Herstellung einer Radiosonde bei Graw

Vom 16.09. – 25.09.2019 hatte ich die Gelegenheit, mir die Produktion von Radiosonden bei dem Unternehmen Graw Radiosondes GmbH & Co. KG in Nürnberg in Form eines Praktikums anzuschauen. Dabei habe ich fast jeden Schritt im Herstellungsprozess einer Radiosonde selber durchlaufen und konnte so einen Eindruck aus erster Hand gewinnen.

Auch DFM-17 werden schon in Serienfertigung hergestellt und ausgeliefert

Zwei Dinge haben mich dabei am meisten erstaunt. Zum einem, wie viel Handarbeit in jeder Radiosonde steckt. Jede Sonde durchläuft von der Vorprüfung der Platine über die Montage und Kalibrierung bis hin zur Verpackung viele Einzelschritte und dürfte, bis Sie endlich in der Verpackung auf dem Weg zum Kunden ist, bestimmt zwei Dutzend Mal angefasst worden sein. Das andere ist, dass das, womit wir uns hauptsächlich beschäftigen, GPS, Mikrocontroller und Radio eigentlich kaum eine Rolle spielt im Vergleich zu dem Know-How, das in die Entwicklung, Herstellung und Kalibration der Sensoren einfließt.

Bei so einem Equipment zum Sondentracken auf dem Dach dürften wohl die meisten Sondenjäger neidisch werden

Graw stellt im Moment drei unterschiedliche Arten von Radiosonden her: Die DFM-09, die DFM-17, ihr Nachfolgemodell, und die PS-15, eine Pilotsonde ohne TU-Sensoren. Abgesehen von der Kalibration der Sensoren, die für die Pilotsonde natürlich entfällt, ist die Herstellung für alle Sonden relativ ähnlich. Die Fertigung der Sensorträger erfolgt ebenfalls inhouse und ist für DFM-09 und -17 sehr ähnlich. Die Bodenstationen werden in der Gerätefertigung der Schwesterfirma Noris, die im gleichen Gebäudekomplex sitzt, montiert.

Pilotsonden haben keinen Sensorträger und können nur Wind messen

Zunächst soll die Herstellung eines Sensorträgers beschrieben werden. Grundmaterial ist eine flexible Leiterplatte, die extern hergestellt wird. Die Leiterplatten werden einzeln ausgestanzt geliefert. Je zehn Leiterplatten werden in ein auf Schienen befestigtes Gestell gelegt und befestigt. Auf die Pads für den Thermistor des Feuchtesensors (der erst viel später bestückt werden wird) wird mit einem Zeit-Druck-Dispenser Lötpaste aufgetragen, anschließend werden die Thermistoren der Baugröße 0402 von Hand bestückt. Unter dem Mikroskop werden die Thermistoren mit Heißluft verlötet und dabei manuell ausgerichtet.

Im nächsten Schritt werden die Thermistoren für die Temperaturmessung, die THT-Bauelemente sind, in einem ähnlichen Jig über den zugehörigen Pads auf den Sensorträgern platziert, Lötpaste wird aufgetragen und die Thermistoren unter Heißluft verlötet. Danach werden die Sensorträger in einem Ultraschallbad mit Waschbenzin von Flussmittelresten befreit.

Anschließend wird unter dem Abzug auf die Lötstellen eine wärmehärtende Isolierpaste aufgetragen, die anschließend auf einer Wärmeplatte gehärtet wird. Dies dient neben dem mechanischen Schutz vor allem auch der Isolierung gegenüber der aufzubringenden Verspiegelung des Sensorträgers. In diesem Schritt wird auch ein Stück Kaptonband über dem Footprint des Feuchtesensors angebracht, sodass dieser nicht beschichtet wird. Die Verspiegelung des Sensorträgers und der Kappe über dem Feuchtesensor wird von einer externen Beschichtungsfirma durchgeführt. Dieser Prozess schließt nicht nur das Bedampfen mit Aluminium, sondern auch das zusätzliche Aufbringen eines Schutzlacks ein. Abschließend werden die beschichteten Sensorträger noch in einem Testjig auf Isolation/Durchgang der jeweiligen Kontakte geprüft und das (verspiegelte) Kaptonband wieder entfernt.

