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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Temperaturabhänigkeit µC/Füllstandsmessung


Autor: Christof (Gast)
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Hallo,

zuerst einmal ein Lob an das tolle Forum lies schon länger mit und habe 
auch von viele hilfreiche Informationen erhalten. Ich habe eine Frage zu 
einem Projekt von mir.

Kurz zu der Funktion:
Wir haben zu Hause eine eigene Wasserversorgung mit eigener Quelle. Der 
Speicher hierfür ist ca 400m vom Haus entfernt.

Um den Füllstand zu ermitteln habe ich eine simple kapazitive 
Füllstandsmessung gebaut. Hierfür habe ich eine Zwilingslitze verwendet, 
aus dessen Kapazität ich eine Frequenz erzeuge (NE555). Diese Schaltung 
befindet sich im unterirdischen Speicher (in einer wasserdichten 
Verteilerdose). Ein ca 2m langes Kabel führt dann nach außen an einen 
Mikrocontroller (Atmega88) mit Funkmodul (RFM12B). Dies sendet im 5 
Minuten Intervall den Messwert ans Haus. Soweit funktioniert alles recht 
gut. Ab und zu wird mal ein Messwert (wohl durch die lange Strecke) nich 
t übertragen, aber damit kann ich gut leben.

Problem jetzt vor allem in den letzten Tagen ist ein Schwanken der 
gemessenen Frequenz zwischen Tag und Nacht. Tagsüber werden bis zu 
29,3kHz gemessen und nachts dann nur noch 28,4kHz. Der Messbereich liegt 
normalerweise bei ca 28,5kHz = voll und ca 60kHz = leer. Als es noch 
kälter war sind die Nachtwerte auch mal auf 26,0kHz runter gegangen.

Nun weis ich nicht wirklich wo diese Schwankungen entstehen. Im Speicher 
selbst sollten die Temperaturen nicht stark schwanken, da geschlossen 
und das Quellwasser keine große Temperaturänderungen hat. Habe den 
Verdacht, dass die Frquenz nicht richtig gemessen wird. Allerdings kann 
ich dies nicht begründen. der µC wird mit Quarz betrieben wodurch er 
eigentlich recht genau sein sollte. Tagsüber ist das Gehäuse mit dem µC 
Zeitweise direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Bin am überlegen das 
ganze ein bisschen zu umbauen um Schatten zu erhalten. Allerdings hatte 
ich auch an den weniger sonnigen Tagen schon solche Schwankungen.

Ich erwarte keine 100 prozentige Genauigkeit von dem ganzen. Wird mit 
dieser simplen Technik wohl auch nicht möglich sein, aber die Werte an 
sich sollten doch halbwegs konstant sein also ca +/- 0,2kHz egal ob 
Winter oder Sommer.

Vielen dank für die Hilfe im voraus

Gruß

Autor: Christian R. (supachris)
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Der NE555 ist recht empfindlich auf Temp-Schwankungen. Kannst ja mal den 
TLC555 versuchen. Oder benutzt du den internen RC-OSzillator im ATMega?

Autor: Christof (Gast)
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Ich verwende einen externen Quarz.

War gerade nochmal vor Ort und hab bisschen gemessen. Könnte gut sein, 
dass es daran liegt. Konnte nach dem öffnen des Deckels ne leichte 
Veränderung feststellen. Mal schauen vielleicht versuch ich das mit dem 
TLC555 mal.
Danke für den Tipp

Gruß

Autor: Pascal (Gast)
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Vergiss nicht, dass der Quarz auch temperaturempfindlich ist! Seine 
Eigenfrequenz verschiebt sich in Abhängigkeit seines Alters und der 
Temperatur. Gerade direkte Sonneneinstrahlung solltest du meiden. Das 
verändert ja alle Bauteile. Vielleicht hat dein µC eine Schaltung um 
dies auszugleichen. Ansonsten schau dich mal um, bei der HF Abteilung 
solltest du Leute finden die sich damit auskennen!

