Bodenfeuchtesensor: Pt1000 rauscht zu stark

[Sebastian W. (wangnick)]

Liebe Leute,

ich habe dieses Jahr eine Gartenbewässerung mit Magnetventilen 1251-20 
und Tropfrohren von Gardena mit zur Zeit neun separaten Feldern verlegt. 
Detailnotizen siehe http://s.wangnick.de/doku.php?id=gartenbewaesserung. 
Nachteil der dezentralen Steuerung 1250-20 ist der Aufwand für die 
Nachführung an die Witterung. Gardena bietet dazu einen 
Bodenfeuchtesensor 1188-20 an, den man an die dezentralen 
Steuereinheiten anschliessen kann und der die Bewässeung unterbricht 
wenn der Boden feucht genug ist. Ich bräuchte derer 9, und die Dinger 
sind nicht nur teuer sondern auch recht klobig, und brauchen wiederum 
jeweils eine 9V-Blockbatterie.

Ich möchte daher lieber eigene Steuerungen und eigene 
Bodenfeuchtesensoren konstruieren. Kabel (A-2YF(L)2Y) aus dem Kellerraum 
bis in alle Ventilkästen (maximaler Abstand 100m) sind vorhanden und 
liefern auf zwei Adernpaaren 9V-Gleichspannung und auf einem Adernpaar 
Datenübertragung und Softwareupdate per CAN-Bus.

Bei ersten Versuchen mit drei Giesomaten 
(https://www.ramser-elektro.at/shop/bausaetze-und-platinen/giesomat-kapazitiver-bodenfeuchtesensor-erdfeuchtesensor-mit-beschichtung/), 
zwei davon in Gipsstab, korrelierten die Ergebnisse nicht so recht mit 
der erwarteten Bodenfeuchte und haben sich auch gegenseitig beeinflusst.

Reproduzierbarer sind die Ergebnisse auf dem Basteltisch mit PCB 2225 
PT1000-Messzungen 
(https://www.reichelt.de/platin-temp-sensor-22x-2-5-mm-1000-ohm-pcb-2225-pt1000-p151249.html?&trstct=pos_11), 
die ich mit einem Arduino Nano wie folgt ansteuere: Die Messzunge wird 
in einem Vliesball in einem PVC-Röhrchen in den Boden gesteckt und über 
ein ca. 2m langes Kabel mit A5 und GND des Arduino Nano verbunden, und 
ein 4k7 verbindet A5 mit VCC (+5V). Ich messe zunächst 3 Mal im Abstand 
von einer Sekunde die Spannung an A5 versus der internen 1.1V-Referenz, 
dann schalte ich A5 für zwei Sekunden auf Ausgang High und erwärme den 
Sensor, danach warte ich 40us und messe dann wieder drei Mal im Abstand 
von einer Sekunde die Spannung an A5. Jede Spannungsmessung besteht aus 
50 gemittelten Basismessungen, und jede Basismessung besteht aus drei 
Einzelmessungen bei denen ich die zwei zueinander nächsten Messwerte 
mittele und die dritte verwerfe. Die Bodenfeuchte korreliert dabei mit 
dem Abklingen der Sensorwärme (je feuchter desto geringer die gemessene 
Summe der Differenzen zur Basistemperatur).

Nun habe ich das Problem, dass die Messung auf dem Basteltisch trotz 
Rauschen um 30mV gut funktioniert, im Garten aber sehr schwankt, und 
führe dies auf ein massives Rauschen um 100mV zurück, dass ich mit dem 
Oszilloskop zwischen A5 und GND messe (leider kein Bild). Womöglich 
strahlt das Begrenzungskabel des Mähroboters in das schlichte zweiadrige 
Sensorkabel oder der CAN-Bus in die Stromversorgung ein.

Mit sind bisher zwei mögliche Lösungen eingefallen:
  *) Geschirmtes Kabel zum Sensor. Womit aber den Schirm verbinden? Ich 
habe weder im Ventilkasten nach am Sensor eine Erdung, alles hängt über 
100m Bodenkabel an einem 9V-Netzteil im Haus.
  *) Attiny oder separater ADC und Analogmessung direkt am Sensor, 
digitale Übermittlung zum Ventilkasten. Aber wenn die Stromversorgung 
rauscht?

