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Forum: HF, Funk und Felder Hilfe bei Oszillatorschaltung zur Bodenfeuchtemessung


Autor: Felix Seifert (felix-seifert)
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Hallo ich bin neu hier. Ich möchte im Zuge einer Projektstudie ein 
Messgerät zur Bestimmung der Bodenfeuchte über die FDR-Methode 
(frequence domain reflectometry) erstellen. Ich bin jedoch übrigens kein 
Elektrotechnik- sondern Biologiestudent und damit eher fachfremd.

Aus verschiedenen Publikationen die sich mit dieser Messungsproblematik 
befasst haben, konnte ich entnehmen das die Messung den geringsten 
umweltbeeinflussten Fehler hat, wenn die Bodenfeuchte über die 
Verstimmung der Frequenz eines Ringoszillators aufgrund der 
Dielektrizität des Mediums gemessen wird. Dabei sollte ein solcher 
Ringoszillator eine Frequenz von 30 MHz - 1 GHz haben, in den meisten 
Quellen wird jedoch der Frequenzbereich um 150 MHz genutzt.

Ich habe mir einem 74HC04 (Hex-Inverter) einen 5-stufigen Ringoszillator 
aufgebaut und dessen Frequenz über die Zähler eines 74HC393 
heruntergeteilt damit ich die Frequenz des Oszillators an meinem atmega 
messen kann.
Der Ringoszillator und meine Frequenzmessung scheint grundsätzlich 
schoneinmal zu funktionieren jedoch ist die Frequenz durch die Nutzung 
des 74HC04 deutlich zu gering und leider auch viel zu schwankend (ca. 
12,35 MHz +- 15%).

Das Messgerät soll später transportabel mit einem Akku versorgt werden. 
Ich habe für MMC-Speicherkarte, Display, und Atmega32L bereits alles für 
3,3 V ausgelegt und würde wenn es möglich ist die ganze Schaltung mit 
dieser Spannung betreiben.
Ich werde zusätzlich zum Vergleich eine Messsonde mit dem kapazitiven 
Messansatz erstellen, die sollte ich aber aus den vielen Informationen 
aus diesem Forum und anderen Internetseiten selber hinbekommen.

So nach meinen ewigen Ausführungen jetzt meine Frage. Kann mir jemand 
von euch bei der Entwicklung eines Oszillators behilflich sein? Ich 
denke ein solcher Oszillator sollte für diese Aufgabe relativ 
frequenzstabil sein, sich durch die Messsung jedoch verstimmen lassen. 
Ist ein Ringoszillator da die richtige Lösung? Gibt es sinnvollere 
Alternativen (die meinen geringen Horizont nicht vollkommen 
übersteigen)?

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Ich wuerde dir da zu einem Transistoroszillator raten.
Die kannst du bis in den GHZ Bereich bauen.
ABer gib mal genauere Information rueber .
Mit wieviel Pikofarad ist da zu rechnen und wie sollen deine Elektroden 
aussehen.

Sonst kann man da nichts genaueres drueber sagen.

Gruss Helmi

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Je nachdem, wie und wo du das machen willst, solltest du dir auch
über die rechtliche Situation klar werden.  So ein Oszillator kann
gut und gern auch HF abstrahlen (vor allem, wenn die Spule etwas
größer ausgeführt wird) und damit Funkdienste stören.  Rein von der
Aufgabenstellung her klingt das für mich wie eine typische Anwendung,
die man in einem sogenannten ISM-Band (Instrial, Scientific, and
Medical applications) betreiben sollte.  Allerdings gibt es im von
dir genannten Frequenzbereich kein ISM-Band.  27,12 MHz und 40,68 MHz
sind dir vermutlich zu gering, das nächsthöhere mit 433,92 MHz ist
schon nicht mehr ganz trivial aufzubauen.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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p.s.: Es gibt in der BRD auch eine ISM-Genehmigung bei 150 MHz,
aber die ist ausdrücklich nur für Hochfrequenzmagnetfeld-Therapie
bestimmt und auf einen sehr schmalen Bereich mit starken
Restriktionen bezüglich der abgestrahlten Feldstärke beschränkt.

