TESS-W Night Sky Brightness Photometer: 8 Steps (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

TESS-W är en fotometer som är utformad för att mäta och kontinuerligt övervaka natthimlens ljusstyrka för undersökningar av föroreningar av ljus. Det skapades under STARS4ALL H2020 European Project med en öppen design (hårdvara och programvara). TESS-W fotometern har utformats för att skicka data via WIFI. Data visualiseras i realtid och delas (öppna data). Bläddra på https://tess.stars4all.eu/ för mer information.

Detta dokument innehåller några tekniska detaljer för TESS-W natthimlens ljusstyrka fotometer och beskriver hur man bygger den. Den innehåller sensorns elektroniska och optiska scheman och även det väderbeständiga höljet.

Mer information om TESS -fotometern presenterades i Zamorano et al. "STARS4ALL natthimlens ljusstyrka fotometer" vid Artificiellt ljus vid nattmöte (ALAN2016) Cluj, Napoca, Rumänien, september 2016.

TESS-W har utvecklats av ett team och designen är baserad på Cristóbal Garcias arbete.

Detta är den första arbetsversionen av Instructables. Håll utkik.

Steg 1: Beskrivning av TESS-W

Fotometern är innesluten i en väderbeständig låda som innehåller skräddarsydd elektronik och optiska delar. TESS har ett specialtillverkat kretskort (PCB) med en ESP8266. ESP8266 är ett billigt WIFI-chip med full TCP/IP-stack och mikrokontroller. Elektroniken används för att läsa av frekvensen från TSL237-ljussensorn (för natthimlens ljusstyrka) och även MLX90614ESF-BA Infraröd termometermodul (för molntäckningsinformation).

Himmelsljusdetektorn är en TSL237 -fotodiod som omvandlar ljus till frekvens. Det är samma sensor som används av SQM -fotometrarna. Bandpasset är dock mer utökat till det röda intervallet med användning av ett dikroiskt filter (märkt UVIR på tomterna) med avseende på BG38 -färgfiltret i SQM.

Ljuset från himlen samlas in med optiken som innehåller ett dikroiskt filter för att välja bandpass. Filtret täcker uppsamlaren (1) helt. Sensorn (syns inte på denna bild) sitter på ett kretskort tillsammans med den specialtillverkade elektroniken (2). WIFI -modulen (3) med en antenn inuti lådan som utökar WIFI -intervallet. En nära-infraröd sensor (4) används för att mäta himmelens temperatur. Slutligen slås värmaren (5) på vid behov för att bli av med kondens på fönstret eller till och med för att smälta is eller snö (6). Synfältet (FoV) är FWHM = 17 grader.

TESS-W: s spektralreaktion jämförs med de astronomiska fotometriska Johnson B-, V- och R-spektren och med spektra från den ljusförorenade himlen i Madrid och Calar Alto astronomiska observatoriets mörka himmel.

Steg 2: TESS-W fotometerelektronik

Elektrisk bräda

Huvudkomponenten i TESS är ett specialtillverkat elektroniskt kort (kretskort, kretskort).

Filen som behövs för kretskortet kan laddas ner från

Kretskortet har utformats för att passa inuti den valda kapslingsboxen (se senare).

Huvudkomponenter

PCB: s elektroniska delar kan bläddras på den medföljande bilden och i den medföljande filen.

Steg 3: TESS-W fotometeroptik

Design och komponenter

Ljuset från himlen samlas in med optiken som innehåller ett dikroiskt filter för att välja bandpass. Filtret täcker uppsamlaren helt. Fotometerhöljet har ett tydligt fönster som låter himlens ljus komma in i fotometern. Insidan är skyddad med ett glas klart fönster.

Den optiska designen visas i den första figuren. Ljuset passerar det genomskinliga filterfönstret (1) och går in genom ett hål (3) på höljet (2). Det klara fönstret är limmat på kåpan. Det dikroiska filtret (4) är placerat ovanpå ljussamlaren (5). Detektorn (6) har placerats vid kollektorutgången.

Det klara fönstret

Den första komponenten är ett transparent fönster som låter ljuset passera till resten av komponenterna och tätar fotometern. Detta är ett fönster i glas (BAK7) eftersom det ska motstå vädret. Fönstret har en tjocklek på 2 mm och en diameter på 50 mm. Överföringskurvan har mätts på LICA-UCM optiska arbetsbänk. Det är nästan konstant ~ 90% i våglängdsområdet 350nm -1050nm, det betyder att det klara fönstret inte introducerar förändringar i ljusets färg.