Was würdet ihr vorschlagen? Welche Vor- und Nachteile haben die 
möglichen Lösungen?

LG, Sebastian

[Wolfgang (Gast)]

Sebastian W. schrieb:
> Womöglich strahlt das Begrenzungskabel des Mähroboters in das schlichte
> zweiadrige Sensorkabel oder der CAN-Bus in die Stromversorgung ein.

Dann stelle das fest. Wenn das Signal vom Mähroboterzaun die Ursache 
ist, müsste das Störsignal verschwinden, sobald du den Signalgenerator 
abschaltest.

> *) Geschirmtes Kabel zum Sensor. Womit aber den Schirm verbinden? Ich
> habe weder im Ventilkasten nach am Sensor eine Erdung, alles hängt über
> 100m Bodenkabel an einem 9V-Netzteil im Haus.

Aber du hast den Gnd-Anschluss von deinem Arduino Nano. Das ist dein 
Bezugspotential für die Messung.

[Wolfgang (Gast)]

p.s.
Ein Tiefpassfilter, d.h. Abschwächung höherfrequenter Störanteil wäre 
eine andere Möglichkeit. Um zu beurteilen, wie sich das auf dein Signal 
auswirkt, müsste man das Signal nach dem Abschalten des Heizpulses mit 
höherer Zeitauflösung betrachten. In welchem Zeitbreich liegt die 
Zeitkonstante für das Abklingen der Temperatur auf Grund der durch die 
Bodenfeuchte geänderten Wärmeleitfähigkeit?

[Bernd K. (prof7bit)]

Ich würde tensiometrische Sensoren verwenden, die messen die gewünschte 
Größe direkt und absolut und nicht indirekt über 42 wackelige Umwege.

[Sebastian W. (wangnick)]

Auf dem angehängten Bild sieht man das Abklingen bei Trockenheit über 
drei Sekunden; bei Feuchte geht es ca. 10x schneller. Die erste Messung 
findet zur Zeit schon 40us nach dem Abschalten der Heizung statt, dies 
könnte man aber verzögern.

Wie würde man denn an die Konstruktion eines Tiefpass für zum Beispiel 
10Hz und eine 1kΩ-Quelle herangehen?

LG, Sebastian

[Sebastian W. (wangnick)]

Bernd K. schrieb:
> Ich würde tensiometrische Sensoren verwenden, die messen die gewünschte
> Größe direkt und absolut und nicht indirekt über 42 wackelige Umwege.

Dazu braucht es aber entsprechend stark saugende Pflanzen, oder 
funktionieren die auch zum Beispiel bei Rosen oder Gräsern?

LG, Sebastian

[MaWin (Gast)]

Sebastian W. schrieb:
> Die Bodenfeuchte korreliert dabei mit dem Abklingen der Sensorwärme

Heute.

Morgen auch bei verändertem Vliesballdreckinhalt ?

Ich halte dein Messverfahren für äusserst zweifelhaft.

Bei Pfanzen ist übrigens die absolute Bodenfeuchte ziemlich egal, die 
unterscheiden nur zwischen staubtrocken, feucht und Staunässe. Das 
bekommt man fast ohne Sensor erzählt.

Je unterschiedlicher die Bodenfeuchte ist (vor allem die Grenze zwischen 
trocken und feucht), um so besser wird die Wurzelausbildung der Pflanze, 
um so grösser deren Einzugsgebiet für Düngestoffe.

[Wolfgang (Gast)]

Sebastian W. schrieb:
> Wie würde man denn an die Konstruktion eines Tiefpass für zum Beispiel
> 10Hz und eine 1kΩ-Quelle herangehen?

Ein Kondensator wäre eine Möglichkeit.
Dann muss man aber z.B. durch einen zusätzlichen Analogschalter Sorge 
dafür tragen, dass der Kondensator vom Heizpuls entkoppelt ist.

Eine andere Möglichkeit ist, das Signal mit ausreichend hoher Frequenz 
abzutasten und mit einem digitalen Filter per Software zu glätten.

Woher kommen die Störungen auf dem Labortisch?

