Kapazitätsmessung
Stefan Prechel
Ich möchte eine Feuchtemessung in Biofiltermaterial mittels
Kapazitätsbestimmung realisieren. Dazu sollen zwei Metallplatten mit
definiertem Abstand (z.B. 10 cm) in das Filtermaterial eingegraben und an
eine Schaltung gehängt werden. Da sich der Dielektrizitätsfaktor für
Biofiltermaterial (z.B. Erde) bei feuchtem Material erhöht, sollte es
eigentlich möglich sein, mit der Schaltung eine Ausgangsspannung (z.B
0..10V) zu erhalten, die proportional zur Feuchte des Filtermaterials ist.
Könnte mir hier jemand helfen eine solche Schaltung zu konzipieren?
Für Eure Anregungen wäre ich Euch sehr sehr dankbar!
Viele Grüße,
Stefan
ste...@prechel.de
tel: 0711-9602415
Artur Pundsack
1. Wenn Du die Kapazität bestimmen willst, dann müssen die Metallplatten
isoliert sein (z.B. mit einer Farbschicht [Kunstofffarbe])
2. Den "Kondensator" schaltest Du an einem NE555 o.ä.
3. Am Ausgang des NE555 (Rechtecksignal) schaltest Du einen Tiefpaß-
filter der das Rechecksignal dann in eine variable Spannung umsetzt.
!!! Linear ist das ganze aber NICHT !!!!
Gruß Artur
Joerg Fricke
noch eine Ergänzung: Wenn der "Biomaterial-Kondensator" die Frequenz
der astabilen Kippstufe mit dem NE555 bestimmt, dann bleibt das
Tastverhältnis des Ausgangssignals konstant, hinter dem Tiefpass
kommt also bei hohen und tiefen Frequenzen dieselbe Spannung raus.
Ein direkt vom Ausgang des NE555 getriggertes Monoflop (ein zweites
NE555 bzw. ein einziges NE556) erzeugt Impulse konstanter Dauer, so
dass das Tastverhältnis frequenzabhängig ist. Ob Du noch einen
Tiefpass brauchst, hängt davon ab, womit Du das Signal weiter-
verarbeitest / anzeigst: Für ADC bzw. DVM ist er notwendig, für ein
Drehspulinstrument nicht, das wirkt selbst als Tiefpass.
Welche Feuchtigkeit die Messwerte bedeuten, bekommst Du wahrscheinlich
nur durch Tests heraus.
Grüße
Jörg
--
Joerg Fricke, FernUniversitaet Hagen
LG Technische Informatik I Tel. 02331 / 987 - 44 04
Feithstr. 140 Fax 02331 / 987 - 310
58084 Hagen e-mail joerg....@fernuni-hagen.de
Rafael Deliano
Diese Materialmessung ist z.B. auch für Holz nützlich
weshalb es Geräte und Literatur dazu gibt.
Man braucht aber noch einen Temperatursensor.
Und der Feuchtigkeitssensor will mit etwas Chemie
bei verschiedenen Temperaturen kalibriert werden.
D.h. Eigenbau möglich aber mühsam.
> zwei Metallplatten mit definiertem Abstand (z.B. 10 cm)
Die Kapazität wird klein. Das Ding wird eine Antenne die
Dreck einfängt. Beides Gründe warum ein simpler RC-Oszillator
wenig geeignet ist und man auf Synchrondemodulator übergehen
sollte.
MfG JRD
Jan Pietrusky
bestimme Dir die obere und untere Kapazität Deiner Anordnung, dann hast
Du zwei oder mehr möglichkeiten. Hier meine zwei: Entweder du baust mit
dem Kondensator einen Schwingkreis und wertest die Resonanzfrequenz aus
oder Du baust einen Schwingkreis fester Frequenz und hängst mit Deinem
Kondensator einen Tiefpass hinten dran. Du kannst so die Dämpfung in
Abhängigkeit der Kapazität messen. Ist aber beides nicht linear. Für
letztere Möglichkeit brauchst Du nur einen 4fach OPV (Oszillator,
Präzissionsgleichrichter, Inverter) mit ein paar passiven BE.
