximum
 Next N
 If B > 1 Then
 H = H + B 'Mittelung
 If B > 14 Then H = H + 50 'Sehr hohe Impulse
 If H > 5000 Then H = 5000
 End If
 If I >= H Then Portb.4 = 0 'LED-Ende
 If I >= 400 Then Portb.4 = 0 'LED-Ende, max 80%
 Next I
 H = H / 10 'Mittelung
Loop

End

Das Programm verwendet eine Mittelung /Tiefpassfilterung der gemessenen Impulse und gibt das Ergebnis in einer Art Langsam-PWM mit einer Periode von ca. zwei Sekunden aus. Die Länge des Lichtblitzes zeigt die Intensität des Gewitters. Wenn viele starke Blitze erkannt werden dauert es lange, bis die LED-Impulse wieder abklingen.

Ein erster Test mit einem Lichtschalter war erfolgreich. Ein- und Ausschalten einer Lampe erzeugt impulsartige Funkstörungen ähnlich wie ein Blitz. Schnelles und häufiges Betätigen des Schalters bringt tatsächlich die gewünschte Gewitterwarnung.

Ein Blitzsimulator

Um das Warngerät entwickeln und testen zu können habe ich mir einen einfachen Blitz-Simulator gebaut. Er verwendet ebenfalls einen Tiny13 und erzeugt einen Blitz pro Sekunde, der jeweils aus einem kurzen Wellenpaket besteht. Eine kleine Sendespule aus einer Festinduktivität mit 47 µH wird mehr oder weniger nah an die Empfangsantenne gehalten. Ein nahes Gewitter wird in einem Abstand von wenigen Zentimetern simuliert. Ob das allerdings realistisch ist, steht noch in den Sternen. Was mit fehlt sind reale Gewitter.

'Gewittersimulator
$regfile = "attiny13.dat"
$crystal = 1200000
$hwstack = 8
$swstack = 4
$framesize = 4

Config Portb.4 = Output
Portb.3 = 1

Dim N As Word

Do
 For N = 1 To 30
 Portb.4 = 1
 Portb.4 = 0
 Next N
 Waitms 1000

Loop

End

Offene Fragen

Das Endziel der Entwicklung sollte ein sehr einfacher Empfänger und ein Mikrocontroller mit einem Auswerteprogramm sein, das zuverlässig die Entfernung und Intensität eines nahen Gewitters angeben kann. Solche Geräte gibt es bereits, z.B das neue AS3935 Franklin Lightning Sensor IC von AMS, das übrigens ebenfalls bei 500 kHz arbeitet: www.ams.com/eng/Products/RF-Products/Lightning-Sensor

Wenn man sich ansehen will, wie Blitze professionell untersucht werden, sollte man hier vorbeischauen:

http://www.friese-electronic.de/sfericsempfang/
http://blitzortung.org/Webpages/index.php
http://blitzortung.org/Documents/TOA_Blitzortung.pdf
www.wetteronline.de/?pcid=pc_blitze_map&gid=DL&pid=p_blitze_map&sid=Intensity
www.fhd-osterode.de/wetter/gewitterkarte.htm
www.blitz-radar.de/

Dies sind kompromisslos genau Messungen. Durch genaue zeitliche Zuordnung der empfangenen Impulse mehrerer Stationen können die Blitzorte ermittelt werden. Die gezeigten Karten geben einen schönen Überblick, wo in Europa es gerade blitzt und donnert.

Die Leute von Blitzortung.org verwenden stationäre Antennen und Empfänger. Mir geht es aber darum, ein möglichst kleines, portables und einfaches Gerät zu entwickeln. Bisher sind noch folgende Fragen offen.

Wie groß muss der Ferritstab werden?
Ist 500 kHz die optimale Frequenz?
Wie sehen Impulse realer Blitze in bestimmten Entfernungen aus?

