Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Kapazitive Feuchtemessung -- Seltsamer Effekt


von Sebastian W. (wangnick)


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Liebe Leute,

ich versuche die Feuchtigkeit einer Wand meiner Garage kapazitiv zu 
messen. Ich habe dazu ein ca. 40cm langes zweiadriges Flachbandkabel zu 
einer Schlaufe geformt, die Enden an Steckbuchsen gelötet und in einem 
20cm tiefen Bohrloch eingegipst.

Die Kapazität in der feuchten Wand beträgt so ca. 80pF. Mit einem 555 
und zwei 224k-Widerständen erzeuge ich daraus eine Frequenz von ca. 
27kHz. Ein Attiny84A misst die Periode, mittelt sie über einen 
Komplementärfilter, und stellt das Ergebnis über I2C zur Verfügung.

Nun beobachte ich das Phänomen, dass tagsüber höhere Werte für die 
Periode, also eine niedrigere Frequenz, also eine höhere Kapazität, also 
eine höhere Feuchtigkeit gemessen wird als nachts, siehe screendump.

Was kann die Ursache dieses seltsamen Effekts seit? Die Wandfeuchte wird 
sicher nicht dermassen abrupt schwanken. Licht scheint es auch nicht zu 
sein, das Phänomen tritt auch bei mit einer Alufolie fast völlig 
verdunkelten Schaltung auf.

Stromversorgung und I2C-Abfrage geschehen über ein 2x16x0.6-Kabel, die 
Versorgung ist in ca. 9m Entfernung. Einige Adern des Kabels liefern 15V 
für einen noch weiter entfernten Lüfter. Ich habe in die Stromversorgung 
schon einen 3.3V-Linearregler eingebaut, keine Änderung. Ich habe dem 
Attiny84A einen 8MHz-Quarz spendiert, keine Änderung.

Was kann es sein?

LG, Sebastian

: Bearbeitet durch User
von Walter (Gast)


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Sebastian Wangnick schrieb:
> Was kann es seit?

du hast statt der 224k Widerstände 220k verwendet ;-)

von Andreas S. (igel1)


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Deine Schaltung wird vermutlich temperaturempfindlich sein.
Halte mal einen Föhn dran und berichte, was passiert.

Viele Grüße

Igel1

: Bearbeitet durch User
von Sebastian W. (wangnick)


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Andreas S. schrieb:
> Deine Schaltung wird vermutlich temperaturempfindlich sein.
> Halte mal einen Föhn dran und berichte, was passiert.

Die Temperatur der Schaltung liegt ziemlich konstant bei 10.3°C. Auf dem 
einen Bild sieht man neben der kapazitiven Schatung den Temperatur- und 
Feuchtefühler, es ist ein SHT21. Im dem Screendump sind das die Werte 
"Temperatur Wand" und "Absolute Feuchte Wand".

Walter schrieb:
> du hast statt der 224k Widerstände 220k verwendet ;-)

Oops, ja. Die sind aber so schon von Anfang an drin.

LG, Sebastian

von Igel1 (Gast)


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Sebastian Wangnick schrieb:
> Die Temperatur der Schaltung liegt ziemlich konstant bei 10.3°C. Auf dem
> einen Bild sieht man neben der kapazitiven Schatung den Temperatur- und
> Feuchtefühler, es ist ein SHT21. Im dem Screendump sind das die Werte
> "Temperatur Wand" und "Absolute Feuchte Wand".


Hmmm - Deine Garage hat wirklich Tag und Nacht dieselbe Temperatur im 
Abstand von ca. 5 cm von der Wand (also dort, wo sich die Platine 
befindet)?  Stimmt das wirklich? Das überrascht doch sehr.

Mißt der SHT21 die Temperatur auch richtig bzw. wertest Du sie auch 
richtig aus? (ändert sich die Temperatur, wenn Du den Sensor anhauchst?)

Bitte halte trotzdem mal einen Föhn auf die Schaltung und beschreibe, 
was passiert.

Viele Grüße

Igel1

von Sebastian W. (wangnick)


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Igel1 schrieb:
> Hmmm - Deine Garage hat wirklich Tag und Nacht dieselbe Temperatur im
> Abstand von ca. 5 cm von der Wand (also dort, wo sich die Platine
> befindet)?  Stimmt das wirklich? Das überrascht doch sehr.

