Selbstbau Sky Quality Meter - einfach & günstig

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Hallo zusammen,

ich weiß nicht, ob allen klar ist, welche Empfindlichkeit notwendig ist, damit ein Sensor wirklich zur Messung des dunklen Nachthimmels geeignet ist. Die verkorksten astronomischen Einheiten (mag/arcsec²) machen einem das Leben zusätzlich unnötig schwer.

Gehen wir mal von 21,6 mag/arcsec² als dunklestem Himmel aus, den das Gerät gerade noch erfassen soll. Das ist in SI-Einheiten:

Leuchtdichte: L = 0,00025 cd/m² = 0,25 mcd/m²

Jetzt muss man bei der Konstruktion des Messgerätes die Größe des Himmelausschnittes festlegen, den das Gerät messen soll. Mein Leuchtedichteaufsatz für den Taghimmel misst über einen Winkel von 8,4°. Das Ganze ohne Linse. Jeder Punkt dieses 8,4°-Kreises wird daher mit gleicher Gewichtung erfasst. Das SQM-L erfasst ca. 20°, dies aber bei weitem nicht mit gleicher Gewichtung. Der große Himmelsausschnitt wurde beim SQM-L wahrscheinlich als Kompromiss gewählt, damit der Sensor noch genug Licht abbekommt.

Zur Umrechnung der Leuchtdichte L [cd/m²] in die Beleuchtungsstärke E [lx] muss mit dem Raumwinkel Omega [sr] multipliziert werden.

20° entsprechen 0,096 sr.

E = L x Omega = 0,00025 x 0,096 = 2,4e-5 lx = 24 µlx

Der Sensor muss also diese 24 µlx noch erfassen können.

Unter idealen Bedingung entspricht dies 3,5e-8 W/m² bzw. 3,5e-6 µW/cm².

Die Diagramme in den Datenblättern des TSL237 und TSL235R beginnen bei 1e-3 µW/cm². Der TSL235R hat bereits eine Dunkelfrequenz, die deutlich oberhalb des Messwertes liegt. Wie sich der TSL237 im uns interessierenden Messbereich verhält, kann ich nicht beurteilen. Sonderlich linear dürfte er aber nicht mehr reagieren.


Gruß
Wolfgang
 
Zuletzt von einem Moderator bearbeitet:
Noch ein Nachtrag zur Umrechnung lm -> W:

Der Faktor 683 lm/W gilt nur bei 555 nm. Wenn die Durchlasskurve des Filters breiter ist als die Hellempfindlichkeitskurve des Auges, dann wird schlechter sichtbares Licht zu stark gewichtet. Dann misst das Gerät zwar nicht mehr richtig, wird im Gegenzug aber empfindlicher.
 
Ich würde gerne wissen, welcher der Nachbauer glaubt, einen Himmel dunkler als 18 mag zu haben. Viele werden das nicht sein.

Aber Du hast völlig Recht: Es wäre absolut interessant, eine Schwelle zu bestimmen, bis zu der das Gerät ohne Optik messen kann. Deine Rechnung zeigt, warum eine Sammeloptik sinnvoll wäre. Warum legst Du Wert auf einen möglichst kleinen Himmelsausschnitt?

Was das Datenblatt angeht: Der Hersteller gibt die Linearität zwischen 0 und 10 kHz mit +- 1% fullscale an. Das wären +- 10 kHz, d.h. es ist keine hilfreiche Angabe. Das Diagramm zeigt, dass es typischerweise besser ist, aber Achtung: Es zeigt f_0-f_D, d.h. man muss den Dunkelwert kalibrieren und da der von der Temperatur abhängt, muss auch das berücksichtigt werden.

Mal anders herum gedacht: Die Dunkelfrequenz ist bei Raumtemperatur typischerweise 0,1 Hz. Das Doppelte der Dunkelfrequenz ist sicher klar erkennbar. 0,2 Hz wären 8e-4 µW/cm². Die Temperaturabhängigkeit fällt mir erst jetzt so stark auf. Es wäre sinnvoll, den Sensor auf einen Kühlkörper zu kleben, auf dem auch den Temperatursensor ist. Es wird nachts erheblich kühler als Raumtemperatur, was die Dunkelschwelle verbessert.

Aber die 3,5e-6 µW/cm² wird man nicht erreichen, leider wahr.

Was die Linearität angeht: Warum sollte der Sensor nicht linear bis in den Bereich sein, wo das Dunkelrauschen dominiert? Mir sind von Fotodioden keine seltsamen Effekte bei Dunkelheit bekannt.

