Kapazitive Wasserstandsmessung durch Grenzfrequenzbestimmung

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1 Projektarbeit M5 Messtechnik Leitung Herr Euteneuer Erfassen einer physikalischen Größe unter Verwendung von Lab-View. Kapazitive Wasserstandsmessung durch Grenzfrequenzbestimmung Dominik Lönarz FSE11 Abgabe 24. April 2012

2 Inhaltsverzeichnis 1.0 Ziel der Untersuchung Messaufbau Durchführung der Untersuchung Messergebnisse Auswertung der Messergebnisse Zusammenfassung der Erkenntnisse Anhang...7 Dominik Lönarz Seite 1/9

3 1.0 Ziel der Untersuchung Ziel des Versuches ist es, den Wasserfüllstand in einem Behälter, durch ein kapazitives Messverfahren zu bestimmen. Dies soll durch ein Computergestütztes Messsystem ermittelt und ausgewertet werden. Als Messhardware soll die NI mydaq von National Instruments und als Software Lab- View, ebenfalls aus dem Hause National Instruments, zum Einsatz kommen. 2.0 Messaufbau Abbildung 1: Messaufbau Dominik Lönarz Seite 2/9

4 Zur Messschaltung wird eine einfache Tiefpassschaltung verwendet. Der verwendete Widerstand beträgt 560Ω. Dies hat bei einer Spannung von fünf Volt, einen maximalen Kurzschlussstrom von I= U/R= 5V/560Ω= 8,93mA zur Folge, der damit hinreichend gering ausfällt. Des Weiteren wird ein 47nF Kondensator parallel zum Messkondensator geschaltet. Da dieser bei leeren Gefäß keine Kapazität aufweist und die maximale ermittelte Kapazität 42nF betrug. Durch die Parallelschaltung der beiden Kondensatoren entsteht so ein gemessener Kapazitätsbereich von ca. 45nF 80nF. Der Frequenzbereich des so entstandenen Tiefpasses liegt in einem Bereich von 3500Hz 6400Hz. 1 fg= 2 Π R C 1 fg= =6315,67 Hz 2 Π 560 Ω 45nF 1 fg= 2 Π 560 Ω 80nF =3552,57Hz Der Messkondensator wurde mit einer Dose (Erbsensuppe) hergestellt, da diese von innen isoliert ist. Diese Isolation wird als Dielektrikum verwendet und wurde zusätzlich durch Kunststofflack verstärkt. So wird das Blech der Dose als Elektrode verwendet. Die zweite Elektrode wird durch ein Stück Kupferdraht, welcher auf eine kleine Platine angelötet ist, bereitgestellt. Die geringe Leitfähigkeit von Wasser reicht also aus, um eine hinreichende Kapazitätsänderung zu erreichen. Dominik Lönarz Seite 3/9

5 3.0 Durchführung der Untersuchung Die Messung wird vollständig mit Lab-View und der NI mydaq von National Instruments durchgeführt. Hier das verwendete Programm (fuellstand.vi). Im Anhang ist das VI dargestellt. Die Messung läuft wie folgt ab. Zuerst wird eine Frequenz mit 3000Hz erzeugt, diese wird mit einer Amplitude von 5V auf den Analogausgang AO 0 der NI mydaq gegeben. Im nächsten Schritt wird dieses Signal wieder gemessen. Es wird ermittelt wie sich die Amplitude ändert. Dies wiederholt sich jetzt mit steigender Frequenz. Die Frequenzänderung in jedem Schritt beträgt 50Hz, bis zu einer maximalen Frequenz von 10kHz. Die Messung wird gestoppt, wenn die Amplitude eine Spitze-Spannung von 1,44V unterschreitet. Die so erfasste Frequenz wird mit zuvor ermittelten Füllständen verglichen, und der Füllstand auf einer Tank Anzeige ausgegeben. Alternativ besteht auch die Möglichkeit den Füllstand nicht mit vorgegebenen Werten zu vergleichen, sondern rechnerisch zu ermitteln. Hierzu ist allerdings vorher eine Kalibrierung des Gefäßes mit maximalen Füllstand nötig. Die Berechnung erfolgt völlig linear, dies lässt sich auf die Formel zur Frequenzbestimmung zurückführen. Die Kapazitätsänderung um Füllstand ist nicht linear, die Frequenzänderung zur Kapazitätsänderung ebenfalls nicht. Allerdings proportional, so ist die Periodendauer linear zur Füllstandsänderung, das heißt 1/Frequenz ist linear zur Füllhöhe. Für dieses Messverfahren wird zuerst der Füllstand bei 700ml ermittelt. So ergibt sich ein sogenannter Kalibrierwert. Dieser wird benutzt um den Füllstand zu berechnen. 1 kalwert= ( f ) 14 1 (( f ) 0,99) kalwert X = X ergibt so einen Wert zwischen 0 und 14 der dem Füllstand 0-700ml entspricht. 0,99 ist der Korrekturwert, der die Änderung im Verhältnis zur Füllhöhe angibt. Zum Schluss wird der ermittelte Füllstand noch an die LED-Anzeige weiter geleitet, so die das Ergebnis durch 7 LEDs anzeigt. Jede LED steht für 100ml, eine blinkende LED gibt ein 50ml Schritt an. Beträgt der Füllstand also 550ml, so leuchten alle die LEDs 100ml 500ml. Die 600ml LED blinkt. Nach ca. 7,5 Sekunden erlischt die Anzeige wieder, es kann mit einer neuen Messung begonnen werden. Link zu Video 1 Link zu Video 2 Dominik Lönarz Seite 4/9

