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.

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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.