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アナログ表示の気圧計の修理(センサー交換)

◆まえがき
LPS25Hを使ったアナログ表示の気圧計が故障してしまったので、センサーを交換して修理しました。

この気圧計は:アナログ気圧計(LPS25H)のカテゴリ に記事をまとめています。最初のバージョンの完成は2017年4月

・外観
アナログ表示の気圧計

◆台風14号
この気圧計は5年前に作ったものでずっと問題無く動いていたのですが、今年になって時々少し高い値を示すことがあって気になっていました。それでも気圧は何とか測れていると思っていたので、今回の台風14号(2022年)の接近に伴う気圧変化を記録してみました。

・記録結果
故障したセンサーによる気圧の記録

日付けが変わったあたりから7:00にかけて値が下がっています。14号台風は当地から北西に300km程度離れた位置を通過したので、気圧の変化はもっと滑らかになるはずなのでなんだか変なカーブです。

変化のタイミングを見ると、周囲の明るさに反応して値が変化している感じです。そう言えばセンサーのLPS25Hは周囲の明るさにも反応したはずなので、そういう性質が顕著に現れているのかも知れません。なお、光に反応すると言ってもこんなに敏感では無かったはず。

◆修理
使っていない別の気圧計に刺さったままになっているLPS25Hがあったので、このセンサーと交換しました。

・センサー移植
センサー交換

◆プログラム書き換え
センサー交換に伴いオフセット値が少し変わったので、プログラムを修正しました。同時にシリアル出力のフォーマットも少し少し修正しています。
プログラム:20220921LPS25Hbarometer.ino (BOM付きutf-8エンコード)

重要
プログラムの書き込みは、ボード:Arduino Pro Mini, CPU:8MHz / 3.3V で行うこと

・書き換えの様子
プログラム書き換え
シリアル書き込みコネクタ経由で書き込みました。

・復活
20220921IMG_4179.jpg
時計の分針を使って気圧を表示しています。秒針は動作表示用で、その位置に特に意味は無いのでもう少し短くした方が良さそうです。

◆まとめ
気圧センサーを交換することで調子良く動くようになりました。本来なら、1月頃に不調に気付いた時にここまでやっておくべきでした。

この気圧計の表示部は機械式なので定常時の消費電量はゼロです。また、待機時のCPUは一番深いスリープ状態に入れています(delayWDT2関数を使用)。そんなことで平均消費電流は10μAくらいに抑えているので電池寿命は3年以上あります。そのようにせっかく長寿命になるように作った気圧計なのに、センサーが5年目で故障してしまったのは残念です。MEMSの気圧センサーのMTBFはこんなものなんでしょうか。

アナログ表示の気圧計が不調になったので原因を調査

◆まえがき
4年くらい前に作ったアナログ表示の気圧計が、高い値を示すようになってきたので原因を調べてみました。おかしくなったのは12月頃からで、針の位置を修正しても数日経つと少し高い値を表示するようになってしまいました。
参考:この気圧計は、アナログ気圧計(LPS25H)のカテゴリに記事をまとめています。

・気圧計の外観
自作気圧計
単三電池3本で動いていて、電池交換無しで3年動くことが目標だったのですが、無事その目標をクリアして記録更新中でした。

◆電池電圧の推移
dennchidennatsu推移
まずは電池電圧を確認してみました。過去の測定結果と合わせると上のグラフのようになります。

電池としてはそろそろ空になりそうな電圧です。でも本体の回路は3.3VのLDOなシリーズレギュレーターを通して動かしているので、まだ影響が出るには早すぎる感じです。ちなみにCPUで電池電圧を監視していて、設定値以下でLow Battery アラームを表示して停止するプログラムになっています。

気圧計の針を駆動する際に少し大きな電流(約10mA)が流れるのですが、オシロで見てもその時の電圧低下は0.1Vくらいだったので、問題になりそうな値ではありません。つまり電池にまだ問題は無さそうです。

そうなると、怪しいのは針を動かすパルスモーターの脱調です。この指針は時計のムーブメントを使って動かしているのですが、、正転(CW方向)は本来の動きの方向なので問題は起き難いと思いますが、逆転(CCW方向)は駆動パルスをいじって無理やり反対方向へ動かしているのでマージンが少ないので、うまく駆動出来なくなった可能性が高そうです。CCW方向への駆動が失敗すると、針はCW方向へズレることになり、不具合の現象と合っています。

