Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Problemlösungen und Hinweise von allgemeinem Interesse zur Haussteuerung mit HomeMatic

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funkleuchtturm
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Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von funkleuchtturm » 06.02.2014, 13:13

Auf meiner Homepage gibt´s hierzu evtl. weitere Informationen: http://www.stall.biz/?project=robuster- ... seneinsatz

... und hier gibt`s auch ein Update: viewtopic.php?f=31&t=38922

Ein Bodenfeuchtesensor wird normalerweise für die Steuerung der Bakonblumen-Bewässerung als auch für die Garten-Bewässerung eingesetzt.
Das Thema ist von der Sensorik recht anspruchsvoll, weil eine einfache ohmsche Widerstandsmessung mit Gleichstrom ungewollte elektrolytische Nebeneffekte erzeugt, die schnell zu einer Korrosion bis zur Auflösung der Messelektroden führt. Deshalb ist dieses Messverfahren mehr oder weniger ungeeignet!
Deutlich besser ist dagegen eine Messung mit Wechselspannung. Dabei wird der Scheinwiderstand als Maß für die Bodenfeuchte verwendet. Der Aufwand ist zwar größer, aber für die meisten Anwendungsfälle im privaten Umfeld ist dieses Messverfahren die erste Wahl.
Am genauesten sind aufwendige professionelle Messverfahren u.a. mit kleinen Hochfrequenzsendern, deren gedämpfte Ausstrahlung im Erdreich gemessen wird. Für den Hobbyanwender sicher zu aufwendig und zu teuer.
Für mich ist das Wechselstromverfahren in Verbindung mit einem umgebauten HM-Temperatursensor der Favorit, weil mit dem unten beschriebenen Messprinzip keine zusätzliche Stromversorgung (außer den im Temperatursensor vohandenen Batterien) notwendig ist.
Den Eigenbau eines ersten Bodenfeuchtesensors als Modifikation des "normalen" HM-Temperatursensors wurde bereits hier erläutert: http://homematic-forum.de/forum/viewtop ... te#p120763
Die praktischen Ergebnisse in den letzten 3 Monaten mit diesem Verfahren haben gezeigt, daß selbst eine modifizierte Gleichstrommessung gut funktioniert, wenn nur sehr kurzzeitig mit kleinem Tastverhältnis gearbeitet wird. Aufgrund der Bauart des HM-Temperatursensors wird nur alle 3 bis 4 Minuten für etwa 15ms der Sensorwiderstand gemessen. Dieses Tastverhältnis führt dementsprechend nur zu einer sehr geringen Korrosion. Das folgende Bild zeigt die als Elektroden verwendeten Edelstahl-Fahrradspeichen nach über 3 Monaten.
Folie1.JPG
Durch die starke Bildvergrösserung scheint die Korrosion stärker zu sein, als sie in Wirklichkeit ist. Damit könnte man einen Bodenfeuchtesensor aufbauen, der sicher einige Jahre hält.

Trotzdem wollte ich unbedingt den Gleichanteil in der Strommessung weghaben. Deshalb habe ich eine modifizierte neue Schaltung mit einem Trennelko aufgebaut.
Folie2.JPG
Durtch geeignete Auslegung der Zeitkonstanten der zusätzlichen 100kOhm-Widerstandes und des NV-Elkos kann eine Messung erfolgen, ohne dass ein Gleichstrom fließt. Dementsprechend erwarte ich auf diese Art und Weise keinerlei Restkorrosion mehr. Während des sehr kurzen 15ms-Messintervalls wirkt der Kondesator wie ein direkter Durchgang und behindert die Widerstandsmessung bzw. die Leitfähigkeitsmessung kaum. Dabei wird der Kondensator geringfügig aufgeladen. Während der dann folgenden langen Pause von etwa 4min bis zum nächsten Zyklus entlädt sich der Kondensator und macht mögliche elektrolytische Wirkungen wieder rückgängig. Dass diese Theorie auch funktioniert, habe ich durch mehrere Versuche erprobt.

