Füllstandssensor für sehr kleines Volumen

Hallo Zusammen,

ich habe einen “kapazitiven” Füllstandssensor für 500 µL realisiert. Dazu sind zwei kleine Elektroden gegenüber liegend (ca. 1 cm²) von außem an dem Kunststoffgefäß geklebt. Der Abstand beträgt ca. 5mm. Wenn ich jetzt statt Luft Wasser zwischen die Elektroden bringe verändert sich die gemessene Spannung im ADC des Arudino deutlich. Sogar so deutlich, dass ich < 5µL detektieren kann.
Ich bin mir allerdings nicht so wirklich sicher, was ich da genau messe. Die Kapazitäten bzw. deren Änderungen müssen eigentlich so klein sein, dass sie keinen so großen Unterschied (Leer ca. 60 Bit zu Voll ca. 150 Bit). Auch messe ich ja keine Zeitkonstanten, wie bei größeren Kondensatoren.

Ich denke, dass ich eine Art Kondensator-Mikrofon gebaut habe. Dort wird ja auch bei einer großen Frequenz die Änderung der Kapazität in eine Spannung umgewandelt. Ich muss dazu sagen, dass ich kein Elektroniker bin und ich deshalb einfach mal in die Runde fragen wollte.

Ich habe ebenfalls die Frequenz des Arudinos gemessen. Sie lag bei ca. 100 kHz. Bei der Frequenz hat man doch schon eigentlich einen “Sender” oder?

Hier der (abgespeckte) Code:

const int OUT_PIN = A2;
const int IN_PIN = A0;

void setup()
{
  pinMode(OUT_PIN, OUTPUT);
  pinMode(IN_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
    pinMode(IN_PIN, INPUT);
    digitalWrite(OUT_PIN, HIGH);
    int val = analogRead(IN_PIN);
    digitalWrite(OUT_PIN, LOW);
     Serial.print(val);   
}

Ich bin mir allerdings nicht so wirklich sicher, was ich da genau messe.

Ich auch nicht.
Und eigentlich will ich es auch gar nicht wissen.

Üblicherweise sind solche "kleine Elektroden gegenüber liegend (ca. 1 cm²) von außen an dem Kunststoffgefäß" Teil eines Schwingkreises.
Und dessen Frequenz wertet man aus.

Alternativ:
Man sorgt für eine definierte Ladung des "Kondensators", und dann läd man ihn um. Die Zeit für die Umladung wird gemessen.

Ich schätze mal, dass mein Alternativvorschlag, in etwa das ist, was du da jetzt machst, ohne es zu wissen.

Dein Code lädt den Kondensator auf, mit einem Strom der irgendwie begrenzt ist. Diese Grenze (I=U/R) kann sich mit der Zeit (Temperatur...) verschieben, ggf. geht der Ausgang daran auch mal kaputt. Gleichzeitig wird eine ADC Wandlung gestartet, die erst mal (sample&hold) einen weiteren Kondensator über einen weiteren Widerstand auflädt, dessen Spannung anschließend gemessen wird. Die übertragene Ladungsmenge ist dabei Q=It, die sich wegen Q=CU auch als Spannung messen läßt. Solange die Spannung am Kondensator klein ist (60-150) gegenüber AREF (1024), ist der Strom etwa konstant. Anschließend wird der Kondensator wieder entladen.

Ich würde den Strom auf unschädliche Werte (1-10mA) begrenzen, mit einem Vorwiderstand 500-5k.

Auch 50Hz können schon "gesendet" werden, hohe Frequenzen sind dazu nicht notwendig. Du baust dafür ja sogar eine Antenne (Dipol) mit den beiden Elektroden, die ein Feld aufbauen, das nicht auf den Raum zwischen den Elektroden beschränkt ist. Wenn dieses Feld ein weiteres gutes Dielektrikum neben den Elektroden findet, dann wird die gesamte Kapazität höher, und die Empfindlichkeit (Änderung der Kapazität) geringer. Da jede Abstrahlung die Messung beeinflußt, sollte der Sensor nicht über einzelne Drähte angeschlossen werden, sondern über ein zweiadriges (verdrilltes) Kabel. Diese Zuleitung hat schon eine eigene Kapazität, die ebenfalls die Empfindlichkeit des ganzen Aufbaus beeinflußt.

Jetzt kommt es noch drauf an, wo die Schaltung später eingesetzt werden soll. Da können Änderungen in der Umgebung, Temperatur, Salzkonzentration usw. einen Einfluß auf die Messung haben. Falls möglich, würde ich eine regelmäßige (automatische?) Kalibrierung vorsehen, die mit garantiert leerem und vollem Behälter erfolgen kann. Dann lassen die so ermittelten Werte Rückschlüsse auf die Empfindlichkeit, Genauigkeit und Langzeit-Stabilität der Schaltung zu.

Vielen Dank für die Tipps.

Der fließende durch die Elektroden sollte doch minimal sein? Immerhin sind die Elektroden doch eigentlich elektrisch isoliert.

Hi,

bei 1nF und 100kHz hast Du 1,592 kOhm kapazitiven Blindwiderstand, aber bei geschätzt 10pF für den Sensor, also 1/100stel sollte da noch nichts anbrennen (159kOhm). Aber für versehentliches Kurzschließen des Sensors würde ich schon einen 220Ohm Widerstand einfügen o.ä.), da gibt es keine Rauchzeichen :wink:

Gruß André

Henne24:
Ich habe ebenfalls die Frequenz des Arudinos gemessen. Sie lag bei ca. 100 kHz. Bei der Frequenz hat man doch schon eigentlich einen "Sender" oder?

Wie kommst du da drauf ?
Das hat nichts mit der Frequenz zu tun, sondern mit einer frei abgestrahlten Leistung an einer Antenne.
Also bei der geringen Leistung die du erzeugst, musst du keine Bedenken haben.
Es ist kein Sender mit dem du irgendwelche Probleme bekommen könntest.

Ein Strom fließt nur beim Umladen des Kondensators. Bei so einem kleinen Kondensator fließt er nur kurz, kann aber trotzdem recht hoch werden.