Ich sehe schon, wenn ich das alles allein schaffen will, brauche ich mehrere Jahre, vor allem weil es hier so selten gewittert. Deshalb hier ein allgemeiner Aufruf zur Mitarbeit: Ich bitte alle am Thema Interessierten um Messungen der Ausgangsspannung eines TA7642 bei interschiedlichen Blitzen, möglichst mit einer Schätzung der Entfernung. Wer ein digitales Oszilloskop hat, kann einen negativen Triggerlevel einstellen und möglichst mehrere Blitze in ein Bild packen. Reichen die Impulse bis herunter zu 1,1 V oder gar 0,9 V? Und wie lang sind die Impulse? Stimmt mein Eindruck, dass man eigentlich immer eine ganze Impulsserie für einen Blitz bekommt, und dass sie von den Verästelungen des Blitzes ausgehen? Und kann man tatsächlich die Impulshöhe einer mittleren Entfernung zuordnen?

Damit möglichst viele sich an den Experimenten beteiligen können, möchte ich sie auf eine möglichst breite Hartware-Basis stellen: Das Franzis-Retroradio ist so oft gebaut worden, dass es sicherlich bei vielen noch herumliegt und wahrscheinlich nicht täglich im Einsatz ist. Es lässt sich leicht für diese Experimente verwenden. Beim Radio kann die Endstufe zum Stromsparen abgetrennt werden, dazu reicht es den Draht zum Schleifer des Potis zu lösen. Dann wird die Spule genau in die Mitte des Ferritstabs geschoben und der Drehko an den linken Anschlag gestellt. Eine Messung zeigt, dass man dabei auf 500 kHz landet, wo kein Rundfunksender stört. Mit dieser Einstellung hat jeder die gleichen Verhältnisse, sodass sich die Ergebnisse gut vergleichen lassen. Bei einem herannahenden Gewitter soll der Ferritstab für maximalen Empfang auf das Gewitter ausgerichtet werden.

Wer kein passendes Oszilloskop hat kann einen Mikrocontroller verwenden, z.B. einen ATmega oder einen Arduino. Geplant ist folgendes: Ein angeschlossener Controller misst permanent die Ausgangsspannung des Empfängers. Bei einem Impuls triggert eine schnelle Serienmessung zur Vermessung des Impulses. Die einzelnen Messungen werden dann an den PC übertragen und z.B. als Textdateien gespeichert. Damit könnte die Frage beantwortet werden, ob es charakteristische Verläufe für typische Blitze gibt. Außerdem würden viele Messungen zusammen einen guten Eindruck ergeben, ob die Antenne kleiner werden darf als im Retroradio und ob vielleicht sogar eine Festinduktivität wie im ersten Vorversuch reicht.

Wer hat Lust, hier mitzuarbeiten? Am Ende steht vielleicht ein fertiges Rezept für einen einfachen Gewitterwarner. Und wenn alles gut funktioniert wird vielleicht sogar ein Franzis-Bausatz daraus, im Stil vielleicht so ähnlich wie das Retroradio oder der Fledermausdetektor. Bei Franzis habe ich mal nachgefragt. Das Interesse ist groß, und auch die Bereitschaft, die Experimente mit der erforderlichen Hardware zu unterstützen.

Ein Blitzgenerator von Heinz D.

' 1306-Blitzgenerator zum testen der Software und, mit Antenne, der Hardware
'
' Mit drei Potis kann der Messender so erweitert werden, das alle Zeiten
' einstellbar sind
'
' Ein Blitz besteht aus einem Impuls von etwa 50us (=10kHz)
' und einer Pause von ca. 50ms (Erholzeit)
' falls die Wolke noch negative Ladungsträger enthält erfolgt ein
' weiterer Blitz im selben Blitz-Kanal
' häufig reicht die Ladung für bis zu 5 Blitze
' (bis zu 40 Folgeblitze sind selten),
' die dann deutlich als flackern wahrnehmbar sind.
'
' Die Abschätzung der Empfindlichkeit ist abhängig von der Antennenlänge,
' Empfangsfrequenz (Oberwelle) und Bandbreite (Anzahl der Oberwellen)
' bei Wellenlänge von 500m (=600kHz) bis 30km (=10kHz)
' fängt eine Antenne weniger als ein 1000stel ein
' wenn bei 500kHz nur die Oberwellen 49, 50 und 51 eingefangen werden,
' reduziert sich die Empfangsenergie nocheinmal.
'
' Nach meiner Erfahrung sollten Blitze gezählt werden, wenn die Feldstärke
' genau so hoch ist, wie ein ~100km entfernter MW-Sender
' oder ganz knapp über dem Grundrauschen/Grundstörungen liegt.
'
' Statistisch werden Blitze pro Quadratkilometer erfasst,
' NICHT DIE STÄRKE !
' wobei alle Ereignisse innerhalb von 1,5s als ein Blitz gewertet werden
' Ereignisse von weniger als ~20ms (mit ausschwingen) sollten nicht gezählt
' werden, sind jedoch nur schwer auszuscheiden.
'
' Ein AVR sollte die o.g. Forderungen auch ohne ADC erledigen
' ggf. ist INT0 besser geeignet. Eine Luxusausführung mit LCD und Sleepmode
' könnte die Historie im EEprom ablegen. Eine einfache Rot/Gelb/Grün-Anzeige
' sollte für den Anfang genügen.
'-------------------------------------------------------------------------------
$regfile = "attiny13.dat"
$crystal = 1200000
$hwstack = 8
$swstack = 16
$framesize = 24