Der praktische Aufbau ist simpel, weil nur der kleine Elko und der 100kOhm-Widerstand im Sensorgehäuse untergebracht werden müssen. Die Bilder erklären das sicher. Wichtig ist vorher mit einem Ohmmeter bei der zweipoligen Sensorleitung die Masse herauszumessen.
Man kann auch den Widerstand und den Elko direkt im Bodenfeuchtefühler integrieren, das ist letztlich "Geschmackssache".

Nun zum Bau des möglichst robusten Bodensensors. Denn er soll ja mechanisch stabil sein und auch möglichst wasserdicht oder zumindest wasserfest. Als Elektroden kommen wieder meine beliebten Edelstahl-Fahrradspeichen zum Einsatz. Ich verwende 2mm-Durchmesser. Als Griff und Halter werden zwei Korken verwendet ( möglichst Kunststoffkorken!). Im Abstand der Elektroden und der verwendeten Lüsterklemme sind entsprechende Bohrungen im Korken einzubringen. Die nachfolgenden Bilder verdeutlichen die Konstruktion
Folie3.JPG
Danach mit Schrumpfschlauch oder einem Rohr den Griff abdichten und fertig ist ein stabiler und hoffentlich wasserfester Bodenfeuchtesensor.
Wer will kann mit dem verfügbaren Differenztemperaturfühler einen 2-fach-Bodenfeuchtesensor aufbauen: einen Fühler ins Beet, einen Fühler in den Balkonkasten.
Dann kann der Sommer kommen :D

... ich übernehme natürlich keinerlei Haftung ... bla, bla,bla


Ergänzung 20.06.2015
Verwendung des Differenz-Temperatursensors HM-WDS30-OT2_SM

Da ich mehrere Bodenfeuchtesensoren einsetzen wollte, kam der relativ neue und preiswerte Differenz-Temperatursensor gerade richtig. Dieser enthält zwei Temperaturfühler, die im Prinzip genauso verschaltet sind wie beim alten einkanaligen Sensor.
Nachdem der Anschluß des Bodenfühlers nach dem obigen Rezept erfolgt war, funktionierte der Sensor dann nicht mehr, wenn die Elektroden Kurschluss hatten oder der Boden eine hohe Leitfähigkeit (viel zu feucht) hat. In diesem Fall wird der Kanal einfach nicht mehr abgetastet und ist quasi abgeschaltet. Die Ursache ist offensichtlich eine Softwareänderung beim Differenz-Temperatursensor, mit der die Temperatursignale auf Plausbilität geprüft werden. Im "Fehlerfall" geht die Temperatur dann auf 150°C.

Die Lösung ist relativ einfach, indem man den Kurzschluss der Elektroden elektrisch ausschließt. Mit einem Widerstand von 820Ohm in Reihe mit dem Elektrolytkondensator ist alles wieder gut !!

Hier ein Bild von der Modifikation des Differenz-Temperatursensors:
differenz_tempsensor.jpg
Man kann damit zwar auch zwei Bodenfeuchtesensoren herstellen, hier wurde aber der zweite Kanal für die wirkliche Temperaturmessung im Blumentopf neben dem Erdfeuchtesensor verwendet. So eröffnen sich dann Möglichkeiten, die stark temperaturabhängige Leitfähigkeit des Bodens ggf. herauszurechnen, um ein genaueres Signal zu erhalten.

Es gibt also noch Verbesserungsmöglichkeiten :)
Zuletzt geändert von funkleuchtturm am 14.09.2017, 11:55, insgesamt 5-mal geändert.
Viele Gruesse
Eugen
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baufuzzis
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Re: Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von baufuzzis » 16.03.2014, 17:56

Sehr gut, gefällt mir - ich glaub wenn meine Außenanlage und die Bewässerung steht, kommt sowas in Einsatz :-) danke für den Post!
327 Kanäle in 44 Geräten und 41 CUxD-Kanäle in 15 CUxD-Geräten / ArtDMX / 1wire -> LXCCU & iobroker
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mule
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Re: Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von mule » 17.03.2014, 12:19

Super, bin schon lange auf der Suche nach einer Lösung zur Bewässerungssteuerung (basiert heute nur auf Temperatur, Wind,Regenmenge und entsprechenden Zeiträumen). Viel lieber hätte ich aber eine derartige Feuchtemessung im EInsatz.

