Schaltungstipp System zum Messen der relativen Luftfeuchte

In diesem Tipp stellen wir ein kontaktloses kapazitives System zur Messung der relativen Luftfeuchte vor. Einsatzgebiete finden sich in industriellen und medizinischen Anwendungen wie Klimaanlagen, Schaltschränke oder Inkubatoren.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die Schaltung in Bild 1 zeigt ein kontaktloses, kapazitives System zur Messung der relativen Feuchte (RH) für den Bereich von 0% bis 100% RH mit einer Genauigkeit von 2% über den gesamten Messbereich. Die Schaltung ist für den Einsatz in Klimaanlagen, Schaltschränken, Inkubatoren und anderen industriellen und medizinischen Anwendungen geeignet.

Grundlegendes Messprinzip der Schaltung

Der AD7745 ist ein Baustein, der Kapazitäten misst (CDC – Capacitance to Digital Converter, Kapazitäts-/Digital-Wandler) und diese digital ausgibt. Da die Kapazität eines Plattenkondensators mit Gleichung 1 beschrieben wird, eignet sich dieser Baustein in Kombination mit einem Sensor vom Typ P14-W gut für die Feuchtemessung.

Beim Sensor sind die Fläche und der Abstand der Kondensatorplatten konstant, ebenso die elektrische Feldkonstante. Die Kapazitätsänderung erfolgt durch die Permittivitätszahl (Wasser hat bei 20°C etwa 80, trockene Luft etwa 1), die größer wird, je mehr Feuchte im Sensor vorhanden ist. Die Kapazität des Sensors liegt laut Datenblatt zwischen etwa 140 pF bei 0% relativer Feuchte und 170 pF bei 100% relativer Feuchte.

Da der Betrag der relativen (Luft-)Feuchte temperaturabhängig ist, kann der im AD7745 integrierte Temperatursensor zur Kalibration und Korrektur der Messwerte dienen.

Funktionsbeschreibung der Schaltung

Der AD7745 besteht im Wesentlichen aus einem 24 Bit Sigma-Delta-Modulator mit digitalem Filter und serieller Schnittstelle, einer mit 32 kHz getakteten Spannungsquelle, einer Referenzspannungsquelle, einem Multiplexer sowie zwei D/A-Wandlern mit einer Auflösung von 7 Bit zur Einstellung des aktiven Messbereichs. Der AD7745 misst nun die externe Kapazität mit einer getakteten Schaltung nach dem Prinzip des Ladungsausgleichs.

Da die Ladung proportional zum Produkt von Spannung und Kapazität ist, kann die externe Kapazität bestimmt werden, da die Erregerspannung(U_Excs) sowie die interne Vergleichskapazität (C_Ref) und die Referenzspannung (U_Ref) bekannt sind. Die externe Kapazität wird nun ständig geladen und entladen, dabei wird die Spannung an C_SENS ständig gewandelt.

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