4. 5. Die
Feuchtemessung
Um den Feuchten-Temperatur-Kompensationsrechner
ersetzen zu können, muss neben der Temperatur
( => 4.3 ) auch die relative Luftfeuchtigkeit
in der Kammer gemessen werden. /1, 21/
Da diese Messung in der Kammer vorgenommen werden muss, wird ein Feuchtesensor in der Kammer angebracht und über eine galvanische Trennung mit dem Rechner verbunden. Diese galvanische Trennung ist aus Sicherheitsgründen notwendig, um dem heutigen Standard in medizinischen Anwendungen zu entsprechen. /39, 40, 41 /
4. 5. 1. Der
Feuchtesensor
Bei dem hier verwendeten Feuchtesensor handelt es sich um einen Feuchtesensor der Firma Valvo. Es ist ein von der relativen Luftfeuchtigkeit abhängiger Kondensator.
Er besteht aus einem perforierten Kunststoffgehäuse,
in dem eine beidseitig mit einem Goldfilm
bedampfte Spezialfolie eingespannt ist. Die
Folie zwischen den Goldschichten bildet das
Dielektrikum und die Goldschicht selbst,
die Elektroden eines Plattenkondensators.
Unter dem Einfluss der Luftfeuchtigkeit ändert
sich die Dielelektrizitätskonstante der Folie
und somit die Kapazität des Kondensators.
Bild 11 zeigt die Abhängigkeit der Kapazität
Cs des Sensors von der relativen Luftfeuchtigkeit. /38/
Bild 11: Kapazität des
Feuchtesensors in Abhängigkeit von der relativen Feuchte ( f
= 100 kHz )
4. 5. 2. Das
Feuchteinterface
Die auftretenden Kapazitätsänderungen des
Feuchtesensors müssen in entsprechende elektrische
Signale umgewandelt werden. Dieses kann man
mit Hilfe einer Differenzimpulsmessung realisieren.
/38/
Hierfür sind
zwei Multivibratoren nötig, die proportional der
Kapazität ihrer Kondensatoren Rechteckimpulse erzeugen. In Bild 11 wird die
Prinzipschaltung der Feuchtemessung dargestellt. Der erste Multivibrator M1
synchronisiert M2.
Er erzeugt Rechteckimpulse deren Impulsdauer
proportional der angeschlossenen Kapazität
ist. (=> Bild: 13) Diese Kapazität Cs ist einstellbar und
wird auf den Wert der konstanten Kapazität
des Sensors eingestellt.
Die Dauer des
Impulses von M2 ist proportional der Sensorkapazität Cs = C0 + DC. Die zwischen
den Ausgängen 1 und 2 auftretenden Differenzimpulse sind proportional der
Kapazitätsänderung des Feuchtesensors.
Wird von diesen
Differenzimpulsen der arithmetische Mittelwert gebildet, so ist die Ausgangsspannung
ein Maß für die relative Luftfeuchtigkeit.
Bild 12: Prinzipschaltung mit Multivibratoren zur Erfassung der
Sensorkapazitätsänderung
Bild 13: Differenzimpulsbildung der obigen Schaltung
Um diese Schaltung zu realisieren, wurde ein Schaltungsentwurf der Firma Valvo übernommen. /37, 38/
Zwischen dem
sich in der Messkammer befindlichen Sensor und dem Ausgangsverstärker muss
eine galvanische Trennung vorgenommen werden.
Diese Trennung
kann, wie schon bei der Temperaturmessung, mit einem Trennverstärker realisiert
werden. Da die zwei Multivibratoren Rechteckimpulse erzeugen, besteht auch die
Möglichkeit der Trennung über Optokoppler.
Das folgende
Bild zeigt die Schaltung, die nach dem Prinzip der Differenzimpulsmessung
arbeitet.
Der Multivibrator
M1 schwingt frei mit einer Frequenz von ungefähr 10 kHz, die durch R66 und die
Gesamtkapazität aus C56, C57 und C58 bestimmt wird. M2 wird durch M1
synchronisiert; d.h., dass er mit gleicher Frequenz schwingt wie M1, wobei die
Impulsbreite von der Sensorkapazität und damit von der Feuchte abhängig ist.
Diese Impulse
gelangen über einen Inverter, einen Optokoppler und einen Schmitt-Trigger zu
einem NOR-Gatter, wo die Differenz zwischen den Impulsen gebildet wird. Die
Differenzimpulse werden über den Kondensator C60 integriert und die entstehende
Spannung ist ein Maß für die Feuchte. Die genaue Funktion dieser Schaltung kann
man der o. g. Literatur entnehmen.