Ich denke das stimmt. Die Garage (als Werkstatt benutzt) liegt zur 
Nordseite, kein direkter Sonnenlichteinfall, die Aussenwände sind mit 
16cm WLG035 gedämmt, Doppeltür und Fenster sind dreifachverglast, die 
Betondecke ist der Wohnzimmerfußboden und zwar größtenteils, aber nicht 
mehr vollständig mit 5cm WLG050 beklebt und temperiert also den Raum.

Igel1 schrieb:
> Mißt der SHT21 die Temperatur auch richtig bzw. wertest Du sie auch
> richtig aus? (ändert sich die Temperatur, wenn Du den Sensor anhauchst?)

Sensor reagiert sofort, und richtig.

Igel1 schrieb:
> Bitte halte trotzdem mal einen Föhn auf die Schaltung und beschreibe,
> was passiert.

Mach ich gleich mal.

LG, Sebastian

von Thomas W. (Gast)


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Überlege mal, was in deiner Garage kurz nach 8h bzw. gegen 18h so 
passiert. Das sieht wie mit einem festen Zeitgeber gesteuert aus.

von Blaurock (Gast)


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Eventuell Nachtabsenkung der Heizung?

von Gerd E. (robberknight)


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Du hast ja nicht nur die Kabelstrecke in der Wand, sondern auch die Pins 
auf der Platine direkt nebeneinander. Tropft oder taut da vielleicht was 
auf die Platine?

Nimm vielleicht die selbe Schaltung nochmal und hänge sie daneben. Nur 
jetzt die Kabelschleife nicht in die Wand, sondern in die Luft hängen. 
Dann vergleiche die Ergebnisse.

: Bearbeitet durch User
von Heiner (Gast)


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Die Dielektrizitätskonstante (für dest. H2O rd. 80) + die Dichte von H2O 
ist auch  temperaturabhängig und damit ändert sich auch die 
Fühlerkapazität mit der Temperatur bei gleichem Wasserhehalt.

von lrep (Gast)


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Sebastian Wangnick schrieb:
> tagsüber höhere Werte für die
> Periode, also eine niedrigere Frequenz, also eine höhere Kapazität, also
> eine höhere Feuchtigkeit gemessen wird als nachts,

Das wäre ja richtig, wenn die Garage durchlüftet ist, aber eine
einigermaßen konstante Temperatur hat.

Nachts sinkt die Temperatur draußen, die relative Luftfeuchtigkeit dort 
steigt, und es bildet sich Tau oder Reif. Die Luft wird also getrocknet.

Wenn diese trocknere Luft in die Garage strömt, sinkt durch die 
Erwärmung die relative Feuchte und das registriert der Sensor.

Tagsüber gelten ähnliche Überlegungen, nur in umgekehrter Richtung.
Dann erwärmt die Sonne den Erdboden, wodurch große Wassermengen 
verdunsten und die Luft befeuchten.

von User (Gast)


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Einstreungen von Rundsteuerung oder Ähnliches?

von Thomas W. (Gast)


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Und welcher der genannten Effekte soll in der Lage sein, über eine Woche 
mit der Genauigkeit einer Zeitschaltuhr eine derart saubere 
Rechteckmodulation zu erzeugt. Das passt doch alles nicht.

von User (Gast)


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EVG von einer Straßenleuchte

von User (Gast)


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Häng die Antenne doch mal an ein Oszilloskop und schau zu beiden 
Gegebenheiten, ob etwas messbar ist.

von lrep (Gast)


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Thomas W. schrieb:
> welcher der genannten Effekte soll in der Lage sein, über eine Woche
> mit der Genauigkeit einer Zeitschaltuhr eine derart saubere
> Rechteckmodulation zu erzeugt. Das passt doch alles nicht.

Du hast Recht, ich habe mir das Diagramm jetzt erst genauer angesehen.
Jeden Wochentag von 8:00 bis 17:00, Samstags nur bis zum Mittag, und 
Sonntags gar nicht, steigt die angebliche Wandfeuchte und der 
Rauschpegel um einen konstanten Betrag.
Das sieht schon sehr nach Geschäftszeiten aus.

von Bernd K. (prof7bit)


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Von 8:00 bis 17:30 Uhr steht kein Auto in der Garage ;-)

von Sebastian W. (wangnick)



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Liebe Leute,

Igel1 schrieb:
> Bitte halte trotzdem mal einen Föhn auf die Schaltung und beschreibe,
> was passiert.

ich habe gestern für ca. drei Stunden einen 500W-Baustrahler aus 40cm 
Abstand auf die Schaltung gerichtet. Resultat: Die Werte steigen linear 
an, der Rauschlevel bleibt klein. Nach Abschalten der Lampe fallen die 
Werte im Laufe der Nacht wieder auf den ursprünglichen Level. Siehe 
screendump-20150217B.png.

