Einfache Ortungsgeräte auf VLF-/LF-Basis (2)
Nachdem im ersten Teil dieses Beitrags über Geräte zur Ortung unterirdischer Objekte Funktionsprinzip, mechanische Aspekte und einige Module erläutert wurden, folgen nun die restlichen Baugruppen bis zum Anzeigemoduf sowie Tipps zur Inbetriebnahme.
Damit das vom Signalverstärker abgegebene Wechselspannungssignal auf gängigen Instrumenten und Bausteinen zur Anzeige gebracht werden kann, muss es gleichgerichtet werden.
Signalgleichrichtung
Dazu bietet sich die Schaltung eines Präzisionsgleichrichters besonders an. Gleichzeitig kann diese Stufe zur weiteren Signalanhebung benutzt werden. Um den Minutenhub von DCF77 zu kompensieren, ist ein ausreichend dimensionierter Glättungskondensator notwendig. Dieser darf allerdings nicht zu groß gewählt werden, da das Gerät sonst zu träge auf Messwertänderungen reagiert.
Legt man die Integrationskonstante zur Kompensation des Minutentakts von DCF77 nicht wie in den Bildern 16 und 17 umschaltbar aus, so empfiehlt es sich, an den Bestückungsplatz B4 von der Platine UAP6 auf der Leiterbahnseite einen Tantal-Kondensator mit 4,7 µF zu löten.
Bei der Platine UK2 bildet ein zusätzlicher, parallel zum Ausgang geschalteter Elektrolytkondensator mit 47 µF einen vernünftigen Kompromiss. Vorteilhafter ist selbstverständlich eine Umschaltmöglichkeit des Integrationsanteils, wodurch eine optimale Anpassung an die jeweilige Ortungssituation erreichbar ist.
Arbeitet man mit hohen Integrationskonstanten, so muss man selbstverständlich das Bewegungstempo beim Ortungsvorgang reduzieren, da die Reaktionszeit des Gerätes verlangsamt ist. Bei der genauen Ortseinpegelung kann eine schnelle Ausregelzeit Vorteile bringen, auch wenn sich der Minutenhub dann etwas störend bemerkbar macht.
Für die Visualisierung des gemessenen Signals stehen mehrere Varianten zur Verfügung.
LED-Anzeigetreiber
Mit UAP LT (7) kann der in eine Gleichspannung gewandelte Messwert angezeigt werden. Dabei lassen sich unterschiedliche Treiberbausteine einsetzen, die über verschiedene Schrittspannungen und eine unterschiedliche Anzeigedynamik verfügen. Es kann zwischen den Betriebsarten Dot und Bar - Punkt-/Strichanzeige - gewählt werden, wobei die Punktanzeige batterieschonender ist. Das LED-Band sollte gut sichtbar in die Oberseite des Bedien- und Anzeigegehäuses eingebaut werden.
Es können selbstverständlich alternativ auch analoge Zeigeranzeigen oder eine Kombination aus beiden Anzeigetypen zum Einsatz kommen.
Ausgangsverstärker bzw. Monitorverstärker
Diese Verstärker stellen Pufferstufen zu externen Folgegeräten wie Aufzeichnungsgeräten, Digitalmultimetern usw. dar. Sie erlauben es, auch relativ niederimpedante Eingangsstufen anzusteuern, ohne dass die internen Messsignale durch die dann auftretende hohe Belastung verfälscht werden. Je nach Bedarf können diese Verstärker für das Wechsel- oder Gleichspannungsmesssignal ausgelegt werden. Bei den Gleichspannungsverstärkern kann man durch die Wahl eines Summierverstärkers einen zusätzlichen Offset einstellen, der dann einen Grundpegel darstellt. Dadurch ist z.B. ein einfacher Spannungs-Frequenzwandler ansteuerbar, der eine akustische Anzeige mit entsprechender Tonhöhenverstellung darstellt.