Bild 14: Darstellung der
Feuchte Mess-Schaltung. Sie besteht aus zwei Multivibratoren, deren
Impulsdifferenz proportional der rel. Feuchte ist und über C60 integriert wird.
Die aus Sicherheitsgründen notwendige galvanische Trennung erfolgt durch die
Optokoppler IC28 und IC29.
Die Schaltung
zur galvanischen Trennung besteht aus einem Inverter, einem Optokoppler und
einem Schmitt-Trigger.
Für den Optokoppler wurde der schnellste
und leicht zu beschaffende Typ 4N35 ausgewählt.
Er überträgt eine Frequenz bis zu 300 kHz
und hat eine Isolationsspannung von 3550
V. D.h., dass er bei einer Impulsfrequenz
von 10 kHz für den Multivibrator M1, die
Differenzimpulse übertragen kann, die sich
ergeben, wenn die Impulsbreite von M2 um
3,3 % größer ist als von M1. Ob diese Frequenz
ausreicht, müssen genauere Untersuchungen
zeigen. (=> Kap. 7.)
Bei dem Inverter
handelt es sich um den Typ 7404 und bei dem Schmitt-Trigger um den Typ 74132.
UR68 muss min. 1,6 V groß sein, damit der Schmitt-Trigger am Ausgang L-Pegel
ausgibt. Fällt sie wieder unter 0,8 V wechselt die Ausgangsspannung von L- auf
H-Pegel. Versuche an einer Linienstromschnittstelle im Digitallabor (Versuch 1 ) zeigten, dass die max. übertragbare Frequenz von den
Widerständen R68 bzΩ. R69 abhängig ist. Es wurde
für die Widerstände R68 und R69 ein Wert von 120 Ω gewählt.
Die in der Schaltungsapplikation von Valvo
eingesetzte Spannungsstabilisierung wurde
durch ein Universal Spannungsregler IC vom
Typ mA 723 ersetzt. Die Dimensionierung dieser
Bauteile wurde aus einem Schaltungsvorschlag
in dem Buch "Netzgeräte mit IC's" übernommen.
Mit UREF4,2 = 4,2 V und P16
= 0 Ω berechnen sich die Widerstände wie folgt.
U REF4,2 = R74' / ( R73' + R74' )
R73' + R74' ≈ 7 kΩ
R76 = R74' ||
R73'
R75 = 0,65 V/ Imax
Für R74' wurde
4,3 kΩ gewählt und somit ergibt sich für R73' ein Wert von 2739,3 Ω.
Für den Widerstand R73' wurden 3 kΩ gewählt, wobei R76 dann 1767 Ω groß
sein muss.
Die Widerstände
R73' und R74' wurden aufgeteilt in R73 = 2 kΩ, R74 = 3,3 kΩ und P16 =
2 kΩ, um die Ausgangsspannung genau auf 4,2 V einstellen zu können. Mit
R75 = 200 Ω kann ein maximaler Strom von 3,25 mA fließen.
Die
Feuchtemeßschaltung liefert an R72 eine Spannung von 0 - 1 V
,die auf +/- 5V verstärkt werden muss. Die folgende Schaltung soll
dieses realisieren.
Bild 15: Verstärkerschaltung,
die die Ausgangsspannung der Feuchteschaltung auf +/- 5V verstärkt
Es wurden
folgende Verstärkungsfaktoren gewählt:
Der erste
Verstärker verstärkt das Signal um den Faktor 2,5 und der zweite um den Faktor
4. Bei einer 1 %-igen Toleranz der Widerstände ergibt sich für V╩, mit
R83 = R84 = 120 kΩ und R81 = R82 = 30 kΩ eine maximale Verstärkung
von 4,08 und eine minimale von 3,921. Die Verstärkung V1 muss somit von 2,45
bis 2,55 einstellbar sein, um das Ausgangssignal auf genau +/- 5V einstellen zu
können.
Es wurde für
R78 = 20 kΩ, R77 = 22 kΩ und für P17 = 10 kΩ gewählt.
Mit R79 = 30 kΩ,
R80 = 3,9 kΩ und P = 1 kΩ lässt sich bei einer Referenzspannung von
UREF = 10 V, die Spannung Uref auf 1,092 V bis 1,366 V einstellen. Dieser
Bereich reicht aus, um bei V1 = 2,45 bis 2,55 die Ausgangsspannung auf genau +/-
5V zu regeln. Außerdem werden die statischen Offsets ausgeglichen.
Der Ausgangswiderstand R85 = 1 kΩ und C65 = 1000 nF ergeben einen Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 159 Hz (=> 4.2.1 ). Die Spulen, Kondensatoren und Dioden stabilisieren die Versorgungsspannung und schützen den Operationsverstärker bei falscher Polung der Betriebsspannung vor Zerstörung.