In screendump-20150217.png habe ich noch einmal die letzten 14 Tage 
aufgetragen (davor habe ich wegen eines Softwarefehlers nur sproradisch 
Werte). Mir scheinen die Wertsprünge mit der Aktivität der 
Wechselrichter meiner Solaranlage zu korrelieren! Am 4. Februar zum 
Beispiel lag Schnee auf den Panels, so dass die Wechselrichter nur kurz 
um die Mittagszeit in Betrieb waren.

Allerdings befinden sich die Wechselrichter in ca. 8m Entfernung vom 
Messfühler, und dazwischen sind zwei Wände (ein tragend) und ein Öltank!

Ich werde die Wechselrichter mal für eine Stunde abwerfen, um zu sehen, 
ob die Anhebung der Messwerte dann aufhört.

LG, Sebastian

von Sebastian W. (wangnick)


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Liebe Leute,

der Messversatz wird tatsächlich durch die Wechselrichter der 
Solaranlage generiert!

Wie können die Wechselrichter auf diese Distanz auf meinen 
27kHz-Schwingkreis einwirken? Wie kann ich der Wirkweise dieses 
Phänomens auf die Spur kommen?

LG, Sebastian

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Hi Sebastian,

Deine Messschaltung (oder sollte ich eher schreiben "Messempfänger ;) ) 
hat sicher eine Menge EMI-Optimierungspotential, aber als erstes wäre 
doch mal interessant zu wissen, wie stark die Solaranlage strahlt.

Haustechnik ist so garnicht mein Thema, aber unter "emv grenzwerte 
solaranlage" gibt's im Netz eine Menge Info.

Nach kurzer Vorrecherche könntest Du Deine Frage "Wie können die 
Wechselrichter auf diese Distanz auf meinen
27kHz-Schwingkreis einwirken?", mal mit dem Inverkehrbringer bzw. 
Installateur Deiner Solaranlage diskutieren. Hat die Solaranlage CE? 
Welche Klasse? Dokumente, Messprotokolle.

Grüße,
 Marcus

von MB (Gast)


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Es gibt 4 Möglichkeiten:

- Galvanische Kopplung
- Induktive Kopplung
- Kapazitive Kopplung
- Strahlungskopplung

Hast du Netzleitungen in der Nähe deiner Schaltung?

Der Wechselrichter könnte entsprechende Oberwellen auf deiner Phase 
erzeugen, welche dann in deine Schaltung gekoppelt werden..

-> Versuche mal die Schaltung in ein Metallgehäuse einzubauen und das 
Gehäuse sauber mit Masse zu verbinden...

von Sebastian W. (wangnick)


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MB schrieb:
> Der Wechselrichter könnte entsprechende Oberwellen auf deiner Phase
> erzeugen, welche dann in deine Schaltung gekoppelt werden..

Die Lüftungssteuerung in der Garage ist weitestgehend autonom, insofern 
sollten die Möglichkeiten der Einkopplung zu begrenzen sein.

Die Steuerung gibt allerdings ihre Messdaten seriell an eine Messstation 
im Heizungskeller weiter, and die wiederum diverse Sensoren im Haus über 
recht lange Kabel angeschlossen sind. Dazu ist GND der Lüftungssteuerung 
mit GND der Messstation verbunden. Das ergibt ein recht grosses 
GND-Gemasch.

Ich werde jetzt mal testweise einen ADUM zwischen Lüftungssteuerung und 
Messstation einbauen, um die Potentiale zu entkoppeln.

Ich halte euch auf dem Laufenden ...

LG, Sebastian

von Ulrich H. (lurchi)


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Der Wechselrichter kann auch über das Netz Störungen abgeben.Bei RTD 
müsste man klären,ob es da mit einem

Die Messwerte sehen sehr stark verrauscht aus - das ist schon kein gutes 
Zeichen. Normal sollte sich eine Frequenz mit sehr gut messen lassen, so 
dass man jede kleine Änderung feststellen kann, bis zur Ameise die über 
die Schaltung läuft.