Der TSL235 ist für das SQM ungeeignet. Man muss schon den TSL237 nehmen. Der TSL235 ist für höhere Helligkeiten schön, weil er günstig und gut erhältlich ist. Darum benutze ich den für meine Kugel.

Michael
 
Hallo Michael!

Zitat von Michael_Haardt:
Ich würde gerne wissen, welcher der Nachbauer glaubt, einen Himmel dunkler als 18 mag zu haben.
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Das ist aber extrem pessimistisch 18 mag/arcsec² entspricht nur einer Grenzgröße von 4 - 4,5 mag. Ich weiß auch von Leuten, die auf dem ITV Werte > 21 mag/arcsec² gemessen haben. Ich hab gerade noch einen Bericht aus Stumpertenrod gelesen, bei dem 21,6 gemessen wurden.

Zitat von Michael_Haardt:
Es wäre absolut interessant, eine Schwelle zu bestimmen, bis zu der das Gerät ohne Optik messen kann. Deine Rechnung zeigt, warum eine Sammeloptik sinnvoll wäre.
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Eine Linse sammelt auch nicht mehr als wenn man den Himmelausschnitt einfach über Blenden ausschneidet. Wichtig ist beim linsenlosen System, dass man kein zusätzliches Streulicht bekommt. Daher verwende ich ein Rohr, das mit Velours ausgekleidet ist und zusätzlich noch mehrere Innenblenden hat. Nachteil: Das ist nicht besonders handlich. Vorteil: keine weiteren Verluste; einfache Umrechnung von lx in cd/m² ohne zusätzliche Kalibrierung.

Zitat von Michael_Haardt:
Warum legst Du Wert auf einen möglichst kleinen Himmelsausschnitt?
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Wie schon beschrieben, verwende ich diese Anordnung für den Taghimmel. Ich messe z.B. die Himmelshelligkeit an der punktuellen Position, an der sich gerade ein Planet befindet, um anschließend den Kontrast zu berechnen. Gerade in der Nähe zur Sonne, hat die Leuchtdichte des Himmels aber einen sehr großen Gradienten. Daher sollte die Blende möglichst klein sein.

Am Nachthimmel zur Beurteilung der Lichtverschmutzung ist das natürlich nicht so wichtig. Man darf nur keine Positionen mitten in der Milchstraße oder in Horizontnähe mit erfassen. Ich denke, 20° sind da schon ganz O.K.

Ich will mal bei Gelegenheit meine Digitalkamera kalibrieren. Dann kann man aus dem RGB-Wert der Fotos direkt die Leuchtdichte des Himmels bestimmen. Hierzu habe ich auch schon verschiedene Belichtungsreihen gemacht. Diese zeigen aber, dass man nicht einfach über Belichtungszeit und Blendenwert umrechnen kann. D.h. jede Einstellung muss einzeln kalibriert werden. Am Nachthimmel sollte das prinzipiell auch funktionieren. Dort könnte man beispielsweise mit Hilfe eines unscharf gestellen Sterns bekannter Helligkeit in Zenitnähe (damit der Effekt durch atmosphärische Extinktion möglichst klein wird) kalibrieren. Ich gehe sogar davon aus, dass man damit mit überschaubarem Aufwand genauere Ergebnisse produzieren kann als mit dem SQM. Insbesondere kann man dann auch lokale Himmelsregionen vermessen, z.B. die Lichtverschmutzung in Richtung der nächsten Stadt.

Gruß
Wolfgang


 
Hallo,

inzwischen habe auch ich meine SkyQualityMeterPro aufgebaut.
Leider war das nicht ganz so plug&play wie das die Beschreibung vermuten lässt.
Hier mal ein paar Bilder vom Aufbau mit meinem 3D gedrucktem Gehäuse:

