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Bodenfeuchte und pH-Wert temperaturkompensiert messen

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

Messtechnik: Wie Sie Bodenfeuchte und pH-Wert einfach messen.
Messtechnik: Wie Sie Bodenfeuchte und pH-Wert einfach messen. (Bild: VCG)

In diesem Analogtipp zeigen wir, wie Sie die Bodenfeuchte und den pH-Wert messen und gezielt beispielsweise für ein effektives Pflanzenwachstum einsetzen können.

Die in Bild 1 dargestellte Schaltung ist eine einfach gespeiste, wenig Leistung verbrauchende hochpräzise Komplettlösung, mit der Sie die Bodenfeuchte und den pH-Wert, einschließlich einer Temperaturkompensation, bestimmen können.

Die gemessenen analogen Sensorwerte dieser drei unabhängigen Messbereiche werden einem A/D-Wandler zugeführt, der sie im Anschluss zur weiteren Signalverarbeitung in digitaler Form einem Mikrocontroller zur Verfügung stellt.

Als A/D-Wandler eignet sich beispielsweise der 24-Bit Sigma-Delta ADC AD7124, ein vollständig integriertes, rauscharmes analoges Frontend für hochpräzise Messanwendungen. Seine Eingänge lassen sich wahlweise als differentielle oder als single-ended bzw. pseudo-differentielle Eingänge konfigurieren. Zudem verfügt der AD7124 über eine programmierbare Verstärkerstufe, was den Anschluss von sehr kleinen Signalen erlaubt.

Messen des pH-Werts: Da pH-Sensoren für gewöhnlich einen sehr hochimpedanten Ausgang aufweisen (ca. 1 GΩ) und damit die ADC-Eingänge nicht treiben können, ist zur Messung des pH-Werts zusätzlich ein hochpräziser Operationsverstärker erforderlich, der den Sensorausgang puffert.

Aufgrund der hohen Ausgangsimpedanz des Sensors ist ein geringer Eingangs-Biasstrom des Operationsverstärkers wichtig, um Offsetfehler zu minimieren. In diesem Schaltungsentwurf wird exemplarisch der Rail-to-Rail-OPV ADA4661-2 verwendet. Der Ausgang des pH-Sensors ist bipolar und liefert ein maximales Signal von ±414 mV. Durch den internen Offsetgenerator des AD7124 kann die Gleichtaktspannung der Eingänge auf AUDD/2 eingestellt werden, wodurch sich am Sensorausgang AUDD/2 ± 414 mV ergibt.

Auch das „Rauschen“ der Bauteile hat Einfluss auf die Auflösung des Messsystems. Beispielsweise beträgt die effektive Rauschspannung des AD7124 („Full Power Mode“, Verstärkung = 1, Ausgangsdatenrate = 25 SPS) UNoise,eff = 570 nV, was einen Spitze-Spitze-Wert von UNoise,PP = 3,76 µV (6,6 × UNoise,eff) ergibt. Zusätzlich kommt der Rauschanteil des ADA4661-2 von UNoise,PP = 3 µV hinzu, was ein Gesamtrauschen von UNoise,PP,GES = 4,8 µV zur Folge hat. Bei einem maximalen Eingangsspannungsbereich des ADCs von 6,6 V resultiert dies in einer rauschfreien Auflösung von 20,4 Bit.

Messen der Bodenfeuchte: Heute übliche Feuchtesensoren sind oftmals kapazitiver Natur und messen den Wassergehalt anhand der Dielektrizitätskonstante. Da die Dielektrizitätskonstante von Wasser wesentlich größer ist als die von anderen Elementen im Boden, kann eine Änderung des Wassergehalts über die Kapazitätsänderung am Sensor wahrgenommen werden.

In der in Bild 1 dargestellten Schaltung wird ein 3-Leiter-Sensor verwendet (Versorgung, Masse und Spannungsausgang). Um den Stromverbrauch zu minimieren, wird der Sensor die meiste Zeit spannungsfrei gehalten und nur dann über USensor aktiviert, sobald eine Messung erforderlich ist.

Hinsichtlich des Rauschverhaltens ergibt sich im Vergleich zur pH-Wert-Messung eine etwas höhere rauschfreie Auflösung von 20,75 Bit, da der Sensor direkt mit dem A/D-Wandler verbunden ist.

Temperaturmessung: Aufgrund von Elektrodenbeschichtung und Alterungsprozessen ändert sich das Verhalten von pH-Sensoren mit der Zeit. Um eine maximale Genauigkeit beizubehalten, ist eine regelmäßige Kalibrierung unumgänglich. Hierzu werden oftmals bekannte Flüssigkeiten gemessen und mit den in NIST-Nachlagetabellen aufgelisteten pH-Werten bei entsprechenden Temperaturen verglichen.

Die Temperaturmessung findet mit einem 3-Leiter-Widerstandsthermometer (engl. Resistance Temperature Device, RTD), wie in Bild 2 dargestellt, statt. Dank der vorhandenen programmierbaren Erregerstromquelle des AD7124 kann der RTD direkt an den A/D-Wandler angeschlossen werden (IOUT1, IOUT2).

Komplettlösung zur Messung von Bodenfeuchte und pH-Wert

Mit der vorgestellten Schaltung lässt sich relativ einfach der Wassergehalt sowie der pH-Wert des Bodens messen. Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit des pH-Wert-Sensors ist zusätzlich eine Temperaturmessung notwendig, mit welcher eine entsprechende Kompensation durchgeführt wird. Diese ist bereits in die Lösung integriert.

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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Hallo, der Artikel behandelt hauptsächlich den Aufbau hinter den Sensoren. Zur Anwendung sind eine...  lesen
posted am 21.03.2019 um 12:27 von Unregistriert

Wäre nett gewesen, wenn zusätzlich einige Beispiele für Feuchtesensoren und PH-Sensoren konkret...  lesen
posted am 19.03.2019 um 12:08 von Unregistriert


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