Eine erster Versuch wäre auf einen anderen Frequenzbereich auszuweichen. 
Auch sollte die Schaltung lokal geerdet sein, um externe Störungen zu 
reduzieren. Der Messeingang sollte möglichst keine Kapazitive Kopplung 
nach außen haben.

von S. K. (hauspapa)


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Dummerweise enden die Grenzwerte für Oberwellen irgenwo bei der 20 
Oberwelle oder so (Flicker & Co.). EMV wird ab 150kHz gemessen. 
Dazwischen tummelt sich alles was getacktet arbeitet und darf tun was 
Ihm beliebt. Als Kompromiss zwischen Schaltverlusten und Grösse/Kosten 
von Induktivitäten werden in der Leistungselektronik gerne Taktfreuenzen 
zwischen 10 und 30kHz verwendet. Das geht direkt aufs Stromnetz raus. 
Eine GROSSE Antenne.

Soweit ich weis arbeiten einige Normgremien derzeit daran diese Lücke zu 
schliessen (EMV ab 9kHz). Von 1-10kHz arbeitet aus Lärmgründen eh fast 
niemand.

viel Erfolg
Hauspapa

von Sebastian W. (wangnick)


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Ulrich H. schrieb:
> Die Messwerte sehen sehr stark verrauscht aus - das ist schon kein gutes
> Zeichen. Normal sollte sich eine Frequenz mit sehr gut messen lassen, so
> dass man jede kleine Änderung feststellen kann, bis zur Ameise die über
> die Schaltung läuft.
>
> Eine erster Versuch wäre auf einen anderen Frequenzbereich auszuweichen.
> Auch sollte die Schaltung lokal geerdet sein, um externe Störungen zu
> reduzieren. Der Messeingang sollte möglichst keine Kapazitive Kopplung
> nach außen haben.

Nach Einbau des ADUM1201 sind die Messwerte TOTAL verrauscht. Das Oszi 
zeigt sogar, dass der Schwingkreis alle 10ms oder so zu Schwingen 
aufhört und nur noch Netzbrumm (oder was auch immer) zeigt!

Dann hab ich die Lüftersteuerung über die Schutzerde geerdet. Jetzt sind 
die Messwerte relativ konstant mit recht geringem Rauschen. Ich warte 
mal die Nacht und den morgigen Tag ab, um zu sehen, ob die 
Wechselrichter immer noch einkoppeln.

LG, Sebastian

von Bernd K. (prof7bit)


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Versuch doch mal ein anderes Messprinzip. Wirf den 555 komplett aus der 
Schaltung raus und messe stattdessen die Kapazität mit einer 
Ladungspumpe. Du benötigst nur 2 normale GPIO-pins, einen 
Ladekondensator (100nF...1µF, NP0) und ~12 Zeilen Code. Ich würde mir 
davon weniger Rauschen versprechen (weitaus längere Messdauer bestehend 
aus tausenden von im Ladekondensator analog aufsummierten 
Einzelmessungen).

von Andreas S. (igel1)


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@Sebastian Wangnick:

Schreib doch mal, wie's weiterging ...
Konntest Du Dein Problem in zwischen lösen?
Wenn ja: wie?

von Sebastian W. (wangnick)


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Bernd K. schrieb:
> Versuch doch mal ein anderes Messprinzip. Wirf den 555 komplett aus der
> Schaltung raus und messe stattdessen die Kapazität mit einer
> Ladungspumpe.

Ich bin nicht sicher ob dass die Messungen stabilisiert ...

Andreas S. schrieb:
> Schreib doch mal, wie's weiterging ...

Ich habe die Software auf dem Attiny84A noch mal geändert. Dazu solltet 
ihr wissen, dass die Lüftungssteuerung alle Sensoren spannungslos hält 
und die Stromversorgung nur zum Messzeitpunkt aktiviert. Die 
Messwertabfrage findet zur Zeit 2300ms nach Aktivierung der 
Stromversorgung statt. Die Software des Attiny84A-Messfühlers 
funktioniert nun wie folgt: Nach dem Start wird alle 16ms die Zeitdauer 
für genau 100 Ladeperioden mit ICP1 auf 125ns genau (8MHz) ausgemessen. 
Das Resultat wird durch einen "complementary filter" geschickt, der jede 
neue Messung zu 1/256tel berücksichtigt. Die vorherige Software hat 
diesen Filter mit justamente der ersten Messung initialisiert. Die neue 
Software mache erst einmal 128 Messungen, summiert alle Resultate, und 
initialisiert dann den "complementary filter" mit dem Mittelwert.

Das Rauschen hat dadurch massiv nachgelassen. Die Einkoppelung der 
Wechselrichter-Aktivität ist aber immer noch vorhanden.

Gerade heute habe ich meinen Saleae Logic 16 Plus geliefert bekommen und 
eine erste Messung der Nachtsituation gemacht. Morgen hoffe ich die 
Tagsituation messen zu können ...