6 Messabweichungen durch verschiedene Wassertemperaturen, Außentemperaturen oder Luftfeuchtigkeit konnten keine festgestellt werden. Allerdings spielt die Leitfähigkeit der Messflüssigkeit eine Rolle, so dass immer dasselbe Wasser verwendet wurde, außerdem sind mit Abweichungen durch äußere Störeinflüsse zu rechnen. So wirken sich zum Beispiel Körperkapazitäten negativ auf den Versuch aus. 4.0 Messergebnisse Als Messergebnisse werden die ermittelten Grenzfrequenzen tabellarisch aufgeführt. Dies bilden die Grundlage zum Vergleichsmessverfahren. Deutlich zu sehen die lineare Abhängigkeit in der Periodendauer. Füllstand Grenzfrequenz Periodendauer 0ml 6250Hz ~0,16ms 50ml 5750Hz ~0,17ms 100ml 5300Hz ~0,18ms 150ml 5100Hz ~0,19ms 200ml 4850Hz ~0,20ms 250ml 4600Hz ~0,21ms 300ml 4450Hz ~0,22ms 350ml 4250Hz ~0,23ms 400ml 4100Hz ~0,24ms 450ml 3950Hz ~0,25ms 500ml 3800Hz ~0,26ms 550ml 3700Hz ~0,27ms 600ml 3600Hz ~0,28ms 650ml 3450Hz ~0,29ms 700ml 3300Hz ~0,30ms Dominik Lönarz Seite 5/9

7 5.0 Auswertung der Messergebnisse Abweichungen in den Ergebnissen, lassen sich auf die Hardware zurückführen. Hier wird deutlich sichtbar, das die Strombelastung, maximal 8mA, zu groß ist und so kein sauberes Sinussignal mehr erzeugt werden kann. Weiterhin sinkt dadurch auch die Spitzenspannung, so dass eine Speisespitzenspannung von 5V nicht erreicht wird. Bei 5Vp läge die zu erwartende Grenzfrequenzspannung bei 3,54Vp. Diese musste aber auf 1,44Vp abgesenkt werden, um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten. Eine Änderung des Widerstandes ist nur geringfügig möglich, da sich sonst die Grenzfrequenz zu stark ändern würde. Diese hätte zur Folge, das eine genaue Messung nicht mehr möglich ist, da die Frequenzänderungen zu gering ausfallen würden. In den Versuchsreihen, kam es nur selten zu unerwünschten Abweichungen, diese traten zum Teil wegen fehlerhaften Messbechern auf. So wurde zum Beispiel 10 mal 50ml eingefüllt, beim zurück füllen waren es dann 550ml. 6.0 Zusammenfassung der Erkenntnisse Eine genauere Unterteilung der Füllstände wäre durch andere Verfahren möglich, so kann mit Hilfe des Timerbausteins NE555 eine sehr genaue Füllstandmessung erreicht werden. Dazu wird der Messkondensator als Frequenz bestimmendes Bauteil verwendet. Allerdings sollte dieser Versuch zeigen, dass es auch andere Möglichkeiten gibt, mit Hilfe von kapazitiven Sensoren den Füllstand zu ermitteln. Wobei das Hauptaugenmerk auf die Art und Weise des Messverfahren wie auch auf den Sensor selbst liegt. Der Versuch zeigt, das mit einfachen Mitteln eine kapazitive Füllstandbestimmung möglich ist, so dass eine Bestimmung in fünfzig Millilitern Schritten möglich ist. Dominik Lönarz Seite 6/9

8 7.0 Anhang Abbildung 2: Frontpanel (fuellstand.vi) Abbildung 3: Erzeugen der Messfrequenz (fuellstand.vi) Dominik Lönarz Seite 7/9

9 Abbildung 4: Signalerfassung (fuellstand.vi) Abbildung 5: Ansteuerung LED-Anzeige (fuellstand.vi) Dominik Lönarz Seite 8/9

10 Abbildung 6: Messaufbau Dominik Lönarz Seite 9/9