Für die Sonden beginnt der Herstellungsprozess mit der Vorprüfung. Die bestückten Leiterplatten erreichen die Fabrik unprogrammiert, aber aus dem Nutzen getrennt und mit aufgelötetem Schalter/Taster in Pendelverpackungen von zwei Bestückern. Die Leiterplatten selbst kommen von zwei unterschiedlichen Herstellern in China.

Bei der Vorprüfung werden die Sonden elektrisch geprüft, programmiert und teilweise justiert bzw. kalibriert. Darüber hinaus erhält jede Sonde bei diesem Schritt Ihre Seriennummer, und das erste kleine Etikett.

Für die DFM-09 werden zunächst beide Leiterplatten, die noch mit perforierten Stegen verbunden sind, mit einem Flatflex-Kabel elektrisch verbunden. Anschließend wird die Sonde in ein Testjig gelegt, das automatisiert grundsätzliche Parameter wie die Stromaufnahme testet. Die Quartz- und die Oszillatorfrequenz wird über zwei Trimmkondensatoren eingestellt, die über zwei Schrittmotoren mit daran befestigten Wellen und Schraubendreherköpfen betätigt werde. Außerdem wird die Sonde programmiert und das GPS und 403-MHz-TX über koaxiale Testverbinder kontaktiert und getestet. Für die DFM-17 findet die Programmierung in temporärer Ermangelung eines solchen Jigs über den Groundcheck-Verbinder per Bootloader statt.

Anschließend werden die Sensorträger in den dafür vorgesehenen Steckverbinder auf der Leiterplatte gesteckt und die Sonden auf einem Fertigungswagen platziert. Danach kann die Temperaturkalibrierung vorgenommen werden. Dazu werden die Sonden in einen Trägerrahmen gesteckt und anschließend in Temperaturbädern bei unterschiedlichen Temperaturen kalibriert. Dabei wird als Flüssigkeit Ethanol bei den höheren und ein Kältemittel bei den tieferen Temperaturen eingesetzt. Während dieser Kalibrationen sind die Sonden über Pogo-Pins mit dem Kontrollsystem, das bei erfolgreicher Kalibrierung die Korrekturdaten auf das EEPROM auf der Sonde schreibt, verbunden.

Nach diesem Schritt kann der Feuchtesensor aufgelötet werden. Auch hier kommt ein Reflow-Verfahren zum Einsatz, aufgrund der empfindlichen Natur des Sensors wird dieser allerdings mit einem Unterdruck-Sauger platziert und auf einer Hotplate verlötet. Anschließend kann der Feuchtesensor kalibriert werden. Dafür werden die Sensorträger von immer 16 Sonden gleichzeitig in einem von Luft variabler Feuchte durchströmten Kanal platziert. In diesen Kanal kann Luft eingeleitet werden, die durch Trocknungsmittel oder das Passieren einer Wasseroberfläche in ihrem Wasserdampfgehalt kontrolliert werden kann. Die Kalibration findet bei verschiedenen Feuchtegehalten, aber ausschließlich bei Raumtemperatur statt. Auch hier werden die Korrekturdaten für jede Sonde berechnet und bei erfolgreicher Kalibration auf dem EEPROM gespeichert.