LG, Sebastian

von Bernd K. (prof7bit)


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Sebastian Wangnick schrieb:
> Bernd K. schrieb:
>> Versuch doch mal ein anderes Messprinzip. Wirf den 555 komplett aus der
>> Schaltung raus und messe stattdessen die Kapazität mit einer
>> Ladungspumpe.
>
> Ich bin nicht sicher ob dass die Messungen stabilisiert ...

Probiers aus. Die Schaltung wird simpler das Messprinzip ist etwas 
anders (nicht t=RC sondern Q=UC) und solche seltsamen störenden 
Beeinflussungen habe ich dort noch nie beobachtet.

Das ist die simpleste Variante: 
Beitrag "Re: QTouch von Atmel Sensitivität" Kannst aber auch ne 
Mimik aus Analogschaltern bauen die während der Spannungsmessung am 
Ladekondensator die Elektrode komplett wegschaltet. Nachteil: 
Temperaturabhängigkeit von C_sample, kann man aber kompensieren wenn 
mans noch weiter treiben will.

von Sebastian W. (wangnick)


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Andreas S. schrieb:
> Schreib doch mal, wie's weiterging ...

Sebastian Wangnick schrieb:
> Gerade heute habe ich meinen Saleae Logic 16 Plus geliefert bekommen und
> eine erste Messung der Nachtsituation gemacht. Morgen hoffe ich die
> Tagsituation messen zu können ...

Liebe Leute,

ich habe jetzt jeweils eine Minute der Kondensatorschwingungen in der 
Tagsituation (mit Wechselrichtereinkoppelung) und in der Nachtsituation 
(ohne) aufgezeichnet und den Frequenzverlauf aufgetragen, siehe Grafik. 
X-Achse ist Hz, Y-Achse die Häufigkeit des jeweiligen 100Hz-Intervalls. 
Die Mittelwerte stimmen mit meinen Dauermessungen überein, insofern 
sollten die Verteilungen recht repräsentativ sein.

Man sieht dabei, dass die Einkoppelung die Schwingungen verschmieren und 
im Durchschnitt leicht verlangsamen.

Ich würde ja gern mal die Einkopplungen selbst detektieren, aber meine 
Oszi-Prüfspitzen haben allein schon 10pF.

Bernd K. schrieb:
>> Ich bin nicht sicher ob dass die Messungen stabilisiert ...
>
> Probiers aus. Die Schaltung wird simpler das Messprinzip ist etwas
> anders (nicht t=RC sondern Q=UC) und solche seltsamen störenden
> Beeinflussungen habe ich dort noch nie beobachtet.

Werd ich noch mal machen.

Ansonsten hilft wohl nur, eine größere Kapazität einzugipsen, die sich 
dann weniger stören lässt.

LG, Sebastian

: Bearbeitet durch User
von Sebastian W. (wangnick)



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Liebe Leute,

ich habe jetzt die RC-Widerstände von 220kΩ auf 8.2kΩ verringert. Die 
Umladefrequenz erhöht sich dadurch von ca. 18kHz auf ca. 500kHz. Ich 
habe zudem noch 22Ω-Serienwiderstände zu den externen Anschlüssen (VCC, 
GND, SDA, SCL) eingeschleift. Die Koppelung mit der 
Wechselrichteraktivität ist für mich jetzt nicht mehr messbar. Netzbrumm 
schlägt immer noch ganz leicht durch, verzerrt die Periodenlänge aber 
nur wenig und zudem recht gleichmäßig in beide Richtungen 
(kürzer/länger).

Anbei der neue Schaltplan, eine Übersicht der Messwerte der 
Umladeperiode über zwei Sekunden, Details der Messwerte, sowie die 
Resultate der Dauermessung der letzten 8 Tage (dabei werden Mittelwerte 
der 8MHz-Zyklenzahl von 1000 Umladeperioden gebildet).

Es fällt eine unstete Stelle am 3. März gegen 22:00 Uhr auf, die ich 
nicht erklären kann.

Desweiteren scheint die Kapazität langsam anzusteigen, was eventuell 
durch eine echte Erhöhung der Wandfeuchtigkeit durch das Auftauen des 
Eifelbodens in tiefere Schichten, und dazu entweder eine Undichtigkeit 
der äusseren Wandabdichtung oder der horizontalen Feuchtigkeitssperre 
zum Fundament hin, erklärt werden kann.

Und das war ja das eigentliche Ziel, nämlich zu prüfen, wie dicht diese 
Abdichtung noch ist ...

LG, Sebastian

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