Een zelfbouw sensor voor het bepalen van de seeing bij zonnefotografie

© 9 september 2021, Nicolàs de Hilster, Paul Volman & starry-night.nl

Zoals bij alle soorten astronomische opnames, speelt ook bij de zonnefotografie de seeing een belangrijke rol in de kwaliteit van de opnames. De negatieve effecten van de seeing zijn weliswaar direct zichtbaar op het livebeeld dat we met onze apparatuur creëren, maar mooier is het als dit ook meet- en dus kwantificeerbaar is. De Solar Scintillation Seeing Monitor (SSSM) is een instrument dat niet alleen een numerieke waarde voor de seeing geeft maar bovendien in software als FireCapture en Genika Astro te integreren is en daarmee de opnames te automatiseren. De SSSM is een product dat voor enkele honderden euro’s bij AiryLab verkrijgbaar is (hier heet deze de Solar Scintillation Monitor), maar voor de handige amateur-astronoom zelf te bouwen is voor een fractie van de prijs. Hiertoe is een prima handleiding op het internet beschikbaar. In dit artikel gaan wij in op de bouw en gebruik van de SSSM, waarbij we ook een door ons verbeterde sensorbehuizing bespreken.

De Solar Scintillation Seeing Monitor (SSSM) is een ontwikkeling van het Department of Physics van de East Carolina University, in Greenville [NC], USA en in 2012 door E. J. Seykora beschreven in het artikel “An Inexpensive Solar Scintillation Seeing Monitor Circuit with Arduino Interface“. De SSSM heeft als sensor een silicium infra-rode fotodiode die de intensiteit van het zonlicht meet. Elke halve seconde wordt de scintillatie (de schommeling in intensiteit) van het zonlicht gemeten en daar wordt een gemiddelde waarde van bepaald. Deze waarde geeft de mate van seeing aan. Overdag wordt deze gedomineerd door luchtturbulentie en daarom moet de sensor ook zo dicht mogelijk bij de opening van de telescoop geplaatst worden. In ons project hebben we gebruikgemaakt van een BPW34 fotodiode. Ook een VTP4085H behoort tot de mogelijkheid, maar dan wel de versie zonder IR-filter. De hier gebruikte BPW34 heeft geen IR-filter en is daarmee het gevoeligst in het Infrarode gebied zoals in afbeelding 1 te zien is.

De sensor is gevoelig voor infrarood en dus voor warmte en warmtestraling uit de omgeving. Zoals in afbeelding 2 te zien is, is de directionele halve gevoeligheid van de sensor circa 65° vanaf de normaal (de richting 0°, oftewel de optische as van de sensor, zie “0°” in afbeelding 2 en afbeelding 6), hetgeen betekent dat ook de omgeving invloed kan hebben op de metingen. Bij een sterrenwacht met koepel betekent dit dat de binnenkant van de koepel de meting kan beïnvloeden. Maar zelfs bij een sterrenwacht met Roll-Off dak kunnen de wanden en zelfs de waarnemer de meting beïnvloeden door lichaamswarmte en door reflecties. Het is dus van belang dat de silicium fotodiode alleen de zon te zien krijgt en niet de omgeving. Zoals hieronder te beschreven is, hebben wij speciaal hiervoor een nieuwe behuizing ontwikkeld die deze invloeden minimaliseert.

De SSSM uit ons project kan zowel standalone gebruikte worden als met een laptop of PC en werkt als volgt:
– De silicium fotodiode meet de intensiteit van de zon;
– Een versterker zet dit kleine stroompje om in een meetbare waarde;
– Een Arduino Pro Micro zet die spanning om in data;
– Via een USB verbinding deze data uitgelezen worden met een PC of laptop en zelfs de acquisitie-software zoals FireCapture bedienen;
– Dankzij de ingebouwde OLED display is de SSSM ook als standalone te gebruiken (zie afbeelding 3).

De SSSM schematisch

Afbeelding 4 toont het schema zoals wij dat hebben gemaakt en waarin de BPW34 als sensor wordt gebruikt. Het signaal van de sensor gaat naar Opamp 1, de blauwe lijn. Met de potmeter wordt de gevoeligheid van de sensor ingesteld. Door gebruikt te maken van een 30 slagen potmeter is dit zeer nauwkeurig in te stellen. De LMC6484 is een Quad Rail-to-Rail input en output Opamp.

Opamp 1 versterkt het signaal van de sensor en deze wordt vergeleken met een referentiespanning die gelijk is aan de helft van de voedingsspanning. Die referentiespanning wordt de nul-lijn van het signaal, de oranje lijnen in het schema, en wordt door de weerstanden R2 en R3 gemaakt. Het is van belang dat de twee weerstanden R2 en R3 gelijke waarden en tolerantie hebben. Het signaal van de sensor kan nu onder en boven die nul-lijn komen. Met Opamp 2 wordt het signaal verder versterkt en geeft een positieve analoge waarde aan op de A0 lijn van de Arduino. Met A0 wordt de inputwaarde van ons signaal bepaald.