Nun können die Lötarbeiten erfolgen. Diese umfassen bei der DFM-09 die Antenne, die Batterien und die Verbindungen beider Leiterplatten durch das RF-Shield und die GPS-Antenne, letzteres kann bei PS-15 und DFM-17 entfallen. Es schließt sich die Endkontrolle an, in der die Sonden in einem weiteren Teststand, der dem für die Feuchtekalibration ähnelt, überprüft werden. Hier werden verschiedene Parameter wie Plausibilität der PTU-Werte, Telemetriesender und GPS-Empfang überprüft. Zu diesem Zweck existiert in der Fertigung ein GPS-Repeater-System, dass das GPS-Signal mit einer Dachantenne empfängt und an Sendeantennen an jedem Prüfstand verteilt. Jede Sonde, die die Endkontrolle erfolgreich verlässt, wird einer optischen Sichtprüfung unterzogen und die Schutzkappe wird auf den Feuchtesensor gesteckt.

Die Vorrichtung für die Endkontrolle sieht so ähnlich aus, wie die für die Kalibration der Feuchtesensoren

Anschließend wird die fertige Elektronik im Gehäuse montiert. Bei der DFM-09 erfolgt dies in zwei Arbeitsschritten. Zunächst wird das Sondenetikett ausgedruckt und auf das Gehäuse geklebt, die Sonde wird in das Gehäuse gelegt. Im zweiten Schritt wird der Deckel auf das Gehäuse geklebt, wozu wieder ein Zeit-/Druck-Dispenser zum Einsatz kommt. Bei der DFM-17 werden die Batterien eingesetzt und die Sonde auf Funktion (Einschalten) überprüft. Die maximale Batterielaufzeit, die Sonden beim Verlassen der Fabrik aufweisen dürfen, beträgt eine Minute. Die Sonde wird in das Styroporgehäuse platziert, der Deckel aufgesetzt und die Sonde mit einem Kabelbinder verschlossen, ehe das Sondenetikett aufgeklebt wird.

Im letzten Schritt werden die Sonden verpackt. Grundsätzlich können Kunden zwischen einer Vakuumverpackung und einer normalen Kartonverpackung wählen, die bei normalen Lagerbedingungen kaum Nachteile aufweist. Bei der DFM-09 werden in diesem Falle jeweils zehn Sonden in einem Karton verpackt. Zuvor werden jedoch die Sonden in die Kunststoffhüllen gelegt, die in einer benachbarten Behindertenwerkstatt montiert werden, dabei schützt ein Kartonstreifen den Sensorträger. Der Abroller, der fertig montiert von einer Behindertenwerkstatt in Belgien geliefert wird, wird in den Teil der Kunststoffhülle gesteckt, die im Flug den Sensorträger positioniert. Die DFM-17 wird in eine Verpackung mit Karton-Inlay gelegt, die Sonde und Abroller in Position hält. Bei der DFM-17 ist der Stab bereits am Abroller vormontiert und muss vom Anwender nur noch im Deckel der Sonde um den Kabelbinder in Position geklickt werden. Weiterhin haben die Abroller nun keine Kunststoffhülse mehr, sondern eine Pappscheibe auf der Oberseite und werden ausschließlich mit grünen Ballons bestückt.

Ich habe während meines Praktikums zahlreiche Einblicke in die Produktion und Entwicklung erhalten und vermutlich um Größenordnungen mehr Radiosonden in den Händen gehalten, als ich in den nächsten Jahren und Jahrzehnten wieder einsammeln kann. Hierfür möchte ich mich beim ganzen Team von Graw und Noris herzlich bedanken, insbesondere bei Frau Christina Flohry, Herrn Florian Schmidmer und Herrn Norbert Traeger!

Start einer Ozonsonde in Uccle

Am 29.07.2019 hatte ich auf dem Rückweg vom Tomorrowland Festival in Belgien einen Abstecher zum KMI in Uccle organisiert, um dort meine zwei belgischen Ozonsonden zurückzubringen und mir das Institut und einen Ozonsondenstart anzuschauen.