Det dikroiska filtret

Det dikroiska filtret är ett avrundat filter med en diameter på 20 mm för att helt täcka ljusuppsamlaren. Detta säkerställer att det inte finns något ofiltrerat ljus som når detektorn. Detta är viktigt eftersom TSL237 -detektorn är förnuftig i det infraröda (IR). UVIR -filtret var utformat för att överföra från 400 till 750 nm, det vill säga det sänker detektorns ultravioletta svar under 400 nm och IR -svaret över 750 nm. Överföringskurvan liknar en kombination av ett långpass och ett kortpassfilter med nästan platt respons som når nästan 100% mätt i LICA-UCM optisk arbetsbänk (se diagrammen i beskrivningen)

Ljussamlaren

För att samla ljuset från himlen använder TESS en ljussamlare. Denna uppsamlare är mycket billig eftersom den är tillverkad i plast med formsprutning. Dessa linser används för att stråla ut ljuset i ficklampor. Insidan är en transparent paraboloidreflektor. Den svarta hållaren förhindrar att strålkastarljuset når detektorn.

Vi använder kollektorer av svart ljus med nominella 60 grader FoV. Vid användning i TESS reduceras FoV på grund av detektorns position utanför kollektorn. Den slutliga uppmätta FoV (inklusive eventuell vinjettering från kåpan) har mätts i den optiska arbetsbänken. Vinkelsvaret liknar en gaussisk funktion med 17 grader full bredd vid halv max (FWHM).

Lådan

TESS -fotometerns elektronik och optik skyddas av ett enkelt hölje baserat på en kommersiell plastlåda som är lämplig för att vara utomhus och motstå vittring.

Lådan är liten (utsida: 58 x 83 x 34 mm; insida: 52 x 77 x 20 mm). Lådan har ett skruvlock för att komma åt insidan. Den förseglade konstruktionen ger tillräckligt med skydd mot inträngning av både vatten och damm. För att förhindra att skruvarna lider av rost har de ursprungliga skruvarna bytts med skruvar i rostfritt stål.

Steg 4: TESS-W-hölje

Lådan

TESS -fotometerns elektronik och optik skyddas av ett enkelt hölje baserat på en kommersiell plastlåda som är lämplig för att vara utomhus och motstå vittring.

Lådan är liten (utsida: 58 x 83 x 34 mm; insida: 52 x 77 x 20 mm). Lådan har ett skruvlock för att komma åt insidan. Den förseglade konstruktionen ger tillräckligt med skydd mot inträngning av både vatten och damm. För att förhindra att skruvarna lider av rost har de ursprungliga skruvarna bytts med skruvar i rostfritt stål.

Lådbearbetning

Det är nödvändigt att utföra en enkel bearbetning på lådan. Fönstret som tillåter ljus att nå ljusuppsamlaren har en bredd på 20 mm i diameter. Det täcks av ett klart fönster som ska limmas med väderbeständig silikon. Det lilla hålet är IR -termometerporten och har 8,5 mm i diameter. På andra sidan av lådan krävs ett 12 mm hål för kabelgenomföringen. De två perforeringarna på 2,5 mm används för att fästa värmaren till lådkåpan.

Steg 5: Montering av TESS-W fotometer

1. Förberedelse

1. Måla lådan inuti svart.

Lådbearbetning

2. Borrning:

● 1x 20 mm för fönstret. ● 1x 12 mm för kabelgenomföringen. ● 1x 8,5 mm för termopilen ● 2x 2,5 mm för värmaren ● 2x 1 mm på lådans sida.

3. Borra aluminiumspridarplattan (1 mm tjocklek) för värmebeständigheten, 4. Skruva fast motståndet och plattan på locket.5. Limma 8 mm distanser för kretskortet. Limma det genomskinliga fönstret (motståndsvärmaren ska skruvas på plats)

Termopil

7. Ta bort spänningsregulatorn och anslut båda terminalerna genom att löda en bro. Löd en 4-polig kabel med ett huvud på 60 mm längd. Limma termopilen på locket.

Antenn

10. Borra ett hål för att fästa antennen i lådan. Trimma hörnen på antennen. Ta bort den keramiska antennen på wifi -modulen och även antennanslutningen och den röda lysdioden.

2. Montering

Följ denna ordnade ordning:

1. Fäst antennen i lådan med en skruv. Placera kabelgenomföringen och nätsladden. Fäst solfångaren (svart cylinder) på kretskortet (två skruvar).4. Fäst kretskortet i lådan (två skruvar).5. Skruva fast strömkabeln till den gröna kortkontakten. (Röd tråd till positiv).6. Lödantennkabel till wifi -modul. Lödning till motståndsvärmare en 2-polig 2-polig kabel till kortanslutningskabel på 55 mm.8. Anslut termopilen och motståndet (var försiktig så att inte kretskortet bryts).

Motståndet fungerar som en värmare och är ansluten till locket med en aluminiumplatta. Bilderna förklarar nästa processer: Antennen ska skruvas fast i lådan, termopilens regulator har ersatts av en bro och de två distanserna (i svart) för kretskortet ska limmas på lådan. Lådans insida är svartmålad.