[Bernd K. (prof7bit)]

Sebastian W. schrieb:
> Dazu braucht es aber entsprechend stark saugende Pflanzen, oder
> funktionieren die auch zum Beispiel bei Rosen oder Gräsern?

Die funktionieren sogar ganz ohne Pflanzen. Sie messen das 
Wasserpotential in der Erde. Mit "saugenden Pflanzen" hat das gar nichts 
zu tun, ich vermute ein Mißverständnis Deinerseits.

[Sebastian W. (wangnick)]

Liebe Leute,

vielen Dank für eure Mühe und Anregungen so weit.

Wolfgang schrieb:
>> Womöglich strahlt das Begrenzungskabel des Mähroboters in das schlichte
>> zweiadrige Sensorkabel oder der CAN-Bus in die Stromversorgung ein.
> Dann stelle das fest. Wenn das Signal vom Mähroboterzaun die Ursache
> ist, müsste das Störsignal verschwinden, sobald du den Signalgenerator
> abschaltest.

Die Störung kommt nicht vom Mähroboter. Anbei das Signal aus dem Garten 
(NewFile3.png, zum Vergleich zum Basteltischsignal von oben), ein Detail 
der Störung (NewFile9.png), und (DC-gekoppelt) ein Abschnitt der 
5V-VCC-Referenzspannung (NewFile11.png).

MaWin schrieb:
> Ich halte dein Messverfahren für äusserst zweifelhaft.

So ähnlich soll wohl der Gardena-Bodenfeuchtesensor arbeiten, und der 
scheint recht robust zu funktionieren.

Bernd K. schrieb:
> Die funktionieren sogar ganz ohne Pflanzen. Sie messen das
> Wasserpotential in der Erde. Mit "saugenden Pflanzen" hat das gar nichts
> zu tun, ich vermute ein Mißverständnis Deinerseits.

Klingt nach einer guten Alternative, werde ich mich mal mit 
beschäftigen. Gibt es solche Tensiometer günstig zu kaufen, oder sollte 
man selber bauen (Tropf-Blumat, MPX5100DP et al)?

LG, Sebastian

[Sebastian W. (wangnick)]

Wolfgang schrieb:
> Woher kommen die Störungen auf dem Labortisch?

Gute Frage. Ich sehe jetzt bei zwei Arduino Nano auf bem Basteltisch bei 
recht stabiler 9V-Versorgung alle ca. 20us 8Mhz-Schwinger mit einer 
Amplitude von gut 100mV am 5V-VCC-Ausgang. Der Regler ist jeweils ein 
AMS1117 ...

LG, Sebastian

[Platinen Frickler (Gast)]

Sebastian W. schrieb:
> Wolfgang schrieb:
>> Woher kommen die Störungen auf dem Labortisch?
>
> Gute Frage. Ich sehe jetzt bei zwei Arduino Nano auf bem Basteltisch bei
> recht stabiler 9V-Versorgung alle ca. 20us 8Mhz-Schwinger mit einer
> Amplitude von gut 100mV am 5V-VCC-Ausgang. Der Regler ist jeweils ein
> AMS1117 ...
>
> LG, Sebastian

Wer viel mißt, mißt oftmals Mist:-)

Was ich damit sagen will, daß es nicht unbedingt der Fall sein muß, daß 
die festgehaltenenen Phenomene unbedingt nur von Deiner Schaltung 
kommen. Meßtechnisch muß man auch sehr Erfahrung haben um den Spreu vom 
Weizen zu trennen.

Ich habe schon Sachen erlebt, wo man jedem, auch jedem mißtrauen muß. 
Schalte mal die Stromversorgung aus und beobachte Deinen Oszi ob diese 
Transienten immer noch auftreten um die Meßbedingungen zu erfassen. Das 
dokumentierte Rauschen ist sehr uncharakteristisch. Irgendwo/wie steckt 
da eine fette Ratte drin.

Ganz abgesehen davon sollte zwischen PT1000 und ADC Meßeingänge ein 
Tiefpassfilter mit niedriger Eckfrequenz sitzen.

Bezüglich der Störungen vergiß auch nicht, daß der typische Störnebel in 
einem modernen Haushalt sehr hoch sein kann. Auch HF Dienste mit 
genügenden Pegel wie Funk können durch Gleichrichtung in den 
empfindlichen Verstärkern Offsets und Rauschen verursachen.