Ddrb = &B11111
Ausgang Alias Portb.3

Dim Blitzanzahl As Byte

Const Blitzemax = 5 '1=häufig, 40=selten
Const Blitzpuls = 50 'ca. 50us
Const Blitzpause = 50 'ca. 50ms
Const Blitzwiederholung = 2 'in Sekunden

Do
 For Blitzanzahl = 1 To Blitzemax
 Ausgang = 1
 Waitus Blitzpuls
 Ausgang = 0
 Waitms Blitzpause
 Next
 Wait Blitzwiederholung '2s=nahes Gewitter
Loop
' End Program

Erfahrungen mit dem TA7642, von Martin Müller

Ich hatte auch mit dem TA7642 experimentiert, den aber über eine separate 1,5 V Batterie betrieben und ihn noch eine Verstärkerstufe spendiert. (BC 547 über 100nF angekoppelt, 1M zwischen B und C, 47k zwischen C und "+") Damit betrug der "Ruhepegel" dann ca. 0,5 V, bei "Lichtschalterblitzen" dann bis ca. 1,3 V mit einer gemessenen Stromaufnahme von ein paar hundert µA. Würde die Möglichkeit bieten den ADC des Tiny mit 1,1 V-Referenzspannung zu betreiben was der Auflösung zugute käme. Bei > 1,1 V ist der Wert dann immer 1023.

A 500-kHz Sferics Range Detector, Douglas A. Kohl, Journal of Applied Meteorology, Volume 8, 1969

http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0450%281969%29008%3C0610%3AAKSRD%3E2.0.CO%3B2

Dank an Ekkehard Schulze, der mich auf diesen Artikel hinwies. Diese Arbeit von 1969 ist eine sorgfältige Untersuchung der Möglichkeiten, die Entfernung eines Gewitters zu messen. Der Autor Douglas A Kohl vergleicht die einzelenen Messmethoden und kommt zu dem Schluss, dass die Messung des elektrischen Feldes oder des magnetischen Feldes nicht zum Erfolg führen. Allein die Sferics im Bereich 500 kHz geben zuverlässig Auskunft über die Entfernung eines Gewitters. Dabei wird nicht nur der Hauptblitz ausgewertet sondern auch die vielen Vor- und Nachentladungen, die einen wesentlichen Teil der Information enthalten. Der Pegel der einzelnen Impulse streut sehr stark, es gibt jedoch eine immer gleiche statistische Verteilung der relativen Energien. Im Endergebnis reicht es aus, den stärksten Impuls zu kennen.

Für die Messungen wurde eine Langdrahtantenne und ein dreistufiger HF-Verstärker verwendet, der ähnlich wie ein üblicher ZF-Verstärker aufgebaut ist. Ein Spitzenwertgleichrichter lädt einen großen Kondensator auf, dessen Spannung nach wenigen Minuten den Pegel des stärksten Blitzes widerspiegelt. Diese Spannung wird registriert und der Kondensator dann für die nächste Messperiode entladen. Zwischen 2 km und 300 km konnte die Entfernung des Gewitters sehr genau bestimmt werden.

Elektronik-Labor AVR HF Projekte