Wird in jedem Fall getestet!! Danke!
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Schimmelpilz
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Re: Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von Schimmelpilz » 13.04.2014, 16:26

Hi,
Ich hätte mal eine Frage:
Mein nach Deiner Anleitung umgebauter Sensor zeigt konstant 80 Grad an! Egal, ob die Sensorspitzen im Boden stecken oder im Gartenteich baden. Der kurze Messimpuls verursacht bei meinem Voltmeter einen kleinen, sehr kurzen aber sich deutlich vom "Grundrauschen" abhebenden Ausschlag.

Jemand eine Idee was da falsch ist?

Schöne Grüße
Stefan

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Re: Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von funkleuchtturm » 13.04.2014, 16:53

Schimmelpilz hat geschrieben:Mein nach Deiner Anleitung umgebauter Sensor zeigt konstant 80 Grad an! Egal, ob die Sensorspitzen im Boden stecken oder im Gartenteich baden
Da hast Du vermutlich irgendwo einen Kurzschluss in der Messleitung oder Zuführung. Kontrolliere die Schaltung und mach mit dem Ohmmeter einige Kontrollmessungen, dass alles richtig geschaltet ist.
Schimmelpilz hat geschrieben:Der kurze Messimpuls verursacht bei meinem Voltmeter einen kleinen, sehr kurzen aber sich deutlich vom "Grundrauschen" abhebenden Ausschlag.

Der Messimpuls ist eigentlich so kurz, dass Du m.E. nichts messen kannst. Zum Messen des Messimpulses benötigst Du ein Speicheroszilloskop, dass den alle paar Minuten auftretenden nur 13ms kurzen Impuls aufzeichnen kann.

Eventuell würde ich nochmal den ursprünglichen Temperatursensor wieder anlöten, um sicher zu sein, dass der Sensor funktioniert.

Der Bodenfeuchtesensor läuft bei mir seit Mitte Januar ohne Probleme.
Hier die Aufzeichnung des letzten Monats:
bodenfeuchteverlauf.jpg
Jedesmal wenn die Kurve steil nach oben geht wurde dei Pflanze gegossen. Bei dem im Scan sichtbaren einzelnen Peak nach unten wurde der Sensor eine Stunde aus dem Boden gezogen.
Die Welligkeit korrespondiert mit dem Temperaturverlauf in der Blumenerde: Offensichtlich ist die Leitfähigkeit auch geringfügig von der Temperatur abhängig.
Für die jetzt im Sommer geplante Steuerung der Wasserzuführung mitttels Schaltventil reicht die Aussagekraft des Signals völlig aus. Geschaltet wird, wenn die "Temperatur" kleiner -5C ist.
Viele Gruesse
Eugen
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Schimmelpilz
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Re: Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von Schimmelpilz » 13.04.2014, 21:44

Hi,
Vielen Dank!
Und es funktioniert doch! Ich hatte den Elko falsch eingelötet... Vielleicht hätte ich gleich genau hinschauen sollen :roll:

Folgende Werte bekomme ich:
Sensorfühler frei Au dem Tisch (=absolute Trockenheit): -27,7 Grad
Sensorfühler in einem Glas Leitungswasser (=viel zu feucht): um die +60 Grad
Sensorfühler zusammengehalten (=Kurzschluss): +80 Grad

Der korrekte Feuchtewert liegt also irgendwo zwischen -27,7 und +60 Grad. Das sind also knapp 90 Grad zum Einstellen/ Finden der richtigen Bodenfeuchte. Das ist für mich ganz klar genau genug!
Morgen stecke ich den Fühler mal in die Erde und bin gespannt was da rauskommt.

