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4.1.13 Feuchtedifferenzschalter

Erste Idee dazu: 01.05.2016 --- Artikel erstellt ab 04.08.2019

"Feuchtedifferenzschalter"
Ja, liebe Leser, ich gebe zu, dass der erste Artikel hierzu etwas sehr in die Länge gezogen ist. Aber man sieht dort wenigstens, dass ich nirgends abschreibe, oder so.

Alles (und die meisten der über 300 anderen Artikel) entstand mit eigenem "Hirnschmalz".

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Ich hatte die erste Feuchte-Differenz-Schaltung so erfolgreich eingebaut, dass es in dem betreffenden Raum dermaßen trocken wurde, so dass einige Hölzer anfingen, zu platzen. Die Feuchte lag zum Ende der Messungen bei nur noch rund 15%-20%.

In dem betreffen den Raum habe ich nun einen einfachen Feuchtschalter realisiert, der nicht so "brutal" trocknet und bei etwa 50% Luftfeuchte stoppt.

Aber die Technologie (sich einfach die Feuchtedifferenz zweier baugleicher Sensoren zunutze zu machen) ist genial, wie ich finde.

Und sie funktioniert so gut, dass ich hier diesen zweiten Artikel zu dem Thema begonnen habe, mit dem Ziel, die benötigten Kabel zu den Sensoren zu vereinfachen und einfachere, sowie günstigere Sensoren zu benutzen.


Ich hatte ja im ersten Artikel versucht, die Platine zu vereinfachen und setzte dazu intelligente Sensoren ein. Einerseits ging das gut von der Hand, andererseits aber wurden die Kabel zu den Sensoren dreiadrig. Das aber wiederum hatte zur Folge, dass man bei der Installation sehr aufpassen musste, die Sensoren richtig anzuschließen.
Besonders in größeren Höhen war es sehr mühsam, den Außensensor richtig anzulöten, wenn man auf ein Stecksystem verzichten möchte.

Ich sehe mich immernoch auf der Leiter herum turnen...

Also machen wir jetzt etwas mit zweipoligen Sensoren, bei denen es zudem egal ist, wie herum sie angeschlossen werden. Das erleichtert die Montage erheblich.


So ist das Prinzip der Feuchte-Differenz-Schaltung:



Die Funktion ist folgendermaßen zu verstehen

(ein Bild sagt mehr als 1000 Worte):





Wir sehen hier in der letzten Abfrage eine etwas  unsaubere Reaktion bei dem Ergebnis "NEIN". Eigentlich könnten wir diese Abfrage auch wegfallen lassen und den Lüfter sofort aus schalten, aber ich habe das unterste Kästchen aus Übersichtsgründen mit aufgenommen (auch, damit ich nichts vergesse).
Wir schreiben Dienstag, den 06.08.2019. Draußen ist die Luft bei etwa 26 Grad schwülwarm
und hier und da gehen Unwetter in Deutschland nieder. Mit Starkregen und Hagel und so weiter:



Ich habe jedoch inzwischen einen tollen resistiven Sensor (Sensor mit veränderlichem Widerstandswert) heraus gesucht. Ich habe ihn bei Voelkner entdeckt und der Preis ist ein guter Kompromiss zischen "günstig"  und "gut":


TRU Components Feuchte-Sensor 1 St. HCZ-H82A (L x B x H) 13.5 x 4 x 8.3mm, Voelkner.de

Voelkner liefert zu diesem Sensor jedoch kein Datenblatt, sondern nur diese Tabelle:



Dieser Auszug aus dem Datenblatt von Conrad-Elektronik sagt aber etwas mehr über den Sensor aus:



Die Eckdaten (die uns jetzt erstmal genügen) sind diese:

  • Der Sensor muss mit Wechselstrom ohne Gleichstrom-Anteil betrieben werden.
  • Die Sensorspannung darf 1 Volt nicht überschreiten.
  • Der minimal zu erwartende Widerstand liegt bei 2,2k Ohm.
  • Der maximal sich einstellende Widerstandswert liegt bei 9,2k Ohm.
  • Die Arbeitsfrequenz sollte bei etwa 1kHz liegen.


Normalerweise wäre es ja einfach, den Widerstandswert über einen DAC-Eingang eines Mikrocontrollers einzulesen, aber die Forderung nach einer Wechselspannung am Sensor lässt diesen Ansatz nicht zu.

Also müssen wir nach einer Methode Ausschau halten, die den Sensor sowohl mit Wechselstrom beaufschlagt, als auch den Mikrocontroller bedienen kann.

Ich habe ein wenig überlegt (ist ja nie verkehrt) und bin auf eine Lösung mit einem Schmitt-Trigger CD4093 gekommen. Dieser Baustein arbeitet bei 5 Volt, so dass eine Spannungs-Umwandlung für den Mikrocontroller nicht nötig wäre. Ebenso verbaucht der CD4093 herzlich wenig Strom (kommt ja auch irgendiwe der Umwelt zugute).

