Kapazitätssensor mit 4093
Beitrag zum Schaltungswettbewerb 2013 von Gerd Sinning
Mit dem 4093 kann man auf einfache Weise ein Messgerät für Kapazität aufbauen. Was kann man nun damit machen? Mit dem passenden Sensor ist es möglich, den Wasserstand in z.B. einem Hydrotopf zu messen und es gibt eine Warnung, wenn zu wenig Wasser im Topf ist. Ebenso ist ein Regenmesser denkbar, der die Regenmenge anzeigt. Es funktioniert, weil Wasser eine höhere Dielektrizitätskonstante hat als Luft und damit die Kapazität des Sensors deutlich erhöht. Wenn das Wasser im Rohr steigt dann erhöht sich die Kapazität.
Der Kapazitätssensor ist einfach aufzubauen, zwei parallele Drähte werden in ein Plastikrohr gespannt, unten ein Knoten in den Draht und dann nach oben festziehen durch die Löcher im Rohr und mit einem Kabelbinder festhalten. Auf den Knoten kommt Heisskleber zum isolieren. Dieser Sensor ist transportabel, d.h. man kann den Wasserstand in einem beliebigen Gefäss messen.
Der Aufbau des Sensors, in das Rohr (grün) kommen zwei Stücke von normalem isoliertem Schaltdraht (hier rot eingezeichnet)
Der Sensor, links ist die untere Seite und rechts ist die obere Konstruktion mit der Platine aufgesteckt.
Der Schaltplan, C4 ist der Sensor der die Frequenz des Oszillators bestimmt, dann kommen ein monoflop und ein Integrator
Nun ist die Frequenz von der Kapazität des C Sensors abhängig und kann gemessen werden. Die Frequenz ist auch stark von der Betriebsspannung abhängig, hier wurde das mit 5 V betrieben. Die Spannung muss stabilisiert werden.
Messergebnisse, links die Oszillatorfrequenz gegen Wasserstand, rechts die Spannung am Integrationskondensator in Volt
Bis ca 10 cm Wasserstand ist der Spannungsverlauf noch ziemlich linear, insgesamt geht es hyperbolisch weiter mit f proportional zu 1 / RC. Das lässt sich mit einem Microcontroller linearisieren wenn man will, aber die Steigung wird flacher und damit unempfindlicher gegen die Änderung der Kapazität bzw. Wasserstand. Die Spannung ist am höchsten wenn z.B.der Hydrotopf leer ist, da lässt sich eine low power LED anschliessen. Die leuchtet, wenn die Pflanze Wasser braucht.
Die fertige Platine, in der Mitte ist der Anschluss für den Sensor.
Das funktioniert auch als Touch-Sensor wenn man die Oszillatorseite berührt. Damit lässt sich was schalten. Wenig Aufwand und viele Möglichkeiten.