Das 2m lange Kabel zum µC, ist das für digitale oder analoge Werte? Es 
gilt nämlich, so früh wie möglich digital werden! 2m Kabel sind nicht 
viel, aber vielleicht beeinflusst das auch ein wenig. Hoffe ich konnte 
helfen! ;-)

Autor: HildeK (Gast)
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>Vergiss nicht, dass der Quarz auch temperaturempfindlich ist!
Ja, das ist zwar richtig. Ich denke, es spielt hier in dem Fall keine 
Rolle. Er sollte im Bereich +/- 100 oder 200ppm über Alles bleiben.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Pascal (Gast)

>Vergiss nicht, dass der Quarz auch temperaturempfindlich ist! Seine
>Eigenfrequenz verschiebt sich in Abhängigkeit seines Alters und der
>Temperatur.

Und schon mal über die Grössenordnung nachgedacht? Das sind gerade mal 
+/-50ppm, meinetwegen auch +/-100ppm. Das ist GAR NICHTS im Vergleich zu 
der gemessenen Abweichung.

> Gerade direkte Sonneneinstrahlung solltest du meiden. Das
>verändert ja alle Bauteile.

Bist du ein Esotherikfreak?

>viel, aber vielleicht beeinflusst das auch ein wenig. Hoffe ich konnte
>helfen! ;-)

Die Hoffnung stibt zuletzt . . .

@  Christof (Gast)

>aus dessen Kapazität ich eine Frequenz erzeuge (NE555). Diese Schaltung
>befindet sich im unterirdischen Speicher (in einer wasserdichten
>Verteilerdose).

Ist die WIRKLICH hermetisch dicht? Wenn nein, kann es sein dass 
Kondensation ein der Dose zu Leckströmen und damit Messfehlern führt.

> Ein ca 2m langes Kabel führt dann nach außen an einen
>Mikrocontroller (Atmega88) mit Funkmodul (RFM12B).

Sollte unkritisch sein, ist ja ein digitales Signal.

>29,3kHz gemessen und nachts dann nur noch 28,4kHz.

Woher weisst du, dass der Wasserstand NICHT schwankt?

> Der Messbereich liegt
>normalerweise bei ca 28,5kHz = voll und ca 60kHz = leer.

Dann sind deine 28,4..29,3 eine Schwankung von ca. 3%. Nicht wirklich 
viel für deinen einfachen Aufbau.

MFG
Falk

Autor: Christof (Gast)
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Also 100% Dicht ist das ganze nicht. Allerdings habe ich die Platine 
inklusive Bauteile mehrfach lackiert. Dachte eben auch schon, dass es 
Leckströme sein könnten. Habe allerdings keine Unterschiede 
festgestellt.

Also die Schwankungen am Tag sind eigentlich noch halbwegs ok das ist 
richtig. Habe im Anhang mal ne Grafik über die erfassten Messwerte 
(werden nur aufgezeichnet, wenn ich den PC an habe. Immer wo Punkte sind 
ist ein Messwert. Aber im allgemeinen ist eine steigende Tendenz zu 
beobachten. Habe jetzt heute morgen noch einen Temperatursensor dazu 
gehängt. Werde mal beobachten ob berechenbare Abweichungen auftreten.

Klar ob der Wasserstand nicht schwankt sieh ich nicht genau. Allerdings 
bei ca 11000Liter (2,5m Wasserstand) in einem Haushalt von 5 Personen 
und einem sehr starken zulauf zu dieser Jahreszeit ist kaum davon 
auszugehen, dass es stark schwankt. Ich habe mir schon den Spass gemacht 
und mal Wasser laufen lassen. bei 20cm konnte ich deutlich die 
Abweichung erkennen. Die Messfehler um die es mir geht sind fast perfekt 
Sinusförmig :). Habe noch eine Messung von mitte März wo eine deutliche 
Entnahme zu sehen ist. Das ganze ist dann auch recht schnell wieder voll 
gelaufen. Dort waren die Schwankungen übrigens nicht so stark. Da gabs 
auch keine direkte Sonneneinstrahlung

Gruß

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Christof (Gast)

>Dateianhang: messungen.JPG (120,4 KB, 21 Downloads)

Bildformate

>Also 100% Dicht ist das ganze nicht. Allerdings habe ich die Platine
>inklusive Bauteile mehrfach lackiert.