In einem anderen Artikel habe ich die Verwendung des 4093 als Oszillator beschrieben.

Diese Technik machen wir uns zunutze, um den Widerstandswert des Sensors in eine proportionale Frequenz zu wandeln. Die so generierte Frequenz wiederum lässt sich dann problemlos von einem Mikrocontroller einlesen. Zudem wird der Sensor (wie gefordert) mit Wechselstrom durchflossen.

Aber machen wir doch ein paar Versuche zu diesem Sachverhalt.

Hier erstmal das Pinout des 4093 (Auszug aus dem Datenblatt von Texas Instruments):



Und ohne Umschweife gleich die erste Probeschaltung:



Die vereinfacht betrachtete Funktion dieser Schaltung besteht aus diesen Schritten:

  1. Der Kondansator ist entladen, Spannung wird eingeschaltet.
  2. 1 und 2 liegen auf LOW, 3 hat also HIGH
  3. Der Kondansator wird über R1 und R2 geladen
  4. Bei erreichen der Schwellspannung schaltet der Schmitt-Trigger durch, 3 geht aus LOW
  5. Der Kondansator wird über R1 und R2 entladen
  6. Bei unterschreiten der Schwellspannung fällt der Schmitt-Trigger ab, 3 geht auf HIGH
  7. Der Vorgang wiederholt sich ab Punkt 3

Die Größe der Vorwiderstandes R2 mit 47k Ohm ergibt sich aus der Forderung, dass der Sensor nicht über 1 Volt Wechselspannung haben darf. Mal angenommen, der Sensor hätte gerade den Wert von 10k Ohm, dann ergäben sich bei 5 Volt Betriebsspannung 50k Ohm für den Vorwiderstand. Da die vollen 10k nicht erreicht werden (siehe Datenblatt), tut es auch ein Vorwiderstand mit 47k Ohm aus der Bastelkiste.

Wir sehen also, dass der Lade-  und Entladestrom im Wechsel mal vorwärts und mal rückwärts durch den Sensor R1 fließt. Gleichzeitig beeinflusst R1 diesen Stromfluss je nach Feuchtigkeit, wodurch der Kondansator C1 mal schneller oder mal langsamer ge- bzw. entladen wird.

Hieraus resultiert eine der Feuchtigkeit proportionale Rechteckfrequenz am Ausgang der Schaltung.

Diese kann dann direkt an einem Eingang eines Mikrocontrollers detektiert und ausgewertet werden.


In meinem Fall benutze ich dazu eine PICAXE 14M2.

Der Baustein "PICAXE" wird auf dem Strippenstrolch in Menü 5 erklärt.


Einen Tag später, am 07.08.2019 ist das Wetter extrem schwül, aber in unserer Region bleibt der Regen irgendwie aus. Ich machte mir nichts draus und habe das Ausgangssignal der obigen Schaltung oszilloskopiert:




Wie vorausgesagt erhielt ich ein wunderbares Rechtecksignal. Was mir aber Schmerzen bereitet ist, dass das Signal nicht symmetrisch ist. Außerdem sehe ich da Vmin= -0,4 Volt, also eine Spannung unter dem Nullpunkt. Das mag daran liegen, dass der Sensor eine winzige Kapazität besitzt, also nicht rein ohm'sch aufgebaut ist.



Trotzdem:


"Voll tofte Ideen, wie ich finde." :-)
 
Ich bin gespannt, ob sich das so umsetzen lässt.


Wir schreiben heute den 02.03.2024.


Ich kann diesen Artikel nur noch aus dem Gedächtnis heraus komplettieren, denn das Projekt ist bereits 5 Jahre alt. Zunächst kann ich aber sagen, dass eine Schaltung aus zwei der oben beschriebenen Sensoren und einer Picaxe als Schaltlogik bei einem befreundeten Tiefbau-Ingenieur der Reservistenkameradschaft Neubokel im Schraubenlager seit 5 Jahren läuft.

Ich hatte erstmal eine Probeschaltung auf dem Steckbrett gemacht und mit dem Dampf meiner Kaffeetasse die verschiedenen Schaltmodi getestet. Es hatte auf Anhieb funktioniert und die beschriebenen -0,4 Volt waren auch völlig vernachlässigbar.

Also dürfte die Schaltung mit den zweipoligen Sensoren den Raum genau so "brutal" trocknen, wie die anderen Sensoren. In dem Schraubenlager ist dies ja auch erwünscht. Je trockener es dort ist, desto weniger Rost setzen die gelagerten Schrauben an. Leider hatte der Ingenieur in diesem Raum diesmal kein Trocknungsprotokoll angefertigt, so dass es keine Übersicht über den Trocknungserfolg und die zugehörigen Trocknungszeiten gibt.


Abschließend noch ein Blockbild der Schaltung:





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Stets trockene Schrauben wünscht:





Dieser Artikel wurde durch die freundliche Unterstützung der

Reservistenkameradschaft Neubokel ermöglicht.






(Reservisten zu Besuch beim Tiefbau-Ingenieur auf dem Betriebshof)
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