Kompensationsprinzip
Durch eine besondere Schaltungstechnik kann die Empfindlichkeit des Geräts noch gesteigert werden. Dazu wird ein Summierverstärker wie im Bild 21 mit zwei Eingängen benötigt. Während der eine Eingang mit dem Messgleichspannungssignal beaufschlagt wird, speist man den anderen Eingang mit einer einstellbaren gegenpoligen Gleichspannung. Nehmen wir an, das Messsignal UE betrage 5 V und die Kompensationsspannung UK wäre auf 2,5 V eingestellt, dann würde sich am Ausgang des Operationsverstärkers eine Spannung UA von -2,5 V einstellen, statt -5 V ohne Kompensation. Dadurch kann die Signalverstärkung auf das Doppelte erhöht werden, um die gleiche Aussteuerung wie ohne Kompensation zu erreichen. Signalunterschiede des Aufnehmers erfahren somit die doppelte Anzeigedynainik.
Die Kompensationsspannung sollte man so wählen, dass bei Vollaussteuerung die LED-Anzeige durch den Kompensationspegel völlig erlischt. Die beim sehr hohen Kompensieren eventuell notwendige, etwas umständliche, Verstärkungsumschaltung zahlt sich durch eine erhebliche Zunahme der Empfindlichkeit und Ortungsgenauigkeit aus. Ein Nachteil der sich dabei insbesondere im Zusammenhang mit der Aussendung des Minutenirnpulses des Zeitzeichensenders DCF77 offenbart, ist die Abschwächung der integrierenden Wirkung der Glättungskapazität. Dieser Effekt lässt sich jedoch durch umschaltbare Kondensatoren, wie in den Bilder 16 und 17 zu sehen, in einem gewissen Rahmen halten.
Besonders bei einfachen Gerämten ist man bemüht, nur eine Spannungsquelle einzusetzen. Bei den Wechselspannungsverstärkerschaltungen und Filterapplikationen ist das relativ einfach zu realisieren.
Schaltungskonzept für unipolare Speisespannung
Problematisch wird es jedoch bei der Umsetzung des Wechselspannungsmesssignals in die entsprechende Gleichspannung. Für diesen speziellen Fall habe ich die Schaltung in Bild 23 entwickelt, bei der mit einem dafür zugeschnittenen Übertrager die Messspannung bezugspotenzialfrei einer Brückenschaltung aus Dioden mit kleiner Durchlassspannung zugeführt wird. Am Ausgang wird das Minus-Potenzial wieder auf Masse gelegt.
Diese Schaltung lässt eine Vollweggleichrichtung auch bei kleinen Spannungen zu. Durch eine ausreichend hohe Verstärkung des Wechselspannungsmesssignals kann das so gewonnene Ausgangssignal direkt ohne eine Zwischenstufe der Anzeigeplatine UAPLT zugeführt werden. Allerdings muss bei dieser Schaltungsvariante auf das o.g. Kompensationsverfahren verzichtet werden.
Minimalvariante mit Digitalvoltmeter
Ich möchte noch eine Schaltungsversion vorstellen, die ein Minimalkonzept darstellt und als Moduleinheit zur Montage an ein Führungsrohr oder noch einfacher an eine Holzlatte montierbar ist. Diese Gerätekonzeption ist für diejenigen gedacht, die nur einfache Objekte wie z.B. Metallrohre in einem zeitlich begrenzten Rahmen aufspüren möchten. Für den stundenlangen Einsatz sowie zum Orten tiefergelegener Objekte oder bei einem großen Senderabstand ist diese Anordnung aber ungeeignet.
Um den Aufwand möglichst geringzuhalten, kommt für solch eine abgespeckte Schaltung nur eine unipolare Spannungsversorgung in Frage. Problematisch dabei ist wiederum die Gleichrichtung. Setzt man gegenüber den bisher genannten Aufbauvarianten zur Anzeige ein externes Messgerät wie z.B. ein hochohmiges, digitales Multimeter mit Bargrafanzeige ein, so kann es bezugspotenzialfrei betrieben werden - ein analoges Einbauinstrument ist auch verwendbar, wobei jedoch besonders die Billigtypen dieser Instrumente für die Ortung eine zu große Zeigerunruhe aufweisen.