Oft wirken die Zuleitungen wie Antennen und koppeln beträchtliche 
Spannungen und Energien die man nicht unterschätzen sollte. Die vielen 
Schaltnetzteile, Power line Modems, alle möglichen elektronisch 
betriebenen Steuerungen. Auch Dein PC erzeugt übers Netzteil massive 
Störungen die bei empfindlichen Schaltungen sehr unangenehm sein können 
und man prüfen sollte.

Digitale IO dürfen niemals ungefiltert die uC Steuerschaltung verlassen. 
Jeder IO sollte nur so schnell beschaltet werden wie es die Anwendung 
vorschreibt. Vermeidung von Stromschleifen durch geeignete Maßnahmen. 
Man muß für robuste Schaltungstechnik oft einen hohen Aufwand treiben.

PCs an der gleichen Netzleitung, angeschlossene USB Geräte zur 
Testschaltung können die unwahrscheinlichsten Effekte verursachen. 
Manchmal hilft auch der Einsatz von richtig bemessenen Gleichtaktfiltern 
in den Versorgungs und Signal Leitungen.

Bei der Entwicklung eines TC Temperatursensors mußte ich über ein HC-05 
BT debuggen weil der PC ähnliche Störungen wie bei Dir erzeugte. Mit dem 
Einsatz des HC-05 verschwanden die Störungen die zwischen Tektronix Oszi 
und PC verkoppelt wurden.

Es ist so leicht immer der Testschaltung die mögliche Schuld zu geben 
und ist das erste an das man denkt. In wirklichkeit darf man das 
elektromagnetische Laborumfeld auch nicht ignorieren.

Noch etwas, bei vielen Oszis kann man die Meßbandbreite verringern. 
Manchmal hilft das dem Phenomen auf die Spur zu kommen. Obwohl man das 
kontrapunktiv auffassen könnte ist das kein Witz. Multi-hundert  Oszi 
Bandbreite kann oft unrealistische Phenomene vortäuschen die überhaupt 
nicht relevant in der Anwendung sein können. Nie vergessen - Du sitzt in 
Deiner modernen Umgebung in einem EM-Störsumpf. Auch was Deine Nachbarn 
an EM-Schleudern betreiben, kann man nicht genau wissen. Erfasse Dein 
EMV umfeld.

Jedenfalls versuche stufenweise Deinen Meßaufbau zu überprüfen. 
Steckalle Zuleitungen zum PC bzw. LT ab. Vergleiche ob ein Unterschied 
zwischen LT Netzteil oder internet Batterie besteht.

Erprobte PT Meschaltungen machen in der Regel keine solchen Umstände.

Skizziere auch die Totale Anordnung der Verbindungen um Stromschleifen 
zu erkennen.

[Platinen Frickler (Gast)]

Noch etwas:

Verwendest Du lineare Labornetzgeräte mit sauberem Verhalten oder 
Schaltnetzteile? Die sollte man unter ähnlichen Lastbedingungen auch 
noch für die beobachteten Phenomene untersuchen.

[Kerra (Gast)]

https://wwwvs.cs.hs-rm.de/vs-wiki/index.php/Internet_der_Dinge_WS2015/SmartPlant#Messmethode_2:_Kapazitiv

Alle gängigen Messmethoden. Mit deren Vor und Nachteilen.

[Wolfgang (Gast)]

Sebastian W. schrieb:
> Ich sehe jetzt bei zwei Arduino Nano auf bem Basteltisch bei
> recht stabiler 9V-Versorgung alle ca. 20us 8Mhz-Schwinger mit einer
> Amplitude von gut 100mV am 5V-VCC-Ausgang. Der Regler ist jeweils ein
> AMS1117 ...

Das deutet auf Pulse im 20µs Abstand hin, die ein halbwegs 
schwingfähiges Gebilde zu einer gedämpften Schwingung anregen.

Vielleicht ein 50kHz Schaltwandler im Netzteil oder ein Störer in deiner 
Umgebung. Wie sieht die Versorgungsspannung mit dem Oszi aus (AC, 
gleiche Empfindlichkeit) und was siehst du mit einer einfachen 
Leiterschleife als Empfangsantenne?