De uitgang van Opamp 1 gaat ook via een high-pass filter, C2 en R4, naar de Opamp 3 en wordt ook hier weer vergeleken met de referentiespanning. Het high-pass filter zorgt ervoor dat alleen de fluctuaties in het signaal doorgegeven en versterkt worden, de licht blauwe lijn in het schema. De Opamp 4 maakt hier weer een positief analoog signaal van die op A1 van de Arduino wordt gezet. Met dit signaal wordt de seeing berekend uit de variaties van het signaal. Let op dat de C2 een Bi-polaire condensator is van 3,3uF. Hij heeft dus geen + en – aansluiting. Klein formaat in deze waarde zijn moeilijk te krijgen, maar kan ook samengesteld worden. Dat heb ik uiteindelijk gedaan met 3x 2,2uF, 2 in serie en 1 parallel daarover. Ook de weerstand R1 is lastig te krijgen, maar kan weer gemaakt worden met 2x 10Mohm in serie.

De processor is een Arduino Pro Micro ATmega32U4 board in de 5V 16MHz versie. Let op dat je de 5V versie neemt. Ook de Quad Rail-to-Rail Opamp en de het OLED display werken op die 5V spanning. Met de potmeter wordt het input signaal ingesteld. Doe dit bij een goede seeing, richt de sensor op de zon en met de potmeter wordt de waarde net onder de 1 gezet, bijvoorbeeld 0,98, de uitlezing moet verder altijd binnen de 0,5 en de 1,5 uitkomen, onder de 0,0 wordt de waarde LOW in het scherm gezet en boven de 2,00 komt de waarde HIGH in het scherm te staan.
In het schema wordt Opamp 3 en 4 gebruikt voor het vastleggen van de variaties in de intensiteit. De meting gebeurt om de halve seconde en in de software wordt daar een gemiddelde waarde van bepaald. Deze waarde wordt variatie of seeing genoemd, welke een waarde van 1 of hoger heeft. Hoe lager de waarde hoe beter de seeing. De door de SSSM geproduceerde waarde kan in de acquisitie-software gebruikt worden voor het triggeren van de opname, waarbij zowel een onder- als bovengrens ingesteld kan worden. Waardes boven de bovengrens worden als slechte seeing aangeduid en stoppen de opname. Zodra de waarde gedurende een te definiëren periode onder de ondergrens zit, dan wordt de opname gestart. De Arduino is voorzien van een USB micro B poort die fungeert als voeding en communicatie poort. In een standalone systeem kan de Arduino Pro Micro extern gevoed worden op de RAW poort. De input-spanning van deze RAW poort is niet voor alle versies van de Arduino Pro Micro het zelfde. Sommige boardjes gaan van 5V tot maximaal 9V en ander boardjes kunnen tot maximaal 12V gaan. In onze versie hebben we besloten om daarom een extra 5V stabilisatie IC te plaatsen zodat er een input spanning van 6 tot 12V gebruikt kan worden zonder dat de Arduino in rook opgaat, wat ons al is overkomen.

De realisatie

Zoals in het schema te zien is bestaat de SSSM maar uit een handje vol onderdelen, die compact bij elkaar gezet kunnen worden. Hierdoor blijven de verbindingen kort en zijn neven effecten door storingen tot het minimum beperkt. Op het SolarChat forum zie je veel ontwerpen met lange draden, dat is geen aanraden. Vooral de verbinding met de sensor moet goed afgeschermd zijn. Met keuze voor een tulpplug aansluiting kun je de z.g. diodekabels voor audio gebruikt worden, die zijn goed afgeschermd en zijn in verschillende lengtes leverbaar.

Iedereen is vrij in het maken van zijn eigen ontwerp. Meestal heeft dit ook te maken met wat voor een onderdelen er al op voorraad zijn en hoe je die wilt plaatsen. In ons ontwerp hebben we als basis een stukje montageprint gebruikt van 55x43mm (zie afbeelding 5). Daar zit alles op. De Arduino zit onder het display en de USB micro B komt daarmee dan aan de zijkant van de print en dus ook in het kastje te zitten. De aansluitingen van A0 en A1 zitten aan de onderkant van de print en de I2C bus, D2 en D3 van de Arduino, zitten aan de bovenkant en kunnen zo 1 op 1 aangesloten worden op het display. Dit maakt het ontwerp lekker klein en compact. In het originele ontwerp wordt de sensor in een tulpplugje geplaatst en die is prima te gebruiken in een vrije omgeving, maar bij een sterrenwacht met koepel of Roll-off dak kan de omgeving invloed hebben op de sensor vanwege de grote openingshoek van ±65° Daarom hebben wij besloten de sensor in een aparte behuizing te plaatsen, zoals hieronder besproken wordt.

