気圧計&高度計(アナログ版)

はじめに

アナログセンサーを用いた気圧計、高度計です。
気圧がわかると、高度も推定することができます。ほとんどの高度計はこの原理を利用しています。

気圧測定原理

MPS-2407は半導体圧力センサーです。
圧力差による応力をピエゾ抵抗の変化に変換します。真空を基準にしています。
変化は微小であるため、ホイートストン・ブリッジの出力電圧(V1-V2)として取り出します。
大気圧に比例した出力電圧を得られます。

ブリッジ抵抗Rbは5KΩ前後で変化します。
ホイートストン・ブリッジ駆動電流=1mA(In+,In-間)のとき、1気圧=101325[Pa]の差動出力電圧は170mV前後です。駆動電流が小さいと出力電圧も小さくなります。

センサーのオフセット電圧は±25mVです。つまりオフセット誤差があります。

高度測定原理

国際民間航空機関(ICAO)が定めた標準大気モデルがあります。
対流圏(高度11km以下)においてこの大気モデルは実際とよく合います。
乾燥気体は理想気体とみなすことができます。
理想気体においてはボイル・シャルルの法則を適用できます。
ところで1[km]の高度差における気温差は6.5[C]です。
もし高精度で気温を測定できれば、高度を推定することができます(海面気温T0=15[C]と想定)。

しかし高度1[m]の気温差は0.0065[C]ですので、1[m]の分解能を得るためには小数点以下4桁の気温精度が必要です。
これは事実上不可能ですので、ボイル・シャルルの法則を利用し、気圧から高度を推定します。

標準大気モデルは海面気温T0=15[C]、海面気圧P0=101325[Pa]を想定しています。
現在地気温T[K]から海面気温T0[K]の推定式(1)

現在地気圧P[Pa]から高度h[m]の推定式(2)

(1)と(2)の連立方程式を解くと現在地気圧P[Pa]と現在地気温T[K]から高度h[m]を導くことができます。


定数は以下のとおりです。

仕様

表示LCD表示
分解能大気圧7[Pa], 高度0.58[m]
精度大気圧 ±50程度[Pa], 高度±1程度[m]、較正精度に依存。気象影響を除く。
電源単三 x2
消費電流6mA
電池寿命2000mAH/6mA=333hour

回路図



部品表

備考
PIC16F19381IC1 マイクロチップ(秋月)
MCP34221IC2 A/Dコンバータ、マイクロチップ(サンプル)
MPS-24071IC3 圧力センサー(秋月)
MCP97001IC4 温度センサー、マイクロチップ(秋月)
SD16021LCD1 キャラクタLCD, 16桁x2行(秋月)
HT7733A1R0 DCDCコンバータ(秋月)
4.7K2R1,R2 カーボン皮膜抵抗1/4W
0.01uF2C1,C2 積層セラミックコンデンサ
0.1uF2C5,C6 積層セラミックコンデンサ
47uF2C3,C4 縦型電解コンデンサ(耐圧16V)
1N41482D1,D2 汎用ダイオード(秋月)
1S41D3 ショットキーバリアダイオード(秋月)
47uH1L1 インダクター, TDK

気象誤差

気象の影響について(気象条件が与える気圧変動) いずれにしても気象変動により±100[m]前後の誤差を生じます。

ソフトウェア

感想

評価

水ヶ塚公園
GPSMPS-2407MPL115PA2SCP1000
1460.10m1429.72m1393.36m1442.42m
-86013.22Pa85994.62Pa85812.87Pa
-20.29C12.48C18.20C
五合目駐車場
GPSMPS-2407MPL115PA2SCP1000
2388.00m2293.45m2290.58m2134.99m
-77630.51Pa77207.23Pa78901.00Pa
-13.67C7.43C11.80C
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