Kurzfassung

In diesem Projekt habe ich für die Schüttgutsonde 3 koplanare bzw. interdigitale Plattenkondensatoren hergestellt, wobei die Herstellung des dritten Kondensatortyps besonders schwer war, da das Muster, in dem die Platten angeordnet waren, nicht mehr mit der Hand auf die Kupferplatte übertragbar war. Dieses habe ich dann durch den Toner eines Laserdrucks des Musters auf die Platte übertragen. Die Kondensatoren wurden mithilfe einer Säure aus einer Kupferplatte geätzt.

Daraufhin habe ich die drei Typen von Kondensatoren vermessen, welche Kapazität sie außerhalb und innerhalb von Wasser haben (also für eine spätere Feuchtigkeitsmessung die minimalen und maximalen Werte). Dafür habe ich drei verschiedene Methoden verwendet, von welchen sich eine als ungeeignet herausstellte, da hier durch ein zu dem zu vermessenden Kondensator parallel geschaltetes Oszilloskop eine zu große Streukapazität und Messungenauigkeit auftrat.

Die beiden anderen Methoden, die Kapazität mittels Spannungsverhältnissen bzw. mittels der kapazitiven Reaktanz zu vermssen, lieferten verwertbare Ergebnisse und konnten durch den Permittivitätsunterschied zwischen Wasser und Luft und dessen Einfluss auf den Unterschied der Kapazitäten bestätigt werden. Außerdem bin ich auf die Theorie hinter den Messungen eingegangen. Mithilfe der Minimal- und Maximalwerte der jeweiligen Kondensatoren konnte ich mein Messverfahren optimieren, sodass ich aus den Formeln, die normale Kondensatoren beschreiben auch die optimalen Widerstandswerte für meinen Messschaltkreis (Tiefpassfilter) herleiten konnte.

Gemessen wird die Kapazität von einem Mikrocontroller und dessen ADC, weshalb die Kapazität erst einmal in einen Spannungswert umgewandelt werden musste. Hierfür wurde der variable Kondensator in einen Tiefpassfilter eingebaut, wobei die Amplitudenspannung mit einer angeschlossenen Diode und weiteren Elementen zum Erhalt der Kodensatorhochpunktspannung ausgemessen wurde (Spitzenwertdetektorschaltung). Dieser Schaltkreis wurde so modifiziert, dass der Kondensator bei jedem Eingangsspannungstief auf ca. $1,V$ Spannung entladen wird.

Mithilfe dieses Aufbaus wurde dann der Verlauf der Amplitudenspannung für die Versenkung des Kondensators in Wasser (prozentuelle Bedeckung der Kondensatorfläche mit Wasser) und in dem Schüttgut Sand dokumentiert. Hierfür wurden jeweils ein Kolben mit Sand bzw. Luft von einem ganz trockenen Anfangszustand aus mit Regenwasser befüllt, wobei die Menge an beigefügtem Wasser auch festgehalten wurde. Die vermessenen Kodensatoren steckten in horizontaler Lage tief in dem befüllten Kolben.

So konnten die Spannungs- und somit die Kapazitätsverläufe für diese beiden Medien aufgezeichnet werden. Die Messergebnisse wurden im Nachhinein ausgwertet, wobei mit der Luft-, also prozentellen Wasserbedeckungsmessung begonnen wird. Hier konnte ich eine Polynomfunktion 4. Grades an die Verlaufskurve der Hochpunktspannung annähern, und durch eine solche "Kalibrierung" genaue Rückschlüsse auf den Wassergehalt des umgebenden Mediums schließen. Um die Genauigkeit dieser Messung im Falle von kleinen Veränderungen im vermessenen Schüttgut zu untersuchen, habe ich eine möglichst große Änderung im Schüttgut bzw. in dem umgebenden Medium herbeigeführt.

Ich habe für Sand, als Schüttgut mit etwa der doppelten Permittivität von Luft, versucht, den Wassergehalt bei einer bestimmten Hochpunktspannung mithilfe der Umkehrfunktion des für Luft angenäherten Polynoms zu bestimmen. Die Werte und Abweichungen, die dabei entstanden, habe ich abschließend ausgewertet.

Komplette Arbeit

Arbeitsschritte

• Planung und Anfertigung 3 verschiedener Kondensatortypen

• Messung deren Kapazität auf 3 verschiedene Wege

• Optimierung des Messschaltkreises aufgrund des Prinzips eines Tiefpassfilters

• Kalibrierung auf und Vermessung von verschiedenen Schüttgütern