Link zur Grafik: http://fs1.directupload.net/images/180219/5p6rfoeb.jpg

Link zur Grafik: http://fs1.directupload.net/images/180219/7xahdzni.jpg


Link zur Grafik: http://fs1.directupload.net/images/180219/qekftfgl.jpg

Link zur Grafik: http://fs1.directupload.net/images/180219/itpiuvtf.jpg


Leider sind die Bilder etwas unscharf gewurden. Allerdings waren die Batterien leer und ich muss die Kamera erst einmal laden. Man erkennt aber trotzdem was da entstanden ist.
Als IR Filter habe ich einen ungefassten von TS genommen.
Die Sensoren sind alle an der Front angebracht, sodass das Licht vom Oled nicht stört. Das im Projekt vorgesehene 0,96" Oled habe ich gegen ein 1,3" Oled ersetzt. Natürlich passt der Controller nicht, aber das war schnell umgeschrieben. Viel mehr Arbeit hat mich der zusätzliche IR Sensor gekostet. Dieser machte anfangs nicht das beschriebene. Er kommunizierte nicht mit dem i2c Bus, sondern gab das Signal immer per PWM aus. Das hatte zur Folge dass auf dem Bus nichts mehr ging auch auch das Oled somit nichts anzeigte. Ehe ich das herausgefunden hatte, hatte ich schon einen neuen Sensor bestellt, da ich dachte der alte sei defekt. Man muss bei den billigen GY-906, welche es bei ebay gibt, nach dem Starten für ca 40ms die Clockleitung auf Masse ziehen. Anderfalls passiert das oben geschilderte. Nun noch schnell ein Gehäuse gedruckt und alles installiert. Mal sehen wie sich das Teil am Himmel macht.

Tino
 
Was meinst Du mit "nach dem Starten"? Ich habe so einen und kenne die Prozedur aus dem Datenblatt auch, nur klappte es bei mir nicht. Konntest Du den Sensor für dauerhaften I2C Betrieb umprogrammieren oder schaltest Du ihn jeden Mal um?

Mein Sensor hat als Suffix B89, was es im Datenblatt nicht gibt, und er hat keine gelaserte, sondern eine gedruckte Markierung (China, billig). Ich betreibe ihn darum im PWM Modus. Was meinst Du mit "GY-906", wie ist Dein Sensor markiert?

Für einen korrekten Betrieb ist ein farbkorrigierter Filter unverzichtbar. Man kann hier die Filter von Nikon Kameras benutzen, die man billig als Ersatzteil auf Ebay bekommt. Diese Filter sehen immer türkis aus. Ich habe die Transmissionskurve vermessen und sie sind bei kurzen Wellenlängen etwas schmaler als CM-500, so dass sie etwas besser funktionieren. In der Durchsicht farblose Filter sind ungeeignet.

Michael
 
Hallo Michael,

leider habe ich es auch nicht geschafft, den Sensor dauerhaft für i2c zu programmieren. Laut Datenblatt soll das ja durch umschreiben im internen Speicher gehen. Ich muss nun also jedes mal nach Programmstart, die Clock Leitung kurz auf GND ziehen, dass der Sensor in den i2c Modus geht.

GY-906 ist die Bezeichnung unter welcher die kleinen Boards im Internet angeboten werden. Natürlich scheint es da auch unterschiedliche zu geben. B ist schonmal ein 3V Typ und 89 sollt ebedeuten dass er nur PWM kann und kein i2c. Finde aber das entsprechende Datenblatt gerade nicht mehr. Es gibt auch vom Datenblatt mehrere Versionen.

Das mit dem Filte rist so eine Sache. Durchsichtig ist meiner nicht. Er schimmert je nach Licht mal leicht und mal stark Cyan farben. Er passt aber schön vorn vor die Linse und von Filterkurven stand auch nichts in der Baubeschreibung. Ich lasse ihn erst einmal dran.

Tino
 
Hallo ihr Bastler!

Ich habe eure Arbeiten hier verfolgt - nicht weil ich vorhätte mir auch ein Sky Quality Meter selber zu bauen, sondern weil mich das Thema Helligkeitsmessung interessiert. Ich vermisse aber eure Berichte zum Live-Test, vor allem zum Vergleich und zur Kalibrierung mit dem Unihedron-Gerät. Letztendlich kommt es doch darauf an, einen zuverlässigen Messwert zu erhalten, der innerhalb der Messgenauigkeit mit dem des Unihedrons übereinstimmt.

In der Überschrift steht "einfach & günstig". Mir sieht das Ganze unterm Strich doch viel komplizierter aus als anfangs gedacht. Der Teufel steckt halt wie immer im Detail. Wie seht ihr das?

Gruß
Wolfgang
 
Hallo Wolfgang,

leider fehlt mir die Vergleichsmöglichkeit mit einem "fertigen" Gerät.
Wer in der Nähe von Halle so ein Teil hat, kann sich ja gerne bei mir melden um ein paar Vergleichsmessungen zu machen. Wobei die Berechnung ja auch von den verwendeten Sensoren abhängt.
Die Frage ist ja, wie genau sind die Geräte für den Steckdosenastronomen ?


Tino
 
Neuge: Ich würde mich sehr freuen, wenn Du das Datenblatt noch fändest, wo der B89 erwähnt wird. Ich habe Rev. 009 vom 29. Juni 2015. Ebenso würde mich freuen zu erfahren, was genau für eine Bezeichnung auf Deinem Sensor steht. Melexis spricht leider nicht mit Endkunden.

