Anordnung Leiterplattenkondensator nebeneinander oder auf parallelelen Platinenschichten?

[FLXN (Gast)]

Hallo zusammen,

Ich experimentiere zurzeit mit Leiterplattenkondensatoren zwecks 
Bodenfeuchtemessung. Ich möchte auf einer Platine zwei 
Leiterplattenkondensatoren anordnen mit unterschiedlichen Längen.

Nun zur eigentlichen Frage: Benötigen derartige 
Leiterplattenkondensatoren eine flächige GND-Plane auf der 
Platinenrückseite, um vernünftig zu funktionieren? Dann müsste ich die 
beiden Elemente nebeneinander anordnen (in rot s. Bild, grün hier 
ignorieren). Auf der Rückseite wäre dann wie gesagt flächig GND.

Oder kann ich auch einen von beiden "Wirkflächen" auf die Rückseite 
legen (grün im Bild)? Dann könnte ich die Platine insgesamt viel 
schmaler machen, aber die Kondensatorplatten der Messelemente liegen 
dann halt genau gegenüber und beeinflussen sich vielleicht ungünstig???

Hat da jemand Erfahrungen oder Vorschläge?

Danke und LG

[Teo D. (teoderix)]

FLXN schrieb:
> Oder kann ich auch einen von beiden "Wirkflächen" auf die Rückseite
> legen (grün im Bild)?

Nein, das verschlechtert nur die Empfindlichkeit.
Die Kapazität zwischen den beiden Flächen, getrennt durch das 
Platinenmaterial, ist wesentlich höher als über die feuchte/trockne 
Erde.

Das eigentliche Problem an den Teilen ist, man misst nur "Punktuell". 
Taugt also nur für kleine Pötte.

[Der Gärtner wars (Gast)]

Ich kann dein Messprinzip im Detail nicht erkennen, aber mit den Flächen 
gegenüber liegend baust du einen Kondensator, der parallel zu deinen 
Eingängen liegt. Vermutlich reduziert das die Empfindlichkeit 
wesentlich.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

FLXN schrieb:
> Ich experimentiere zurzeit mit Leiterplattenkondensatoren zwecks
> Bodenfeuchtemessung
>
> Hat da jemand ... Vorschläge?
Warum diskutierst du das nicht im Ursprungs-Thread einfach weiter, bis 
du ein Ergebnis gefunden hast?

Beitrag "Leiterplattenkondensator in Spannung umwandeln, Anleitung und Tipps gesucht"

[Peter D. (peda)]

Die Kapazität soll ja durch den Boden geändert werden, also außerhalb 
der Platine. Da ist die Platine als Dielektrikum unerwünscht, d.h. die 
Rückseite bleibt frei. Optimal ist der Kondensator, wenn die beiden 
Elektroden kammartig ineinander greifen.

Damit der Kondensator nicht schnell verrottet, nimm eine 4-lagen 
Platine. Eine Innenlage bildet den Kondensator, die anderen 3 Lagen 
bleiben bis zu den Anschlüssen leer. Lötstopplack hilft nicht.

[FLXN (Gast)]

Peter D. schrieb:
> Da ist die Platine als Dielektrikum unerwünscht, d.h. die
> Rückseite bleibt frei.

Habe leider gerade keinen Sensor Life vor Ort, aber ich glaube, dass die 
Kaufversion eine Lage auf der Rückseite hat.

Peter D. schrieb:
> Optimal ist der Kondensator, wenn die beiden
> Elektroden kammartig ineinander greifen.

Stichwort kammartig: Kann ich wenigstens dies Mittelstück GND-Plate 
entfernen, um bisschen Breite zu sparen (s. Bild), oder braucht es das 
auch für verbesserte Funktionalität?

[Georg (Gast)]

FLXN schrieb:
> oder braucht es das
> auch für verbesserte Funktionalität?

Jedes Stückchen GND verschlechtert die Funktion - es soll ja möglichst 
nur ein Streufeld gemessen werden, das in die Erde hineinreicht. Auch 
die Leiterplatte selbst (das FR4) ist schon unerwünscht und verringert 
die Empfindlichkeit.

Georg

[Teo D. (teoderix)]

FLXN schrieb:
> Stichwort kammartig: Kann ich wenigstens dies Mittelstück GND-Plate
> entfernen, um bisschen Breite zu sparen (s. Bild), oder braucht es das
> auch für verbesserte Funktionalität?

Nein, jede Kapazität die direkt zwischen den Flächen entsteht, also ohne 
das Dielektrikum feuchte/trockene-Erde, verschlechtert das Verhalten.
Bei vielen solcher Sensoren, ist das Stück LP zwischen den Flächen 
herausgeschnitten. Sieht zwar nicht so aus, aber das bischen Erde mehr 
zwischen den Flächen, bringt schon eine merkliche Verbesserung. Hat auch 
weniger Einfluss auf die Verteilung der Feuchtigkeit und 
zerstörte/behindert das Wurzelweg weniger.
Wenn du die auch noch um 90° drehen könntest...... :)))

[FLXN (Gast)]

Georg schrieb:
> Jedes Stückchen GND verschlechtert die Funktion - es soll ja möglichst
> nur ein Streufeld gemessen werden, das in die Erde hineinreicht

Ok also die GND-Planes wenn möglich komplett von der Vorderseite (und 
Hinterseite??) entfernen? So wie im ersten Bild?