Naja, Lack ist nicht gleich Lack. Viele Lacke sind nicht wirklich 
Feutigkeitsdicht, da kann nach Tagen oder Wochen das Wasser doch drunter 
kriechen.

>Klar ob der Wasserstand nicht schwankt sieh ich nicht genau. Allerdings
>bei ca 11000Liter (2,5m Wasserstand) in einem Haushalt von 5 Personen
>und einem sehr starken zulauf zu dieser Jahreszeit ist kaum davon
>auszugehen, dass es stark schwankt.

Vollkommen falscher Ansatz. Du WEISST es nicht. Darum kannst du das auch 
nicht einfach mal so lala als konstant annehmen. Um das auszuschliessen 
kannst du ja mal deine Zweidrahtleitung durch einen Keramikkondensator 
aus NP0 bzw. COG ersetzen. Dann müsste der Messwert wirklich konstant 
sein. Wenn er das im Rahmen der Genauigkeiten ist, dann schwankt dein 
Wasserstand anseinend wirklich.

MFG
Falk

Autor: Hans-jürgen Herbert (hjherbert) Benutzerseite
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Entweder kompensierst du den Temperatureinfluss durch ein Thermometer.

Wert = frequenz + calwert * temperatur.


Oder du packst die Elektronik in ein Styroporgehäuse und hälst die 
Innentemperatur konstant auf 55 °C.

Als Heizung reicht ein Transistor und ein 10 Ohm-Wiederstand (oder so 
ähnlich). Zur Temperaturerfassunng ein Spannungsteiler aus einem 
Trimmpoti und einem NTC. Eventuell ein Differenzverstärker mit einem 
festen Spannungsteiler als Referenz.

So hatte ich mal einen Quarz beheizt. Das wird öfters so gemacht:

Siehe z.B: http://www.suessbrich.info/elek/DigitalUhrQuarzofen.html

Autor: Christof (Gast)
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Also habe ja gestern ein Temperatursensor eingebaut (LM 335) und direkt 
an ADC des AVR gehängt. Hatte dafür schon alle Drähte liegen :). So über 
Nacht hat mein PC die Daten gelogt. Zwischendurch mal ein Absturz aber 
macht nichts. Ich glaube, dass man hier deutlich die 
Temperaturabhänigkeit sehen kann. Werde das denke ich dann so via 
Software kompensieren.
Danke noch für die Ratschläge.

Ach und Temperatursensor ist nicht kalibriert oder so. Deswegen ists 
wohl ein bisschen warm :). Sollte halt schnell gehen. Werde mir da aber 
noch was schöneres bauen.

Die Heizung ist vielleicht von der Theorie sehr gut. Allerdings läuft 
das ganze vor Ort mit Batterie und ich habe alles sehr Energiesparend 
ausgelegt. So eine Heizung würde da alles zu nichte machen.

Gruß

Autor: Thilo M. (Gast)
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Du könntest die Messung identisch nochmal aufbauen, nur mit fester 
Kapazität anstatt Kabel.
Dann nur die Differenz der Frequenzen auswerten.
So sollte sich der Temperaturgang größtenteils 'rauskompensieren.

Autor: C. H. (_ch_)
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Hallo Christof,

wie kann ich dich per email erreichen? Ich hätte eine Offtopic Frage an 
dich.
Wenn's nicht öffentlich sein soll, PN an mich - danke.

Gruß
Christian

Autor: Hellhoeriger (Gast)
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Aha,

gibt's hier was zu mauscheln, oder was?

Vielleicht interessiert es uns andere ja auch :-)

Autor: C. H. (_ch_)
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Ne, zu Mauscheln gibt's nichts - jedoch möchte den (bisher noch sehr 
geradlinigen/sachlichen) Thread nicht unnötig vom ursprünglichen Thema 
ableiten, da die Frage wie gesagt offtopic ist.
Wenn es im Sinne des "Urhebers" ist, soll es mir recht sein, jedoch 
möchte ich ihn vorher wenigstens gefragt haben.