Das KMI hat nun seit fast genau 50 Jahren eine kontinuierliche Ozonmessreihe aus Radiosondenaufstiegen. Aufstiege werden immer Mo., Mi. und Fr. um 11:30 UTC durchgeführt. Verwendet werden ECC Ozonsonden, auf die Mitte der 90er Jahre umgestellt wurde, zuvor wurden Brewer-Mast Sonden verwendet.

Grundsätzlich wird bei einer Ozonsondierung eine normale Radiosonde, hier eine Vaisala RS41 verwendet, an die die Ozonmesseinrichtung angeschlossen wird, die aus einer elektrochemischen Reaktionszelle, eine Sampling-Pumpe und einem Steuerboard und den notwendigen Batterien besteht, und in einer Styroporbox angeschlossen wird. Wem noch nicht bekannt, der sollte einen Blick auf die Anleitung zu Ozonsondierungen von Vaisala werfen, die sehr gut und ausführlich ist.

Die Vorbereitungen beginnen am Starttag mit der elektrochemischen Prüfung der Zelle ab 7:30 UTC. Wir erreichten das Institut gegen 9:00 UTC und wurden gleich zum Befüllen des Ballons mit in das Ballonhangar genommen. Verwendet werden 1200 g Ballons von Totex, die auf ein Gegengewicht von 2400 g mit Wasserstoff gefüllt werden. Das Wasserstofflager befindet sich ca. 30 m vom Ballonhangar entfernt und ist mit diesem über eine unterirdische Rohrleitung verbunden. Wenn das Füllvolumen erreicht ist (Der Ballon ist dann, trotz Wasserstofffüllung ein gutes Stück größer als ein normaler Heliumballon aus dem Startautomaten) wird der Ballon mit Kordel verschnürt und am Fallschirm befestigt. Der Ballon wird aus der Fülleinrichtung entfernt und an einem Gewicht befestigt, die Schnur zwischen Fallschirm und Sonde wird abgemessen und am Fallschirm angebracht.

Der gefüllte Ballon kann ein paar Stunden im Hangar stehen, während die anderen Vorbereitungen laufen

Anschließend ging es weiter in das Labor, in welchem die elektrochemischen Vorbereitungen durchgeführt werden, und welches sich im Keller des Instituts befindet. Hier befindet sich der Ozonsondenvorrat, und die Teststation. Während die Vorprüfung für den übernächsten Aufstieg erfolgte, wurden meine Sonden in Empfang genommen. Für die Mitarbeiter in Uccle ist es in Ordnung, wenn der Finder die Sonde öffnet, um das Packvolumen beim Zurücksenden zu reduzieren und die Batterien entfernt. Der Lufteinlassschlauch wird ebenfalls bei jedem Aufstieg ersetzt.

Weiter ging die Tour auf dem Dachboden, wo die Empfangsstation und der Groundcheck untergebracht sind. Hier erhielt ich die Gelegenheit, ein paar mitgebrachte Sonden auf eine andere Frequenz zu programmieren.

Circa 1 h vor dem Start wird die Ozonsonde für den Groundcheck nach oben geholt. Die Heizbatterie wird angebracht und die Motorbatterie im Batteriefach verklebt. Da Vaisala keine Wasserbatterien mehr vertreibt, ist Uccle im Frühjahr als eine der letzten Stationen auf Lithiumbatterien umgestiegen. Von Vaisala werden anstatt der Wasserbatterie nun 2 9V Lithiumblöcke bereitgestellt, die bereits in Reihe verschaltet, mit dem korrekten Stecker und verklebt geliefert werden.

Eine Radiosonde wird ausgepackt und auf das Groundcheck-Device gelegt. Nachdem der Groundcheck abgeschlossen ist, und die Korrekturwerte für die Ozonsonde in MW41 eingegeben wurden, wird die Radiosonde an der Ozonsonde befestigt. Der Motor wird eingeschaltet und der Motorstrom kontrolliert. Nun wird noch einmal Ozon auf die Sonde gegeben und der Messauschlag geprüft, bevor der Motor wieder ausgeschaltet wird. Anschließend wird die Sonde auf das Dach gebracht, um den GPS-Fix zu beziehen. Die Papierdokumentation der Sonde wird in ein Online-Formular eingetragen und zusammengeheftet. Die Sonde wird fertig zugeklebt.