Ne Schaltung habe ich
--
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Volker Staben
Stefan Prechel schrieb:
> Ich möchte eine Feuchtemessung in Biofiltermaterial mittels
> Kapazitätsbestimmung realisieren. Dazu sollen zwei Metallplatten mit
> definiertem Abstand (z.B. 10 cm) in das Filtermaterial eingegraben und an
> eine Schaltung gehängt werden. Da sich der Dielektrizitätsfaktor für
> Biofiltermaterial (z.B. Erde) bei feuchtem Material erhöht, sollte es
> eigentlich möglich sein, mit der Schaltung eine Ausgangsspannung (z.B
> 0..10V) zu erhalten, die proportional zur Feuchte des Filtermaterials ist.
1. zum Prinzip: Die Impedanz wird stark nichtlinear von der
Feuchte abhängig sein, außerdem auch von der Temperatur und
der Frequenz. Ob es also mit einer rein kapazitiv
arbeitenden Methode geht? Vielleicht kommt auch eine
Impedantmessung nach Betrag und Phase in Betracht oder
Impedanzspektroskopie. Wie sind denn Anforderungen an
Langzeitstabilität, Reproduzierbarkeit, Auflösung,
Temperatureffekte, sonstige Querempfindlichkeiten etc?
2. zur kapazitiven Instrumentierung: das größte Problem bei
kapazitiver Messtechnik sind Streu-, Kabel- und (wird oft
vergessen) Eingangskapazitäten. Das ist auch der Grund,
warum man mit einfachen astabilen Schaltungen a la 555
meistens keinen Primeltopf gewinnt, insbesondere bei
Leitungslängen, die über cm hinausgehen. Die
Temperaturstabilität ist meist zu schlecht.
Meiner Erfahrung nach sind Schaltungen gut, die die
Messkapazität (und eine konstante Referenzkapazität ebenso)
an einem Anschluss mit einer eingeprägten Spannung speisen
(wegen der niedrigen Quellimpedanz spielen Querkapazitäten
gegen GND dann keine Rolle, sondern bilden nur eine
zusätzliche Last für die Quelle). Durch die Messkapazität
(Platten isolieren!) fließt ein imedanzabhängiger Strom (die
Frequenz konstant zu halten, sollte kein Problem sein), den
man mit einem i/u-Konverter (dessen Eingang virtuell auf GND
liegt - das ist der Trick, deswegen spielen Streu- und
Eingangskapazitäten an diesem Punkt auch keine Rolle) in
eine Spannung umwandelt. Man muss nur dafür sorgen, dass
sich Spannungsquelle und i/u-Konverter nicht über sonstige
Streukapazitäten parallel zur Messkapazität "in die Augen
sehen".
Realisieren kann man das 1. als Differenzprinzip mit U ~
(C_mess - C_referenz) (günstig, um den Offset am Nullpunkt
wegzusubtrahieren), besser noch 2. mit U ~ (C_mess -
C_ref)/C_ref oder 3. als selbstabgleichende kapazitive
Brückenschaltung mit gesteuerten Quellen für Messkapazität
und Ref-Kapazität.
Volker Staben
Fachhochschule Flensburg - Flensburg University of Applied
Sciences
Institut fuer Automatisierungstechnik
Kanzleistrasse 91-93 D-24943 Flensburg
T +49-461-805-1392 mailto:volker...@fh-flensburg.de
Artur Pundsack
...
> 2. zur kapazitiven Instrumentierung: das größte Problem bei
> kapazitiver Messtechnik sind Streu-, Kabel- und (wird oft
> vergessen) Eingangskapazitäten. Das ist auch der Grund,
> warum man mit einfachen astabilen Schaltungen a la 555
> meistens keinen Primeltopf gewinnt,
Ich habe damit einen Füllstandssensor gebaut (Isolierter Zaundraht als Meßsonde,
NE555, 2 Widerstände und ein kleiner AVR mit ein wenig Beschaltung der das
Taktsignal vom NE555 auswertet (Freuquenzmessung). Mit dem Sensor kann ich
Niveauunterschiede von ca. 5mm !!! problemlos erfassen.....