Wenn allgemeines Interesse besteht, kann man es ja immer noch hier breit 
treten, aber bis dahin sollten wenigstens die Kernpunkte geklärt sein, 
oder? :-)

Gruß
Christian

Autor: Christof Vogt (chvo)
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Die Idee mit der identischen Schaltung zur Kompensation ist mir heute 
morgen auch gekommen :). Hab im moment nur die Teile dafür nicht da. 
Sonst wär das auch kein ding. Werd ich vielleicht bei Gelegenheit auch 
mal noch versuchen.

So hab mich jetzt auch mal angemeldet :). Also über PN auch erreichbar.

Gruß

Autor: Christof Vogt (chvo)
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Hallo,

so der Vollständigkeit halber nochmal einen kleinen Bericht.

Habe doch noch einen NE555 gefunden und einen passenden Kondensator. Das 
ganze natürlich sofort eingebaut und laufen lassen. Funktioniert sogar 
noch besser wie erwartet. Meine kompensierte Frequenzmessung schwankt 
nun nur noch um 0,03 kHz. Das ist jetzt wirklich zu vernachlässigen. Das 
kommt zum einen mit Sicherheit von dem herumschwappenden Wasser und ein 
paar Faktoren, die ich mit dieser simplen Schaltung nicht mehr 
beeinflussen kann.

Muss jetzt nur nochmal die Messwerte für die einzelnen Füllstände 
ermitteln, um die schönen Werte auch richtig umzurechnen :). Durch das 
ganze hin und her passt das jetzt nimmer.

Wenn ich jetzt von einem Messbereich von 20-30kHz ausgehe (der wohl noch 
so sein wird), dann ist die momentane Abweichung nur noch maximal 0,2 
Prozent. Mehr brauch ich auch nicht. Hoffe da änder sich auch nichts 
mehr dran in der nächsten Zeit.

Habe gleich noch ein kleines PHP Script gemacht um mir ne Auswertegrafik 
zu erzeugen. Geht schneller wie in Excel :)

Zu der Grafik: Die orangene Linie ist der normale Messwert. Die grüne 
ist der Wert mit Hilfe der zweiten Messung ausgeglichen. Der erste 
Ausschlag war eine Wasserstandssenkung von ca 10 - 15 cm. Beim zweiten 
wurde eine Badewanne voll Wasser herausgelassen.

Ach und bei der "privaten" Frage ging es um das allgemeine Prinzip der 
kapazitiven Füllstandsmessung.

Gruß

Autor: Christof Vogt (chvo)
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Oh sorry die Grafik hat gefehlt
Aber jetzt :)

Gruß

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Christof Vogt (chvo)

>noch besser wie erwartet.
>Geht schneller wie in Excel :)

besser als
schneller als

Germanistische Grüsse
Falk

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Christof Vogt wrote:
> Habe doch noch einen NE555 gefunden und einen passenden Kondensator. Das
> ganze natürlich sofort eingebaut und laufen lassen. Funktioniert sogar
> noch besser wie erwartet.

Stellt sich die Frage, was überhaupt der 555 da drin verloren hat. Man 
muß nicht mit Krampf noch über 30 Jahre alte Technik verwenden.


Die AVRs haben nen Analog-Komparator, damit läßt sich prima eine 
Kapazität (Aufladezeit über nen Widerstand) quarzgenau messen. Man 
braucht nur noch 3 Widerstände (50ppm/°C Metallschicht reicht), 
fertisch.

Hat man nun den Verdacht, daß die Kapazität temperaturabhängig ist, dann 
schaltet man den Analog-Komparator über den ADC-Multiplexer auf ne 2. 
gleich lange immer nasse Referenzleitung um.


Peter


P.S.:
Wir haben kürzlich in nem älteren immer noch produzierten Gerät nen 556 
durch nen ATTiny25 ersetzt.
Warum es den 556 regelmäßig zerschossen hat, kann sich keiner erklären, 
aber der ATtiny25 läuft nun wie dumm.

Autor: Christof Vogt (chvo)
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Diese Möglichkeit hört sich auch interessant an. Wär ich da schon früher 
drüber gestolpert hätte ich es vielleicht auch gleich so gemacht :).

Werde wohl mal ein paar Versuche damit machen. Vielleicht sind noch 
bessere Ergebnisse zu erreichen.

Danke und Gruß
Christof

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