Meten van hoogte, het lijkt eenvoudig, maar wat is ‘hoogte’? In het Nederlands kennen we slechts 1 term maar de Engelse taal kent hiervoor tenminste 3 termen, ieder met een eigen betekenis:
- Height: afstand van een voorwerp tot het aardoppervlak
- Altitude: afstand van een voorwerp tot de zeespiegel
- Elevation: afstand van het aardoppervlak tot de zeespiegel
NB: Altitude = Elevation + Height
Vliegtuigen zijn van oudsher de bekendste gebruikers van hoogtemeters. Voor het meten van ‘height’ (AGL) wordt meestal radar of laser technologie gebruikt. Het meten van ‘altitude’ en ‘elevation’ wordt vrijwel altijd gebaseerd op de plaatselijke luchtdruk. Immers, naarmate je hoger komt wordt de lucht ijler en neemt de luchtdruk af, met 1 [hPa=mbar] per ca 8.2 [mtr]/27[ft], zie ook figuur hieronder.
Wel zit hier een dikke adder onder het gras want de plaatselijke luchtdruk wordt sterk beïnvloed door het weer en varieert typisch tussen de 900 [hPa] (met veel kans op slecht weer) en de 1100 [hPa] (met veel kans op mooi weer). De invloed van het weer is groot in vergelijk met de invloed van hoogteverschil; 200 [hPa] drukverschil komt overeen met ca 1640 [mtr] hoogteverschil.
Maar voor de weersinvloeden kun je grotendeels compenseren, bijvoorbeeld door de lokale luchtdruk op zeeniveau te gebruiken als referentie (MSL, QNH). Goede hoogtemeters bieden de mogelijkheid om die referentiewaarde handmatig in te stellen, of beter nog om de actuele waarde via een internetverbinding op te halen van een weerstation. Eenvoudige hoogtemeters bieden de optie om de lokale luchtdruk bij vertrek te meten en dat als referentiewaarde te gebruiken (QFE). Vanaf een bepaalde hoogte wordt gevlogen op zgn ‘flight levels’ waarbij als referentiewaarde de internationaal gehanteerde “standaard atmosfeer op zeeniveau (QNE)” wordt gebruikt: 1013,25 [hPa] bij 15[oC].
Het werkingsprincipe van een druksensor is vaak een membraan dat beweegt als gevolg van een drukverschil tussen de linker- (P1) en de rechter poort (P2). Druksensoren komen in 3 archetypes;
- Differentieel: Wordt bijvoorbeeld gebruikt om een verstopping in een filter te detecteren door het drukverschil te meten in de leidingen links en rechts van het filter.
- Relatief: Wordt bijvoorbeeld gebruikt om te meten hoe hard een fietsband is opgepompt door het drukverschil in de fietsband te meten t.o.v. de omgevingslucht.
- Absoluut: Wordt bijvoorbeeld gebruikt in hoogtemeters door het drukverschil van de omgevingslucht te meten t.o.v. een vast ingebouwde drukkamer die in de fabriek op ca 1 [atmosfeer] afgevuld en gekalibreerd is.
Met behulp van MEMS technieken kunnen druksensoren heel compact gebouwd worden, bijv. zoals de STMicroelectronics LPS25H absolute druksensor (2.5*2.5*1 [mm]), of de Bosch BMP388 (2*2*0.75 [mm]). En vanwege de relatief lage componentkosten worden absolute druksensoren steeds vaker ook toegepast in kleine apparaten zoals drones, smartphones, asset trackers en andere IoT producten.
Bij het kiezen van het juiste druksensor component zijn naast de afmetingen en kostprijs o.a. ook de volgende functionele eigenschappen belangrijk:
- Range: voor welk drukbereik is de sensor geschikt; typisch 300-1250 [hPa].
- Output Data Rate (ODR): aantal metingen per seconden; typisch 1…25 [Hz].
- Absolute nauwkeurigheid: Hoe nauwkeurig kan de absolute druk gemeten worden; typisch +/-1 [hPa] (komt overeen met ~ 8 [mtr]).
- Relatieve nauwkeurigheid: Hoe nauwkeurig kunnen kleine drukveranderingen gemeten worden; typisch +/-0.1 [hPa].
- Noise level: Hoe veel varieert het gemeten signaal bij gelijkblijvende druk; typisch 0,03 [hPa,rms].
- Thermisch gedrag: Hoe stabiel is de meetwaarde als gevolg van temperatuurvariatie.
- Speciale functies: FIFO en interrupts voor het reduceren van software overhead, on-chip Low-Pass-Filter (LPF) voor ruisonderdrukking, on-chip temperatuursensor, etc.
- Stroomverbruik: vooral belangrijk voor batterijgevoede producten; typisch <25 [uA].
- Data interface: Hoe is de sensor aan te sluiten op een microcontroller; typisch via I2C of SPI.
Onderstaande grafieken geven het gedrag weer van een LPS25H sensor module via I2C aangesloten op een Arduino (zie foto);
- Links: gemeten direct na power-on, met 1 meting/seconde, ongefilterd. Duidelijk te zien zijn de zelfopwarming van de sensor en het significante ruisgedrag (piek-piek: 0,4 [hPa] = 3 [mtr]).
- Rechts: gemeten nadat de sensor al enkele uren aanstond, en met intern Low-Pass-Filter (32 samples). Duidelijk te zien is het afgenomen ruisgedrag; piek-piek: 0.15 [hPa] (komt overeen met ~1,2 [mtr]).
Met filteren kun je dus de resolutie van het meetsignaal verhogen, en da’s prima als je relatieve metingen doet (hoogteveranderingen). Maar resolutie is niet het hezelfde als nauwkeurigheid. Ondanks de verbeterde resolutie in de rechter kolom heeft de LPS25H sensor volgens de datasheet nog steeds een absolute nauwkeurigheid van 1 [hPa] = 8.2 mtr. Als je beter nodig hebt dan zul je over moeten stappen naar een betere sensor (zoals de BMP388).