Mit den Platinen aus dem UAP-System lassen sich unterschiedliche Schaltungen für die bezugspotenzialfreie Gleichrichtung realisieren. So ist z.B. mit UAP6 eine Zweiweggleichrichtung für schwimmende Lasten oder auch eine Gegentakt-Einweggleichrichtung möglich. Ich möchte mich hier auf eine Schaltung beschränken, bei der für die gesamte Modulfunktion nur zwei Operationsverstärker notwendig sind. Die Gleichrichterschaltung lässt sich auf der Platine UAP5 realisieren, bei der folgende Modifikationen notwendig sind: statt R5 eine Diode AA 118 o.Ä. mit der Anode zum OPV, statt C5 ein Widerstand von 20 kΩ, RS 1 mit 3,3 kΩ zwischen K3 und K4 RS2 mit 3,3 kΩ zwischen K4 und K7, C4 47 µF. Der bezugspotenzialfreie Ausgang für den Anschluss des Digitalmultimeters steht an den Klemmen K4 und K5 zur Verfügung.
Praktischerweise lassen sich die beiden Verstärker UAP10 und UAP5 zusammen mit der Platine VKI und der 9-V-Batterie in ein Aluminium-Spritzgussgehäuse einbauen. Zur Vermeidung von Rückkopplungen ist ein kleines Abschirmblech zwischen den beiden Verstärkerbausteinen vorzusehen. Denkbar ist die folgende mechanische Konstruktion des Minimalortungsgerätes. Das Modulgehäuse wird auf ein kurzes Aluminium-U-Profil montiert, auf dessen Rückseite das Antennengehäuse Platz findet. Das Trägerprofil erhält zwei Gewindebolzen, an denen ein Halterohr aus Aluminium, Kunststoff oder Holz mit Flügelschrauben befestigt werden kann. Für das Kabel zum Multimeter sollte man eine robuste Buchse im Modulgehäuse einbauen.
Auswahl der Platinen und der Schaltungsaufbau
Das UAP-System bietet mit seiner Vielzahl verschiedener Platinen einen großen Rahmen individueller Möglichkeiten zum Aufbau eines Ortungsgerätes.
Mit dem detaillierten Aufzeigen dreier Schaltungsvarianten möchte ich nur ein Beispiel vieler verschiedener Aufbaumöglichkeiten mit UAP geben. In Tabelle 1 sind einige relevante UAP-Platinen aufgeführt, die als Bausteine in einem Ortungsgerät eingesetzt werden können.
Je nach Distanz vom Sender können unterschiedlich hohe Verstärkungen notwendig sein, wobei auch die örtlichen Gegebenheiten des Empfangsortes eine Rolle spielen. Eine Verstärkungsreserve ist auf jeden Fall besser als eine unzureichende Pegelhöhe, die UAP LT nicht zur Vollaussteuerung bringt. Die in der Tabelle 2 angegebenen Verstärkungen und Pegel haben sich als günstig erwiesen.
Zusatzschaltungen
Einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer kann man in das Gerät zur akustischen Ausgabe des. Messsignals implementieren. Denkbar ist aber auch der Einbau in ein gesondertes Gehäuse, das sich während des Ortens beispielsweise in der Jackentasche verstauen lässt. Aus dem UAP-System kommt für diesen Anwendungszweck die Platine UAP FU in Frage, Bild 22.
Sowohl als Hilfe für den Abgleich des Ortungsgeräts als auch für die kurze Überprufung für unterwegs, kann mit UAP WB auch ein genauer Wien-Brücken-Oszillator aufgebaut werden. Das Messsignal lässt sich von ihm mittels einer kleinen Spule in die Suchantenne des Ortungsgeräts einkoppeln (8).