・気圧計の内部
内部
以上述べたように、パルスモーターの駆動条件のズレが怪しくなったのですが、良い機会なの気圧センサーの測定値を確認してみました。

測定結果はシリアルに流しているので簡単に確認出来ます。

・センサーの測定値
測定値
ふらついていますが、この時の測定結果は1009.16hPaです。なお値は海面気圧に換算した値です。

・気象庁の値
気象台の値
同じ時刻の気象庁の値は1012.0hPaでした。つまり誤差が、-2.84hPaあることになります。この気圧計を立ち上げた時の誤差は1hPa以内だったので、約5年間の経時変化でオフセットが大きくなった感じです。

センサーの測定結果にはこのようなオフセットが発生していました。しかし、最終的な表示はアナログの指針で行っているので、たとえオフセット量が変化したとしても、針の位置の調整でキャンセル出来るので今回のような問題の原因にはならないはずです。

◆まとめと今後の対応
とりあえず状況は把握出来ました。時計のパルスモーターを逆転させるための駆動条件が狂ってきたようです。原因としては、パルスモーターのローター磁石の減磁や単純にメカニカルな抵抗の増加が考えられますが本当のところは判りません。何しろ元は100円ショップの時計なので何年も使えることを期待する方が間違いなのかも知れません。

対策としては、最適な駆動パルスを再設定してやるしか無さそうです。まとまった時間が取れる時にやって見たいと思います。

この気圧計は電池交換無しで3年以上動くことが目標だったのですが、既にその目標は達成して記録更新中でした。そろそろ電池がやばくなる頃かと思っていたら、電池より先に本体の方がダメになってしまったようです。なかなか思い通りには行かないもので、これがモノ作りの難しさなんでしょう。というか、趣味でやってるからこんな呑気なことを言ってられますが、これが仕事だったら真っ青の事態です。

Arduinoで動かすアナログ表示の気圧計、動作開始から3年

◆3年経過
2017年5月に作った電池で動く気圧計が、目標としていた3年間の連続動作を達成しました。

運転開始時の記事は、アナログ気圧計2号機、運転開始
去年の今頃に確認した時の記事は、Arduinoで動かすアナログ表示の気圧計の電池電圧

・外観
アナログ表示の気圧計

・電圧を測定している様子
3年目の電圧測定
ケースに穴を開けておいたので、分解しないでも電池電圧が測定できるようになっています。今回の電圧は4.35Vでした

◆電池電圧の変化グラフ
電池電圧変化
まだまだ余裕です。3.3Vまで電圧が下がるとマイコンが検出してLow Battery 表示を行うようになっているのですが、相当先になりそうです。

縦軸を拡大
電池電圧変化(拡大)
2年前にプログラムを改良して、より消費電流が少ないタイマー(delayWDT2)に入れ替えました。今回のグラフを見ると、そのタイミングを境に電池電圧の低下速度が緩やかになっていることが確認出来ました。
地味なプログラム改良だったのですが、こうして効果がはっきりと確認出来て良かったです。

◆使った電池のキープサンプル
おもちゃの修理をやっていると液漏れした電池によく出くわすのですが、今回使っている電池は今のところ液漏れすることも無く順調に動き続けてくれているようです。ちなみに電池はダイソーで4本100円で買ったアルカリ単三電池 (AA LR6) です。

4本組で買った電池の3本は気圧計を動かすために使っているのですが、実は残りの一本はキープサンプルとしてそのまま保管してあります。狙いは無負荷で保管した場合の電圧変化の確認です。同じ温度履歴になるように、時計のムーブメントの電池ケース内に保管しておきました、もちろん配線は外してあるので電池の消耗はありません。

その電池がこれ
使った電池のキープサンプル
電圧を測ると 1.615Vもありました。この電圧を見る限り劣化の兆しは無さそうです。ちなみに2018年5月の時点の電圧は1.636Vでした。

電池には使用推奨期限 2024年1月と表示されています。ということは、この気圧計はあと4年はちゃんと動き続ける可能性が高いことになります。まあ、電池や回路が大丈夫でも、メカの寿命の方が先に来るのかも知れません。

◆まとめ
えらく長生きする気圧計が出来たようで、こっち方が先にまいっちゃいそうです。そうは言っても、自分の作った物が何年も動き続けるのは嬉しいものです。

どうせだったら太陽電池と電気二重層キャパシタを組み合わせて、室内の明かりだけで永遠に動き続ける気圧計を作ってみるのも面白いかも知れません。
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