De sensorbehuizing

Ten einde ongewenste invloed van de directe omgeving rondom de sensor te elimineren, hebben we besloten de diode een speciale behuizing te geven (zie afbeelding 6). In het oorspronkelijk ontwerp zit de diode in een eenvoudige behuizing, waardoor deze licht uit alle richtingen kan ontvangen (zie rode sensor in afbeelding 7). Zoals hierboven beschreven heeft de sensor in de richting 65° ten opzichte van de normaal nog een gevoeligheid van 50%.

De door ons ontworpen behuizing staat alleen straling toe uit de richten tot circa 9° rondom de normaal van de sensor (groene lijnen in afbeelding 6), waarbij het licht dat recht van voren komt tot circa 5° vanaf de normaal komt rechtstreeks aankomt op de sensor (blauwe lijnen) en het licht uit richtingen tussen de 5° en 9° vanaf de normaal de sensor door reflectie via de binnenste buis bereikt. Licht met een grotere invalshoek dan 10° (rode lijnen) komt in de kamer rond die middelste buis en zal daar uitdoven, terwijl licht met invalshoeken groter dan circa 36° (rode lijnen) de sensorbehuizing niet kan binnentreden. Een witte reflector aan de voorzijde voorkomt dat de sensorbehuizing op kan warmen en zo alsnog signaal naar de sensor kan afgeven. Deze reflector is bewust groter in diameter gekozen dan de sensorbehuizing, zodat bij waarnemingen aan de rand van de zon, de zijkant van de sensor nog steeds in de schaduw van de reflector zit.

De behuizing van de sensor zit met een enkele schroefdraadverbinding in elkaar. Een interne bus drukt de printplaat met de sensor en een plaatje kunststof met de tulpstekker stevig op hun plaats. Dat de tulpstekker op kunststof gemonteerd zit, is gedaan om de sensor volledig geïsoleerd van de overige apparatuur aan de Arduino aan te kunnen sluiten. Tot slot heeft de sensorbehuizing een voet gekregen waarmee deze tussen de telescopen aan de side-by-side plaat gemonteerd zit (zie afbeelding 7). Net als de elektronica is ook de sensorbehuizing in eigen werkplaats gefabriceerd.

De Arduino software

Voor de Arduino sketch software wordt de basisversie V1.1 van Joachim Stehle gebruikt. Op deze pagina is ook de FireCapture Plugin v0.92 te vinden en de bijbehorende handleiding. De Sketch van Joachim Stehle is weer aangepast voor Ian Lauwerys in versie V1.2 Hierin heeft Ian de OLED display met SPI bus geïntegreerd. Wij hebben de Arduino sketch van Ian Lauwerys aangepast voor het OLED 128×64 scherm met I2C bus. Dit is uiteindelijk versie 1.4 geworden door Paul Volman, waarin het OLED scherm kan worden aangestuurd in tekst en grafische mode of alleen in tekst mode. In de originele ontwerpen worden verschillende schermpjes gebruikt, sommige kunnen alleen tekst weergeven, maar er wordt ook voor grafische schermpjes gekozen. Ik hebben besloten om er een OLED 128×64 0.96 inch wit scherm te gebruiken met een I2C bus. Dit schermpje wordt met de Adafruit SSD1306 driver op de Arduino aangestuurd. Deze driver moet samen met de Adafruit GFX en de Adafruit BusIO eerst worden gedownload in de bibliotheek van de Arduino sketch software, bij Hulpmiddelen -> Bibliotheken beheren…, alvorens je de software kunt uploaden in de Arduino. In onze sketch-software is een aanpassing gemaakt voor dit OLED scherm. Op regel 65 kan gekozen worden voor tekst en grafische weergave (#define OLED_I2C). Het is mogelijk alleen de tekstmode weer te geven in grotere letters op dit scherm door de definitie uit regel 64 te gebruiken (#Define OLED_I2C_TXT).

Er is voor de Solar Scintillation Seeing Monitor op verschillende forums software te vinden waarmee de SSSM op een PC of Laptop uitgelezen kan worden. Onze keuze viel op de software geschreven door Paul de Backer, welke voor zowel Windows, Linux als MAC beschikbaar is om daarmee de SSSM op een PC of laptop te kunnen uitlezen. Natuurlijk is deze ook zelf te schrijven of aan te passen voor eigen gebruik.

De waardes van de input en seeing worden via de USB-poort naar een PC of Laptop gestuurd. Voor de Plugin van FireCapture is het noodzakelijk dat de teksten “A1:” en “A0:” meegestuurd worden. Het wijzigen van het bericht die de USB-poort uitstuurt is in te stellen in regel 60 van de sketch door waarde van MODE te wijzigen.