Verbesserte Pegeleinstellung
Um den von der Platine UAP WB abgegebenen Pegel besser einstellen zu können, kann statt dem in den Bildern 3 und 15 eingesetzten Potenziometer die Schaltung im Bild 18 Verwendung finden. Beträgt die Spannung am Einspeisepunkt von R1 100 %, lassen sich dann mit dem Potenziometer die in Tabelle 3 angegebenen Spannungsbereiche zur Weitergabe an den Nachfolgeverstärker einstellen.
Inbetriebnahme des Gerätes
Nach dem Zusammenbau sollte die Gesamtschaltung einer genauen Sichtprüfung unterzogen werden. Insbesondere die Verdrahtung der Versorgungsspannung ist hierbei auf richtige Zuordnung zu überprüfen. Danach kann der Funktionstest erfolgen. Die Durchführung richtet sich dabei nach den zur Verfügung stehenden Messgeräten. Bei guter Ausstattung ist es vorteilhaft, die Überprüfung nach der Anordnung der Platinen vorzunehmen - bei keinen oder nur wenigen vorhandenen Messgeräten gibt es aber auch eine Lösung.
Zunächst ist die Antenneneinheit auf die Empfangsfrequenz abzugleichen. Dazu kann man hochohmig mit einem Generator ein Signal mit der Arbeitsfrequenz einspeisen und den Schwingkreis mittels VK1 auf maximalen Pegel abgleichen. Noch eleganter ist die Einspeisung des Signals in die Ferritantenne über eine kleine Koppelspule.
Vorteilhaft beim Schwingkreisabgleich im fertig aufgebauten Gerät wirkt sich der direkte Funktionstest des Anpassverstärkerbausteins aus, an dessen Ausgang man ein Oszilloskop anschließen kann. Durch dieses Vorgehen erübrigt sich ein Nachziehen des Abstimmkreises.
Im nächsten Schritt ist das Resonanzfilter einzustellen. Mit dem Potenziometer auf der Platine UAP WB lässt sich ein optimaler Güteabgleich vornehmen. Das Signal, das man am Ausgang K4 auf dem Modul UAP WB zur oszilloskopischen Betrachtung abgreifen kann, wird dazu langsam bis zum Schwingeinsatz des Filters erhöht. Der Signalpegel sollte mit dem Potenziometer maximal auf zwei Drittel des Wertes eingestellt werden, der kurz vor dem Schwingeinsatz zu messen ist. Durch diesen Sicherheitsabstand lässt sich ein Anschwingen durch Erschütterungen oder steile Signalflanken vermeiden.
Nach der Filtereinstellung werden schrittweise die nachfolgenden Stufen in der Reihe ihrer Anordnung überprüft. Die grundsätzliche Funktion und der Drehsinn des Potenziometers sowie des optionellen Stufenschalters für die Verstärkungseinstellung sollten dabei besondere Beachtung finden. Hier können sich leicht Verdrahtungsfehler einschleichen. UAP LT sollte mit dem Abgleichpotenziometer so eingestellt sein, dass bei Vollaussteuerung des ansteuernden Verstärkers auch die LED der letzten Anzeigestelle leuchtet. Besonders beim einfachen unipolaren Gerät muss hier eine genaue Überprufung erfolgen. Bei einer Speisung des Gerätes mit einem 9-V-Akkumulator steht unter Umständen eine Nennspannung von nur 8 V zur Verfügung. Die Signalwechselspannung wird also bei voller Aussteuerung einen Wert von etwas über Uss = 7 V besitzen. Die gleichgerichtete Signalspannung am Ausgang von UK 2 beträgt dann etwa 2,5 V. Dieser Spannungswert muss zum Erreichen einer guten Ablesedynamik die LED-Bandanzeige zur Vollaussteuerung bringen. Beim bipolar gespeisten Gerät wird