Autor: Felix Seifert (felix-seifert)
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Ich habe mal eine Grafik des Sensorprinzips angehängt wie ich es mir 
vorstelle. Die Leiterschleife soll in den Boden eingebracht werden. Die 
Leiterschleife soll als Leiterbahn auf eine Platine geätzt und mit 
Schutzlack überzogen werden. Die maximale Kapazität in H20 habe ich mit 
ca. 78 pF und einer Kapazitätsdifferenz von ca. 73 pF zur Leiterschleife 
in Luft errechnet.

@Helmut
Ich hoffe damit konnte ich Deine Frage beantworten. Kannst Du mir 
vielleicht eine leicht verständliche Quelle nennen, in der ich mich 
einlesen könnte?

@Jörg
Strahlt eine solche geplante Schaltung denn schon so stark?
Die beiden unteren genannten Frequenzen sind schon recht grenzwertig 
niedrig. Laut der Literatur sollte man die Messung schon bei rund 150 
MHz durchführen. Für mich wäre jedoch auch schon ein Oszillator mit 
einer der niedrigen Frequenzen nicht trivial, ein Oszillator mit ca. 433 
MHz würde schon sehr gut in die Aufgabe passen.

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Fuers erste mal hier

http://de.wikipedia.org/wiki/Clapp-Schaltung

>ein Oszillator mit ca. 433 MHz würde schon sehr gut in die Aufgabe passen.

Nur ein Oszilltor fuer 433 MHz ist nicht gerade mal so eben 
zusammengebaut.
Da gehoert schon einiges an Erfahrung zu um den vernueftig zum laufen zu 
bekommen. Auch wirst du Probleme mit deiner Leiterschleife dabei 
bekommen. Die kommt naemlich in die Groessenordnung der Wellenlaenge 
(70cm bei 433 MHz) und da kannst du nicht mehr von einer reinen 
Kapazitaet ausgehen.

>ca. 78 pF und einer Kapazitätsdifferenz von ca. 73 pF zur Leiterschleife
>in Luft errechnet.

Das heist also die Kapazitaet aendert sich von 5pF nach 78 pF ?
oder von 78pF nach 73pF ?

Das zweite ist nicht gerade viel und damit schwer zu messen.

Gruss Helmi

Autor: Felix Seifert (felix-seifert)
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Helmut, ich stimme Dir zu, dass ein Oszillator mit 433 MHz meine 
Kenntnisse weit übersteigt, das tun jedoch schon deutlich niedrigere 
Frequenzen.

Die Kapazität ändert sich von 5 pF (Luft) auf 78 pF (H20).

Ganz vergessen, vielen Dank für eure Antworten!
Felix

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Felix Seifert wrote:

> Strahlt eine solche geplante Schaltung denn schon so stark?

Naja, so eine Leiterschleife ist letztlich weiter nichts als eine
Rahmenantenne (heutzutage auch als ,magnetische Antenne' bekannt).
Dass du sie im Boden vergraben willst, hattest du anfangs nicht
geschrieben, das dämpft natürlich die Abstrahlung auf jeden Fall
nochmal (je nach Tiefe).

Autor: Axel (Gast)
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Was mir gerade in den Sinn kommt: Kann man die Bodenfeuchtigkeit auch
ueber eine Daempfungsmessung von Funkwellen im Erdreich bestimmen? Mir 
wuerden dazu u.a. die 2.4 GHz Funk-Transceiver (a.k.a. ZigBee, IEEE 
802.15.4 ...) einfallen. Die gibts als fertige Module aufgebaut und 
zertifiziert und man brauchte sich nicht mit den Details einer eigenen 
HF Entwicklung zu befassen.

Habe nach einer orientierenden Googelung dazu einen Artikel gefunden 
"Schlemm,U.; Leschnik,W.: Einfluss von Inhomogenitäten auf die Messung 
von Feuchte- und Salzgehalt von Baustoffen mit Mikrowellen" 
(http://www.baufachinformation.de/artikel.jsp?v=1758)

Axel

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