15 Min. vor dem Start werden die Werte der Bodenwetterstation in MW41 eingetragen und in der Dokumentation ergänzt. Die Sonde wird in das Ballonhangar gebracht und mit beiden Schnüren (eine dient zur Verbesserung der Flugstabilität) mit der langen Schnur zum Fallschirm verknotet.

Ein zweiter Mitarbeiter geht nun mit der Sonde aus dem Hangar, und das Gespann wird zu einer nahen Wiese gebracht. Der Ballon wird Stück für Stück aufgelassen. Nun kam mein Moment: ich durfte die Sonde festhalten und warten, bis der Aufstiegszeitpunkt gekommen war. Dann entließ ich die Sonde auf ihre Reise, die sie bis westlich von Antwerpen geführt hat.

Ich bedanke mich ganz herzlich bei Roger Ameloot, Roeland van Malderen und dem ganzen Team des KMI, die mir diesen tollen Einblick in ihre Arbeit ermöglicht haben!

Mein erster Hattrick

Ich hatte ja schon länger auf meinen ersten Hattrick gehofft, aber bis jetzt waren erst einmal zwei aufeinanderfolgende Sonden drin gewesen. Das änderte sich, als ich am Mittwochmorgen von Manöversonden aus Baumholder geweckt wurde, die grade im Anflug auf mein Haus waren. Schnell ging es aus dem Bett, und mit dem nächsten Zug nach Marienheide, wo die erste 0630Z Sonde vorhin im Wald bei Listringhausen gelandet war. Während ich noch auf den Bus dorthin wartete. landete schon die nächste Sonde hinter Marienheide.

#21 Baumholder – Listringhausen
Graw DFM-09 / 17007958 / 05.06.2019 0630Z
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Nachdem die Position der ersten Sonde an der Bushaltestelle dekodiert worden war, ging es bei schönstem Wetter 2 km in den Wald, nur um festzustellen, dass der Schirm in ca. 7,5 m Höhe am Waldrang hing, und die Sonde nicht zu sehen war. Also schnell den Schirm geangelt und runtergezogen, und siehe da – die robuste DFM ließ sich über die Baumwipfel ziehen, und schließlich abseilen. Erstes Gespann – eingesackt.

#22 Baumholder – Marienheide
Graw DFM-09 / 17050161 / 05.06.2019 0800Z
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Weiter ging es zum zweiten Gespann, diesmal mit dem Bus bis zur Bruchertalsperre, dort über die Staumauer und diesmal etwa 3 km in den Wald, vorher natürlich noch die Position genommen. Diesmal hing der Fallschirm an einer hohen Fichte, die an eine Fichtenschonung grenzte, und ich musst mich den Hang entlang zur Landestelle hangeln. Wieder hing der Fallscirm gerade so in der Reichweite meiner Stange, wieder konnte die Sonde abgeseilt werden. Diesmal musste ich allerdings mit der Schnur der anderen verlängern. Neues Tool im Sondenrucksack: DFM-Schnur.