auf die doppelte Spannung abgeglichen. Steht nur ein Multimeter für die Inbetriebnahme zur Verfügung, so empfehle ich bestückte und geprüfte Platinen einzusetzen. Hierbei beschränken sich die notwendigen Arbeiten lediglich auf die Prüfung der Gesamtfunktion. Zweckmäßigerweise sollte dabei die Kontrolle in umgekehrter Reihenfolge zur oben aufgeführten Beschreibung verlaufen. Bei offenem Eingang von UAP LT müssen in der Betriebsart Bar alle LEDs leuchten, im Dot-Modus nur VD10. Bei kurzgeschlossenen Klemmen K5 und K6 darf keine LED leuchten. Man kann nach dem Wiederanschließen der Signalleitung erkennen, ob eine Aussteuerung vorhanden ist. Dazu sind eventuell das Verstärkungspotenziometer aufzudrehen und der optionale Stufenschalter auf die höchste Stelle zu schalten. Sollte ein Signal bei waagerechter Position der Antenne angezeigt werden, so ist der Aufbau auf Richtungsempfindlichkeit zu überprufen. Die Aussteuerung muss dann am höchsten sein, wenn die Sender- und Ferritstabrichtung einen Winkel von 90° bilden.
Schlussbemerkungen
Die Messmethode mit dem beschriebenen Ortungsgerät beansprucht für die einwandfreie Funktion einen gewissen Mindestabstand vom Sender, den ich aber auf Grund fehlender Messergebnisse leider nicht angeben kann. Ich möchte aber an dieser Stelle ausdrücklich darauf hinweisen, dass sich selbstverständlich in dieser toten Zone die Aussendungen anderer Sender in einem möglichst tiefen Frequenzbereich nutzen lassen. Anderungen der frequenzbestimmenden Teile sind dabei lediglich für den Schwingkreis nach
und den Resonanzdurchlassfilter nach
nötig.
Eine besondere Form der Frequenzumschaltung kam beim Testgerät 3 zum Einsatz, Bild 24. Bei ihm lassen sich durch Abschrauben der Gehäusedeckel von der U-Schiene die Baugruppen schnell lösen und austauschen.
Benutzt man nun z.B. zwei Sensorspulenmodule und zwei Antennenanpasseinheiten mit den zugehörigen Selektionsfiltern auf unterschiedlichen Frequenzen, so lassen sich die jeweils abgeglichenen Module für einen Frequenzwechsel schneller austauschen.
Anfragen, die sich speziell mit dem Orten und den dabei angewandten Techniken befassen, können bei Wolf-Dieter Holz vom Team-Delta (3) gestellt werden. Durch seine Erfahrung und den intensiven Testeinsatz verschiedener Geräte weiß er diese so zu handhaben, dass sie ein Optimum an Messinformationen hergeben.
Uber Rückmeldungen, die die Erfahrungen beim Einsatz der Geräte schildern, würden er und ich uns sehr freuen. Durch diese Rückmeldungen könnten sich im Laufe der Zeit z.B. umfassende Daten zur Einsatzfähigkeit in Bezug auf den Abstand zum Sender sammeln.
Unbestückte, bestückte und geprüfte Platinen sowie Ferritantennen nebst speziellen Bauteilen können bei (9) bezogen werden.
Literatur
- Friese, W., DG9WF: Universelles analoges Platinensystem UAP (8). FUNKAMATEUR 52 (2003) H. 8, S. 896-898
- Friese, W., DG9WF: Universelles analoges Platinensystem UAP (7). FUNKAMATEUR 52 (2003) H. 9, S. 902-904
- Friese, W., DG9WF: Universelles analoges Platinensystem UAP (9). FUNKAMATEUR 52 (2003) H. 11, S. 1120
- Wolfgang Friese electronic: Homepage. www.sfericsempfang.de
Teil 1 - Teil 2
Wolfgang Friese,
WolfgangFriese@t-online.de