Was Du mit 40 ms beschreibst, wäre ein Aufwecken vom sleep mode, aber da wäre SDA auf GND gezogen. Das Aufwecken aus dem PWM mode benutzt SCL auf GND, aber nur >= 1,44 ms. Wenn das nicht reicht und man hier erheblich längere Zeiten benutzen muss, wäre das interessant.

In der Baubeschreibung steht ganz kurz etwas zur Filterkurve, aber das hat der Autor selbst nicht klar verstanden, wie er mit auf Nachfrage sagte. Unihedron hat publiziert, einen Hoya CM 500 zu benutzen und dessen Kurve in Kombination mit der Empfindlichkeit des Sensors genau diskutiert.

IR Filter sehen schräg immer rosa oder türkis aus. Wichtig ist, wie der gerade Blick hindurch ist. Astronomische Filter sind da klar, weil sie nur IR und UV blocken sollen. Filter für die Fotografie sind türkis, um den Rotbereich abzuschwächen und eine ähnliche Farbempfindlichkeit wie das menschliche Auge zu erreichen, und genau das wollen wir hier auch.

Darum ist es auch unsinnig, die Lichtverschmutzung mit dem Gerät allgemein messen zu wollen. Es orientiert sich nur am menschlichen Auge und nicht z.B. an der Empfindlichkeit von Pflanzen.

Zur Messung: Ich habe kein SQM zur Verfügung, aber ich kann einen kalibrierten Photosensor an einer Ulbrichtkugel benutzen, der in uW/cm^2 bei definierter Wellenlänge misst. Das habe ich einmal gemacht und lernte, dass ich gefälschte USB-Interfaces mit falschem Timing bekam, und seitdem kam ich noch nicht wieder dazu. Die Bugs der gefälschten Chips habe ich inzwischen gefunden und auch echte Chips bekommen (die andere Bugs haben).

Ich hoffe, die Umrechnungsformeln in die anderen Einheiten inzwischen zu haben.

Michael
 
Hallo Michael,

ich finde das Datenblatt jetzt nicht auf die Schnelle.
Ich habe aber hier gekauft: http://www.ebay.de/itm/MLX90614-E-kontaktlos-IR-Thermo-Temperatur-Sensor-GY-906-Arduino-Raspberry-S66/172361500826
In der Produktbeschreibung steht, dass der Sensor immer PMW ausgibt, es sei denn man legt die Clock Leitung größer 38ms auf Low. Dann nämlich schaltet er in den i2c Modus um und funktioniert wie gewünscht ohne Softwareänderungen.
Andernfalls, sendet der Sensor ständig das PWM Signal auf SCL, was alle anderen Busteilnehmer natürlich verwirrt.
Mit einer Bezeichnung kann ich nicht dienen. Auf dem Sensorgehäuse selbst steht nichts. Auch darunter ist keine Bezeichnung zu finden.

Zum Testen werde ich mich sicher demnächst mal in Leipzig einfinden. Melde mich dazu noch einmal.
 
Sehr interessant! Ich werde das bei Gelegenheit mal ausprobieren. Ich habe eben im alten Testcode geschaut und dort wartete ich die angegebene Zeit von 1,44 ms. Zur Sicherheit probierte ich mal mehr, aber nie 38 ms.

Auf den Bildern bei Ebay kann man eine schwache, gelaserte Beschriftung erkennen: BAA. Das wäre die Kennung für die Standardversion. Eigentlich soll die Markierung auf der Seite vom Gehäuse auch gelasert sein und ich habe auch so ein Teil, aber der erste Sensor, den ich aus China bekam, hatte eine gedruckte Markierung und eben B89 als Kennung.

Für jeden, der auch so ein Teil hat: Bei mir ist die Temperatur bei PWM ziemlich genau 3.2*high[%]-64.

Michael
 
Ich hatte heute die Gelegenheit, einen TSL237 (üblicher, aber weniger empfindlich) an einer Ulbrichtkugel mit einem kommerziellen Photosensor zu vermessen und war erstaunt, 2 kHz/(uW/cm^2) statt der 0,6 aus dem Datenblatt zu bekommen. Ich kann es mir nur so erklären, dass der Gehäuseuntergrund aus weissem POM Licht diffus sammelt. Soviel zu unerwarteten Abweichungen.

Die im Datenblatt angegebene spektrale Empfindlichkeit passt hingegen genau zu den Messergebnissen.

Michael
 
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