#23 Baumholder – Nümbrecht
Graw DFM-09 / 17050614 / 05.06.2019 0930Z
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Die nachfolgende Sonde war derweil schneller runtergegangen und hatte es nur bis Nümbrecht geschafft. Kurze Recherche auf der Rückfahrt ergab, dass die Landestelle fußläufig vom zentralen „Busbahnhof“ aka Landstraße mit vielen Abzweigen und Bushäuschen Homburg-Bröl im Südkreis hinter Wiehl zu erreichen war. Also in Gummersbach schnell in die TH, um im Labor schnell den inzwischen vollen Rucksack auszuleeren und die Wasserflasche wiederaufzufüllen. Mit dem neuen „Schnellbus“ 302 ging es bis dorthin. Die Sonde hatte schon aufgehört zu senden, und war auf der Lichtung, auf der die Vorhersage sie sah, nicht zu sehen. Ich stapfte ein paar Schritte in das hohe Unterholz, das voll mit Farnen war, und erblickte die Sonde, wie zum abholen bereitgestellt auf dem Boden. Der Hattrick war komplett. Also schnell zurück zu Bushaltestelle, wo ich dann auch noch drei Zecken davon abhalten konnte, es sich an meinen Waden allzu gemütlich zu machen… und noch ein Tool für den Sondenrucksack: Zeckenkarte.

Gulaschprogrammiernacht, die zweite

NP4 Idar-Oberstein – Boppard
Vaisala RS41-SGP / P2050587 / 03.06.2019 1200Z
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Als auf dem Montag der Heimweg anstand, gab die Vorhersage für die Mittagssonde aus Idar Anlass dazu, einen Schlenker über Koblenz zu machen, zumal wir den am Abend anstehenden Stream der WWDC Keynote bei flynamic in Bonn sehen wollten.

Während sich die Sonde auf den Weg machte, die Vorhersage sah eine Landung südlich von Koblenz, machten wir Station bei Vapiano und anschließend noch einen kurzen Spaziergang zum deutschen Eck. Die Sonde fiel derweil sehr schnell und schaffte es nicht einmal mehr über den Rhein und landete unweit der A61 bei Boppard.

Zügig ging es zur letzten Position, doch das Signal der Sonde war kaum zu hören, geschweige denn zu dekodieren. Eine offenbar nahegelegener BOS-Funk Standort müllte das Spektrum auch noch mit TETRA zu, was die Sache nicht leichter machte. Erst mit auf sechs Direktoren aufgestockter mobiler Yagi war etwas zu machen. Als die Sonde gefunden wurde, war auch klar wieso: die Antenne hatte sich quasi in den weichen Waldboden eingegraben und der Sondenkörper lag auf ihr. Der kleine rote Fallschirm und der große Ballonrest hingen in einem naheliegenden Baum außer Reichweite der Stange und konnten auch nicht heruntergezogen werden.

Souvenir von der Gulaschprogrammiernacht

#20 Stuttgart – Bietigheim-Bissingen
Vaisala RS41-SGP / P3620018 / 02.06.2019 1200Z
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Mit flynamic und nikcani ging es über Christi Himmelfahrt nach Karlsruhe zur GPN19. Natürlich das Sondenjagdequipment mit an Bord, man weiß ja nicht, was einen so erwartet. Und tatsächlich begab sich die sonntägliche Stuttgarter Mittagssonde in vertretbare Entfernung und landete südöstlich von Bietigheim-Bissingen, auf einer Koppel hinter einem Hof.

Ich hatte die Befürchtung, dass die rechtzeitige Bergung der Sonde im umkämpfteren Baden-Württemberg schwieriger sein würde als an meinem regulären QTH, und trug daher auch die geplante Bergung bei radiosondy ein. Leider kam es aber dann zu keiner spontanen Begegnung an der Sonde. Bei unserem Eintreffen ca. 90 min nach der Landung war die Sonde aktiv und lies sich auch ziemlich einfach bergen.

Die Sonde befand sich auf einem Feldweg hinter einem Bauernhof, der große Ballonrest und der ungeöffnete Fallschirm hinter einem Elektrozaun auf einer Pferdekoppel, ließen sich aber hinüberziehen.

EDIT: Wie sich herausstellt, war der VFL Gummersbach genau eine Woche später in Bietigheim leider weniger erfolgreich als ich… https://www.ksta.de/region/oberberg-ks/vukovic-tritt-zurueck-vfl-gummersbach-steigt-ab—nach-53-jahren-in-erster-liga-32659150