– MODE 1 geeft een leesbare tekst en waarde uit de USB-poort zoals in de screenshot hiernaast. Standaard is deze tekst in het Engels maar dat kun je natuurlijk ook wijzigen. Dit doe je dan in de sketch op regel 731 en regel 733.
– Mode 2 is voor de Plugin van FireCapture de eerder genoemde A1: en A0: tekst.
– MODE 3 is nog niet in de software helemaal doorgevoerd.

Als regel 60 in de sketch wordt uitgeschakeld door er // voor te zetten dan wordt de informatie uit de USB-poort ook uitgeschakeld en worden er geen waardes meer aan een PC of laptop doorgegeven. Alleen de waarde op het OLED scherm is dan nog uit te lezen. Deze mode instelling doe je alleen wanneer de SSSM als standalone gebruikt wordt. Wil je de SSSM testen en instellingen van de OLED scherm controleren dan is het mogelijk om de Debugger aan te zetten. Dit doe je in regel 145 door de // weg te halen, dan is DEBUG_SSM actief en worden extra gegevens naar het OLED scherm en de USB-poort gestuurd. Voor gewone werking moet van de SSSM moet regel 145 uitgeschakeld worden.

Het kalibreren van de SSSM.

Voordat je de SSSM kunt gebruiken moet hij eerst gekalibreerd worden. Dit wordt gedaan met potmeter P1. Het advies is om voor deze potmeter een meer-slagen potmeter te gebruiken zodat de afstelling nauwkeuriger gedaan kan worden. De potmeter in ons project is een 30 slagen potmeter.

Het afstellen gaat als volgt: Richt bij mooi weer de sensor richting de zon. Met de potmeter P1 stellen we nu de ‘Input:’ waarde op het scherm in. Zorg dat die iets onder de 1.00 blijft bijvoorbeeld 0.98. In de rechter bovenhoek wordt de input waarde in een grafiek getoond. De grafiek schuift van rechts naar links, de rechter waarde is dus de nieuwste waarde. Als er in dit grafiek ‘LOW’ verschijnt dan is de inputwaarde onder de 0,00 beland. Komt er in dit scherm ‘HIGH’ te staan, dan is de inputwaarde hoger dan 2,00. In een normale situatie zal de waarde tussen de 0,50 en de 1,5 zijn. Wacht even tot de wijziging gestabiliseerd is. Mocht door wat voor reden dan ook de waarde niet goed in te stellen zijn of hij komt steeds te hoog of te laag uit dan is in de sketch op regel 55 de INTENSITY_OFFSET te wijzigen door de waarde van 0.0 te wijzigen in bijvoorbeeld 0.5 voor hoger of met -0.5 voor lager, maar normaal gesproken hoeft dit niet te worden gewijzigd.

Nu kunnen we op het display ook de waarde van de seeing uitlezen en in de grafiek onderaan van het OLED scherm komt de grafische weergave van deze te staan. Ook hier schuift het grafiek op van rechts naar links en is dus de rechter waarde de meest recente. De seeing zal bij zonneschijn normaal gesproken binnen een waarde van 1 tot 10 vallen. Een lage waarde geeft een goede seeing aan, een hogere waarde komt voor bij een slechtere seeing of bij bewolking. Bij een input-signaal van 1.00 mag de seeing niet boven de 10,0 uitkomen. Is dit wel het geval dan is ook voor de seeing een offset waarde te wijzigen, dit doen we in regel 56 van de sketch door de VARIATION_OFFSET waarde te wijzigen ook hier kunnen we een positief of negatief getal invoeren. Ook voor deze regel geldt dat normaal gesproken die waarde van -0.05 niet gewijzigd hoeft te worden.

Als alles dan naar behoren werkt en is aangesloten, dan kan dit zomaar het resultaat zijn:

Onderdelen bestellijst:

1x LMC6484 Quad Rail-to-Rail Opamp
1x Lichtsensor BPW34 silicium IR Photodiode
1x Arduino Pro Micro ATmega32U4 5V 16MHz met headers
1x OLED 128×64 0,96inch White I2C display
1x potmeter 2Kohm 30 slagen
2x weerstanden van 10Kohm
1x weerstand van 47Kohm
1x weerstand van 20Mohm
1x Bi-polaire condensator van 3,3uF
1x condensator van 20pF
1x 14pin IC-voet
1x montage print
1x behuizing Hammond 1552 Grey ABS 70x50x22mm
1x LM78L05 spanningsstabilisator 5V
2x Tulpplug chassis female
1x Audio diodekabel met 2x male tulppluggen
1x Power plug chassis 5,5/2,1mm
1x USB-A naar USB micro B kabel

© 9 september 2021, Nicolàs de Hilster, Paul Volman & starry-night.nl