Teo D. schrieb:
> Nein, jede Kapazität die direkt zwischen den Flächen entsteht, also ohne
> das Dielektrikum feuchte/trockene-Erde, verschlechtert das Verhalten.
> Bei vielen solcher Sensoren, ist das Stück LP zwischen den Flächen
> herausgeschnitten. Sieht zwar nicht so aus, aber das bischen Erde mehr
> zwischen den Flächen, bringt schon eine merkliche Verbesserung.

Du meinst richtig so mit zwei separaten "Nadeln" wie im zweiten Bild?

[Georg (Gast)]

Teo D. schrieb:
> das bischen Erde mehr
> zwischen den Flächen, bringt schon eine merkliche Verbesserung

Nicht nur die Anwesenheit von Erde, sondern auch das Fehlen des 
LP-Materials, weil das eine viel höhere Dielektrizitätskonstante hat als 
die Erde (glaube ich jedenfalls), und daher die Messung verfälscht. Das 
lässt sich natürlich wegkalibrieren, aber auf Kosten der 
Empfindlichkeit.

Georg

[FLXN (Gast)]

Hab gerade noch eine Funktionsskizze von industriellen kapazitiven 
Näherungssensoren gefunden (s. Bild). Demnach scheint man die GND-Bahnen 
an den Seiten der Kondensatorflächen doch zu brauchen.

[Georg (Gast)]

FLXN schrieb:
> Demnach scheint man die GND-Bahnen
> an den Seiten der Kondensatorflächen doch zu brauchen.

Falsch hingeschaut. Das sind 2 Anschlüsse für die Elektroden, der in der 
Mitte und GND. Deine Schaltung hätte 3: 2 Anschlüsse von der Elektronik 
und GND. Hat nichts, aber auch garnichts miteinander zu tun.

Aber mach halt was in deinem Verständnis nötig ist, funktioniert schon 
irgendwie wenn auch schlechter als nötig. Sinnlos weiter drüber zu 
diskutieren, du siehst es ja sowieso nicht ein.

Georg

[FLXN (Gast)]

Danke an die übrigen tatsächlich hilfreichen Kommentare, hat mir sehr 
weitergeholfen :)

[FLXN (Gast)]

Hallo zusammen,

Ich habe zu dem Thema noch etwas Grundlagenforschung betrieben und dann 
einen bereits funktionierenden Sensor fertigen lassen. Für Alle, die mal 
eine ähnliche Frage haben, wollte ich meine Erkenntnisse teilen.
Um die ideale Form der Leiterbahnen zu bestimmen, habe ich einfach mal 
einen der gekauften kapazitiven Feuchtigkeitssensoren genommen und mit 
dem Dremel die Leiterbahnen verkleinert und geschaut, ob und wenn ja 
welchen Effekt das hat. Nach jeder Änderung an den Wirkflächen, habe ich 
wieder Feuchtigkeitsmessungen in reinem Wasser und feuchter Erde 
gemacht. Auch habe ich das ganze mit drei Sensoren wiederholt um 
Zufallseffekte auszuschließen.
Die Erkenntnisse waren nicht besonders überraschend, aber ich wollte das 
schwarz auf weiß haben:

1. Der Sensormesswert ändert sich erst, wenn ein Objekt sich direkt an 
der inneren Wirkfläche befindet. Wasserkontakt einzig an der äußeren 
GND-Schleife hat keinerlei Effekt.
2. Selbst wenn man eine Seite der äußeren GND-Schleife komplett entfernt 
und die innere Fläche auch noch halbiert, bleiben Messbereich und 
Reaktionsgeschwindigkeit auf Wasserkontakt komplett identisch (s. Foto).
3. Selbst wenn man die äußere Schleife komplett entfernt (s. Foto), 
fällt der Sensorwert bei Wasserkontakt noch ab, allerdings mit stark 
reduziertem Messbreich (Vorher ca. 180 - 550 nachher 420 - 570 vgl. 
reines Wasser/Luft).
4. Wasserkontakt auf der freien Rückseite des Sensors ist kaum messbar.
5. Wenn man Wirkflächen auf beiden Seiten des Sensors vorsieht (s. 
Foto), verkleinert sich der Messbereich leicht (vorher 200-550, nachher 
200-460). Dafür hat man auf beiden Seiten des Sensors die gleiche 
Empfindlichkeit. Muss dann jeder selbst entscheiden, was für die 
Anwendung am sinnvollsten ist.

Wenn man die durchs Schleifen entstandenen offenen Stellen mit Lack 
abdichtet, sind die Ergebnisse übrigens Identisch, also keinerlei 
Kurzschlusseffekte im Wasser.

Abschließend habe ich dann einen eigenen kompletten Feuchtigkeitssensor 
in China ätzen und bestücken lassen. Dieser hat zwei Kondensatorflächen, 
die in unterschiedliche Tiefe reichen und kammartig um eine GND-Schleife 
angeordnet sind (s. Screenshot). Die Tests haben ja gezeigt, dass nur 
Kontakt mit einer Seite der Kondensatorschleifen ein nennenswertes 
Messignal erzeugt, und so sind jetzt größere Teile der Sensorbreite als 
bei den Kaufteilen abgedeckt. Außerdem sind die Schleifen jeweils auf 
Ober- UND Unterseite vorgesehen. Der Messbereich (300-620) ist 
vergleichbar mit den quick-and-dirty gelöteten Testaufbauten. Ein 
Langzeittest im Pflanzentopf mit neuen und alten Sensoren sowie dem 
gelöteten Prototypen läuft bereits und sieht sehr vielversprechend aus.

Vielleicht hilft das ja dem ein oder anderen,

Viele Grüße,

Felix