> insbesondere bei
> Leitungslängen, die über cm hinausgehen.
Da hast Du recht. Deshalb habe ich die Schaltung auch direkt an der "Meßsonde"
angeschlossen ohne zusätzliche Zuleitung...
> Die
> Temperaturstabilität ist meist zu schlecht.
Habe ich keine Probleme mit. (Im Winter (ca. 6°C Raumtemperatur wie auch im
Sommer ca. 22°C) funzt das Ding einwandfrei !
>
> Meiner Erfahrung nach sind Schaltungen gut, die die
> Messkapazität (und eine konstante Referenzkapazität ebenso)
> an einem Anschluss mit einer eingeprägten Spannung speisen
> (wegen der niedrigen Quellimpedanz spielen Querkapazitäten
> gegen GND dann keine Rolle, sondern bilden nur eine
> zusätzliche Last für die Quelle).
Hatte ich mir auch überlegt, der Aufwand war mir aber dann für meine
Zwecke zu groß ... (Sinusgenerator, Spule, Referenzkapazität, dann noch
das Problem mit der Spannungsmessung am Ausgang des Sensors,.....)
> Durch die Messkapazität
[.........]
Gruß
Artur
Harald Wilhelms
>Ich habe damit einen Füllstandssensor gebaut (Isolierter Zaundraht als
Meßsonde,
>
>NE555, 2 Widerstände und ein kleiner AVR mit ein wenig Beschaltung der das
>Taktsignal vom NE555 auswertet (Freuquenzmessung). Mit dem Sensor kann ich
>Niveauunterschiede von ca. 5mm !!! problemlos erfassen.....
>
Hallo Artur,
könntest du nicht mal den Schaltplan ins Netz stellen?
(Nicht, das ich die Dimensionierung auch selbst hinkriegen würde,
aber manche Arbeiten muss man ja nicht unbedingt zwei mal machen.)
Ob diese Schaltung wohl auch mit Benzin funktionieren würde?
Siehe Posting "Füllstand von Tank" in de.sci.ing.elektrotechnik.
Gruss
Harald
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Volker Staben
Artur Pundsack schrieb:
> > Die
> > Temperaturstabilität ist meist zu schlecht.
>
> Habe ich keine Probleme mit. (Im Winter (ca. 6°C Raumtemperatur wie auch im
> Sommer ca. 22°C) funzt das Ding einwandfrei !
"funzt" heisst, dass die Kiste grundsätzlich irgendwie
sowohl bei 6°C als auch bei 22°C funktioniert, oder? Das
glaube ich gerne. Wie groß ist denn bei Deinem System mit
dem 555 der relative Temperaturkoeffizient von Nullpunkt und
Empfindlichkeit? Und dann soll es auch noch industrielle
Messtechnik geben, die spezifizierte Eigenschaften von -40°C
bis +125°C haben muss. Das ist ein ganz anderer Schnack!
Wer einmal kapazitive Messelektronik entwickelt hat, deren
Temperaturkoeffizienten über alles heranreichen an das, was
ein mäßiger Metallfilm-Widerstand alleine hat - also in der
Gegend von 25 ppm/K oder besser -, der weiss, wovon ich
rede.
Daher auch meine Frage nach den Anforderungen.
Im übrigen haben gute Konzepte - und die sind IMHO von
zentraler Bedeutung - noch nie geschadet. Man kann sie
nämlich auch auf low-cost-Systeme übertragen. Und letztlich
wird es gerade bei Einzellösungen immer billiger, einmal
ordentlich nachzudenken, als ständig irgendwelchen
Dreckeffekten nachzulaufen und zu jedem Störeinfluß sich
immer neue "Rucksäcke" auszudenken, mit denen man noch ein
und noch ein und noch ein Problem notdürftig übertüncht.
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