[Bodenfeuchte] Bipolartransistor als Sensor für Wärmeleitfähigkeit

[Bernd K. (prof7bit)]

Bodenfeuchte im Blumentopf treibt mich immer noch um.

Hab mir überlegt daß man eigentlich mit einem Bipolartransistor einen 
preiswerten Sensor für die Wärmeleitfähigkeit hat: Er kann die 
Temperatur messen und (optional) gleichzeitig (!) als Heizelement 
dienen.

Hab jetzt mal schnell was zusammengefrickelt, Schaltplan und erste Plots 
siehe Anhang. Bis jetzt hab ich es nur mit den beiden Extremen Wasser 
und Luft probiert, noch nicht mit feuchter Erde. Aber immerhin scheint 
es ich kann wenn ich die Auswertung noch etwas verfeinere diese beiden 
Extreme schonmal sauber auseinanderhalten und die Umgebungstemperatur 
hat keinen Einfluss (heißes Wasser im zweiten Bild bedeutet frisch aus 
der Mikrowelle (zu heiß um das Glas ohne Topflappen zu tragen), "kaltes" 
Wasser hatte etwa Zimmertemperatur).

Die Heizphase betrug ungefähr 15 Sekunden, die Abkühlphase ebenso.

Für den Aufbau hab ich (anders als im Schaltplan) einen BC237B im TO-92 
Gehäuse verwendet, der lag hier grad griffbereit rum.

Im Plot (blaue Linie) hab ich vorher vom ADC-Wert 700 subtrahiert damit 
es besser ins Bild passt. Der ADC hat 12 Bit und Vref=Vcc=3.3V, wer Lust 
hat kann damit bestimmen wie heiß mein Wasser wirklich war.

Wenn ich die "Heizung" einschalte macht die UBE einen deutlichen Sprung 
nach oben, vermutlich ohmscher Widerstand im Emitter, dennoch 
funktioniert die Messung der Temperaturänderung auch während der 
Heizphase.

Kollektorstrom hab ich noch nicht gemessen, aber der Transistor wird bei 
mir noch nicht spürbar warm (oder ich hab Hornhaut auf den Fingern) da 
scheint noch viel Spielraum nach oben zu sein. Auch könnte man ein 
kleineres Package nehmen damit es schneller geht und dünne Lackdrähte 
statt der dicken Strippen.

[Hp M. (nachtmix)]

Bernd K. schrieb:
> Auch könnte man ein
> kleineres Package nehmen damit es schneller geht und dünne Lackdrähte
> statt der dicken Strippen.

Bei diesen Transistoren ist der Chip auf dem Kollektorbeinchen 
angelötet, und das Metall des Drahtes hat eine viel bessere 
Wärmeleitfähigkeit als der Kunststoff.

[Clemens L. (c_l)]

Hp M. schrieb:
> das Metall des Drahtes hat eine viel bessere
> Wärmeleitfähigkeit als der Kunststoff.

Wäre es also besser, einen TO-220-Transistor zu nehmen, und vielleicht 
noch einen "Kühl"körper dranzuschrauben?

[Lurchi (Gast)]

Der Heizstrom wird bei der Schaltung noch etwas von der Temperatur 
abhängen (beta wird größer, wenn die Temperatur höher ist). Im Idealfall 
wäre ein Feedback für den tatsächlichen Strom hilfreich. Damit wäre auch 
der Abgleich der Heizleistung über den 10 K Widerstand nicht mehr so 
zufällig.

Bei der Wahl des Transistors sollte man einen Typ haben, mit einer 
Vergleichsweise geringen Masse / Wärmekapazität aber trotzdem genügend 
Wärmeableitung nach außen.  TO220 ist da ggf. schon eher dick. TO126 
(etwa BD135) könnte eher passen.

Mit einem kleineren Package geht es schneller, aber der Überprüft 
Bereich wird auch kleiner, ggf. zu klein. Da müsste man dann ggf. den 
Transistor etwa mit einem Gipsklumpen umgeben.

[Dirk D. (dicky_d)]

Lurchi schrieb:
> Da müsste man dann ggf. den
> Transistor etwa mit einem Gipsklumpen umgeben.

Ich find die Idee ja gar nicht mal so schlecht.

Im Gegensatz zum Boden ist die Eigenschaft vom gips immer relativ 
gleich.
So Erde hat ja, neben der Feuchtigkeit, noch nen Haufen Parameter die 
die Messung abweichen lassen.

[Hendi (dg3hda) (Gast)]

Die beheizte Spannungsreferenz LM399H wäre auch ein Kandidat, sie 
enthält eine geregelte Die-Heizung bei ca. 90°.

Über die Spannungsreferenz-Seite bei ausgeschalteter Heizung könnte man 
die Temperatur messen, durch die Heizstromänderung beim einregeln und 
den Strom im Gleichgewicht dürfte man was über die Wärmeableitung 
mitkriegen.

Ist allerdings je nach Distri mit ca. 9€ nicht gerade ein günstiger 
Sensor, aber hey, Elektronikforen lieben Spannungsreferenzbausteine.

[Boris O. (bohnsorg)]

Ist das im Prinzip eine Spannungsreferenz mit Eigenerwärmung und 
deutlichem Temperaturkoeffizient? Wo ist der Unterschied zu einer 
Stromquelle wie der LM334?

Mir ist das Messprinzip noch nicht ganz klar, aber vermutlich geht es um 
den Temperaturanstieg je Zeit. Mit hoher Wärmekapazität wie in feuchter 
Erde ginge der langsamer von statten als mit schlechtem 
Wärmedurchgangskoeffizient, wenn ich trockene Erde mal als dreckiges 
Styropor modelliere.

Ein Stromspiegel scheint mir da sinnvoller, weil der sich selbst 
kompensiert. Zwei identische Transistoren und einen nach außen in die 
Erde, den anderen nach innen. Die Geschwindigkeit der 
Differenzausbildung sollte dann der Wärmeleitfähigkeit entsprechen.

Als weitere Unwägbarkeit werfe ich die Körnigkeit und Dichte in den 
Ring. Erde kann ja dicht gepackt sein, weil man ständig gießt und nie 
umtopft. Sie könnte auch steinig oder sandig sein, d.h. nicht 
unwesentlich viel Luft enthalten. Das TO-92-Gehäuse würde ich auch nicht 
direkt der Erde aussetzen, weil es sicher nicht ordentlich abgedichtet 
ist und Wasser/ Feuchtigkeit in die darunterliegende Schaltung 
eindringt.