En av figurerna visar den ursprungliga WIFI -modulen som har en keramisk antenn och ett uttag för att ansluta en extra antenn (upptill). Vi använder en antenn vars kabel är lödd till wifi -modulen (nedtill). Observera att den keramiska antennen, uttaget och den röda lysdioden nära kabeln har tagits bort.

Steg 6: TESS-W fotometrisk kalibrering

Fotometrarna bör kalibreras för att säkerställa att mätningarna från olika enheter är konsekventa. TESS-W är korskalibrerade i förhållande till en masterfotometer vid Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) vid Universidad Complutense de Madrid.

Uppsättningen är en integrerande sfär vars interiör kan belysas av en ljuskälla och med flera optiska portar för att ansluta fotometrarna. Ljuskällan som används är en LED på 596 nm med 14 nm FWHM.

Om du vill kalibrera din TESS-W fotometer kan du kontakta LICA-UCM.

Steg 7: TESS-W-programvara

WIFI -modulprogramvara

Kommunikation och mjukvara

Det kompletta systemet inkluderar ett sensornätverk och en mjukvarumäklare som förmedlar mellan informationstillverkare och konsumenter som är reserverade för kalibrerade sensorer. När du har kalibrerat din fotometer (se steg 6), kommer STARS4ALL att ge dig referenser för att publicera i mäklaren.

Ett exempelkonsument i Python för att lagra data i en SQLite -databas har utvecklats. Denna konsument kan installeras på en eller flera datorer eller servrar. Programvarans huvudegenskaper listas nedan:

● Anpassad programvara för TESS utvecklad i C.

● MQTT -utgivarprogramvara som utvecklats i Arduino IDE- och ESP8266 -biblioteken.

● MQTT Broker antingen i en intern distribution eller en tillgänglig tredje part (dvs. test mosquitto.org)

● MQTT -prenumerationsprogramvara som tar emot data från utgivare och lagrar dem i en relationsdatabas (SQLite).

MQTT är ett lättprotokoll M2M / Internet of Things som är lämpligt för begränsade enheter som kräver mycket mindre omkostnader än HTTP -baserad kommunikation.

Varje sensor skickar regelbundet mätningar till en avlägsen MQTT -server via en lokal router. Denna server - benämnd”mäklare” i MQTT -världen - tar emot data från många sensorer och distribuerar om till alla prenumeranter och kopplar därmed utgivare från konsumenter. Fjärrservern kan distribueras antingen internt i en central anläggning för projektet. Alternativt kan vi använda tillgängliga, gratis MQTT -mäklare som test.mosquitto.org.

Varje programvaruklient kan prenumerera på mäklaren och konsumera informationen som publiceras av TESS -enheterna. En speciell MQTT -klient kommer att utvecklas för att samla alla dessa data och lagra dem i en SQLite -databas.

Enhetskonfiguration

● Instrumentkonfigurationen reduceras till ett minimum för att underlätta underhållet.

● Varje enhet behöver den här konfigurationen:

o WiFi SSID och lösenord.

o Fotometer kalibreringskonstant.

o MQTT -mäklares IP -adress och port.

o Instrumentvänligt namn (unikt per enhet)

o MQTT -kanalnamn (enligt beskrivningen ovan)

WiFi -konfiguration

När TESS-W först ansluts till strömmen skapas en WiFi-åtkomstpunkt. Användaren fyller i inställningarna som innehåller namnet (SSID) och lösenordet för WiFi -routern, fotometriens nollpunkt och internetadressen och namnet på mäklarförvaret. Efter en återställning och stänga av och slå på cykeln börjar TESS -fotometern producera och skicka data.

Vid första start startar TESS som en åtkomstpunkt med namnet TESSconfigAP. En mobiltelefon måste ansluta till denna åtkomstpunkt.

● Bläddra med en webbläsare följande URL:

● Fyll i formuläret med parametrarna listade i 2.3

● Starta om enheten som ansluter till den lokala routern.

När enheten tappar länken till WiFi -routern, starta om och konfigurerar sig själv igen som en åtkomstpunkt, vilket är bekvämt att ändra konfigurationen.

programvara

TESS-W-firmware och dokumentation finns i github-förvaret

github.com/cristogg/TESS-W

För ESP8266https://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-w-v2_0/tess-w-v2_0.ino.generic.bin

För mikroprocessornhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Steg 8: Slutanmärkningar

STARS4ALL Foundation är en fortsättning på STARS4ALL-projektet som ansvarar för driften av TESS-W fotometernätverk. Detta är ett medborgarvetenskapligt projekt som producerar intressanta data för studier av ljusföroreningar.

När din fotometer har kalibrerats och konfigurerats börjar mätningarna skickas till STARS4ALL -infrastrukturen. Dessa mätningar kan visualiseras från vår plattform (https://tess.stars4all.eu/plots/). Dessutom kan all data som genereras i nätverket laddas ner från vårt Zenodo -samhälle (https://zenodo.org/communities/stars4all)