SMT50 vs. Vegetronix VH400

Vergleich

 

 

  

Überblick:

Der SMT50 und der VH00 sind kostengünstige Bodenfeuchtesensoren, die in der Bewässerungstechnik eingesetzt werden.

Beide Sensoren basieren auf dem FDR Prinzip (Frequency Domain Response), einem kapazitiven Messprinzip. Die Sensoren erzeugen ein elektrisches Wechselfeld um ihre Elektroden, das in den umliegenden Boden eindringt. Je höher der volumetrische Wassergehalt, desto höher ist die Dielektrizitätszahl des Bodens und damit die resultierende Gesamtkapazität zwischen den Elektroden.

Allerdings gibt es viele Unterschiede zwischen den beiden Sensoren. Dieser Bericht vergleicht die Sensoren und erklärt die technischen Unterschiede im Detail.

 

 

Vergleich der technischen Daten:

	SMT50	VH400
Versorgungsspannung	3,3 bis 30 VDC	3,5 bis 20 VDC
Stromverbrauch (gemessen bei 12 VDC)	2,7 mA	13 mA
Zeit bis stabiles Ausgangssignal verfügbar	300 ms	400 ms
Standard Kabellänge	10 m	2 m
Kabelmantel	Polyurethan (PUR)	Polyvinylchlorid (PVC)
Elektrodenlänge	95 mm	95 mm
Elektrodenbreite	21,5 mm	7 mm
Geeignet für 24V Systeme	✔	✘
Kompatibel mit 3.3 V Systemen wie ARDUINO	✔	✘
Verwendung von ungeschirmten Kabel möglich	✔	✘
Interne Temperaturkompensation	✔	✘
Integrierter Temperatursensor	✔	✘
Symmetrisches elektrisches Feld um den Sensor	✔	✘
Lineares Ausgangssignal für den Wassergehalt	✔	✘

Anschlussbelegung:

 

Ausgangssignale:

SMT50	VH400
	no temperature measurement

 

Stromverbrauch:

SMT50	VH400

 

Messvolumen und Empfindlichkeit

Beide Sensoren verwenden ein kapazitives Messprinzip. Dazu bilden zwei Elektroden einen Kondensator. Ein Teil des elektrischen Felds dringt in den umgebenden Boden ein. Die Gesamtkapazität zwischen den Elektroden hängt vom Wassergehalt im Boden ab. Eine elektronische Schaltung misst die Kapazität und berechnet daraus den Wassergehalt.

Die Empfindlichkeit eines Sensors und das Messvolumen ist wesentlich von der Elektrodengeometrie abhängig (Größe, Form und Abstand)

In der untenstehenden Tabelle sieht man ein Modell beider Sensoren mit der Querschnittsfläche senkrecht zu den Elektroden. Die Elektroden sind Kupferleiter in der grünen Leiterplatte. Der SMT50 hat größere Elektroden und mehr Abstand zwischen den Elektroden. Daraus ergibt sich ein größeres Streufeld und ein sehr guter Messeffekt bezüglich Wassergehaltsänderungen im Boden.

Der VH400 hat kleinere und eng beieinanderliegende Elektroden. Der Großteil des elektrischen Streufelds ist deshalb innerhalb der Leiterplatte und der Messeffekt bezüglich Bodenfeuchte geringer. Nur das Wasser nahe der Oberfläche des VH400 kann gemessen werden. Insbesondere in grobkörnigen Böden mit vielen Luftporen ist dieser Sensor nur eingeschränkt verwendbar.

Beide Sensoren wurden im Detail analysiert. Das berechnete elektrische Feld ist unterhalb der Modelle zu erkennen. Das größere Messvolumen des SMT50 führt zu einem besseren Mittelwert über inhomogene Böden.

 

SMT50	VH400

 

Analyse der Messsignale

Beide Sensoren erzeugen ein elektrisches Wechselfeld, das seine Polarität mit einer hohen Frequenz ändert. Allerdings gibt es einen Unterschied zwischen dem SMT50 und dem VH400 in der Art der Elektrodenansteuerung.

Der SMT50 erzeugt ein symmetrisches elektrisches Feld. Beide Elektroden werden aktiv angeregt und über die interne elektronische Schaltung ausgemessen. Diese Verschaltung garantiert ein symmetrisches Messvolumen um den Sensor. Darüber hinaus werden Störeffekte wie Streukapazitäten unterdrückt. Deshalb ist es auch möglich den Sensor mit einem ungeschirmten Kabel problemlos ohne Messfehler zu betreiben.

Der VH400 ist ein unsymmetrischer Sensor, der nur eine der beiden Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Felds verwendet. Die zweite Elektrode liegt intern fest auf Erdpotential. Aus diesem Grund ist das sich ergebende Messvolumen unsymmetrisch. Deshalb beeinflussen die Streukapazitäten der angeregten Elektrode gegenüber Erde die Messung. Dies kann man leicht überprüfen, in dem man den VH400 in den Boden steckt und das Kabel berührt oder bewegt. Das deshalb notwendige abgeschirmte Kabel kann diesen Störeffekt nur bedingt unterdrücken, so dass Messfehler auftreten. Ein unabgeschirmtes Kabel kann mit dem VH400 nicht verwendet werden.

 

SMT50	VH400

 

Temperaturdrift

Alle elektronischen Schaltungen unterliegen einer Temperaturdrift. Aus diesem Grund sollten elektronische Schaltungen mit einer Temperaturkompensation versehen werden.

Der Mikrocontroller im SMT50 erfasst die Umgebungstemperatur und verwendet einen speziellen Kompensationsalgorithmus, der die Temperaturdrift im Ausgangssignal stark minimiert.

Der VH400 hat keinen Temperatursensor und kann folglich auch keine Temperaturkompensation vornehmen. Dies führt zu einer erheblichen Störung des Messsignals in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.

Beide Sensoren wurden in einem Klimaschrank mit Temperaturzyklen zwischen 20°C und 70°C untersucht.

 

SMT50	VH400

Analyse des Ausgangssignals

Beide Sensoren verwenden ein hochfrequentes Messsignal, das in den Boden eindringt. Das Messsignal soll sich dabei nicht entlang der Zuleitung ausbreiten. Aus diesem Grund muss ein Sensor entweder so konstruiert sein, dass der Weg des Messsignals entlang der Zuleitung geblockt wird oder eine geschickte Signalerzeugung von vorneherein diesen Störeffekt verhindert.

Der SMT50 verwendet eine symmetrische Signalerzeugung mit bipolaren Signalen. Aufgrund der symmetrischen Elektrodenanordnung und der balancierten elektronischen Schaltung breitet sich das Messsignal nicht entlang der Zuleitung aus. Das Ausgangssignal zeigt deshalb auch keinen s.g. Ripple, der durch das hochfrequente Messsignal entstehen könnte.

Der VH400 verwendet eine unipolare unsymmetrische Elektrodenkonfiguration. Deshalb entsteht ein starkes Störsignal (Ripple) auf dem Ausgangssignal in der Zuleitung. Diese Rippel kann mit einem einfachen Multimeter nicht erfasst, jedoch mit einem Oszilloskop angezeigt werden. Die Ripplefrequenz (80 MHz) breite sich entlang der Zuleitung mit einer Amplitude von ungefähr 100 mV aus.

SMT50	VH400