Tausend Dank nochmal für diese super Anleitung und die Hilfe!
Stefan

mfahs
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Re: Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von mfahs » 18.05.2014, 16:52

Hallo auch von mir!

Nachdem ich meine Bewässerung nun nebenfalls auf stabile Füße stellen wollte, habe ich mich auch an das Projekt "ich bastel mir 2 Feuchtesensoren mit Hilfe des Differenz-Temperatur-Sensors" gewagt. An alle, die das ebenfalls vorhaben: Der Bausatz ist echt kniffelig - das Kästchen, in dem das alles untergebracht werden muss, ist erstaunlich klein! Aber nachdem ich 2 Stunden für das Erst-Gefrickel und dann für Kontrolle, Fehlersuche und -behebung ebenfalls ca. 2 Stunden gebraucht habe, läuft es! (Natürlich funktionierte es nicht beim ersten Versuch :()

Ich muss jetzt nur noch sehen, welche Temperaturen für die Blumen in den beiden überwachten Beeten die richtigen sind. Aber das ist einfach nur Beobachtung und ordentliches Herumprobieren. Also nicht weiter kompliziert...

Ganz herzlichen Dank für diese wunderbare und wirklich auch für den Nicht-Elektrotechniker geeignete Anleitung!

Herzliche Grüße aus Hamburg,
Martin

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Re: Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von Schimmelpilz » 19.05.2014, 18:17

Hi,
Ich habe mittlerweile drei Feuchtesensoren im Einsatz. Dazu hebe ich einmal einen einfachen und einen Differenztemp. Sensor umgebaut. Die Abstände zwischen den Fühlern IST immer in etwa gleich.
Ich habe nun alle drei direkt Nebeneinander in die Erde gesteckt und erhalte drei gänzlich unterschiedliche Ergebnisse:

HM-WDS30-T-O: 32,7 Grad
HM-WDS30-OT2-SM: 41,0 Grad
HM-WDS30-OT2-SM: 39,1 Grad

Die Differenz zwischen den beiden Kanälen des HM-WDS30-OT2-SM ist für mich ok und geht als normale Messungenauigkeit in Ordnung. Aber die fast 10 Grad Differenz zum einfachen Temp.sensor überraschen mich. Ich beobachte jetzt mal ein paar Tage und schaue, ob die Differenz wenigstens halbwegs konstant ist.

Grüße
Stefan

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Re: Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von funkleuchtturm » 19.05.2014, 18:49

Schimmelpilz hat geschrieben:Ich habe nun alle drei direkt Nebeneinander in die Erde gesteckt und erhalte drei gänzlich unterschiedliche Ergebnisse:
Die interne Sensorbeschaltung ist lt. Schaltplan beim Einfach- und Doppel-Tempertatursensor gleich. Aber die Toleranzen der Leitfähigkeit im Boden sind schon sehr groß, so dass Du die Sensoren alle nebeneinander an verschiedenen Orten oder verschiedenen Pflanztöpfen mal einstecken solltest. Nur so könnte man feststellen, ob das ein systematischer Fehler ist.

Grundsätzlich könnte es aber schon sein, dass der Messimpuls beim Doppelsensor länger oder kürzer ist als beim Einfachsensor. Das habe ich noch nicht gemessen, da ich alle Versuche mit dem Einfach-Sensor gemacht habe. Wenn das so ist , dann sind nur die Werte mit dem gleichen Sensortyp vergleichbar! Ggf. muss dann die Schaltschwelle individuell in Abhängigkeit vom Sensortyp angepasst werden.
Bei mir läuft zur Zeit die Bewässerung so, dass nur morgens (wenn wegen der niedrigen Temperatur die Leitfähigkeit den Tiefstand hat)
in Abhängigkeit von der Höhe der Bodenfeuchte das Schaltventil für die Bewässerung ca. 10 Minuten eingeschaltet wird. Das funktioniert bis jetzt ganz ordentlich!
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Re: Robuster Bodenfeuchtesensor für den Ausseneinsatz

Beitrag von klassisch » 19.05.2014, 20:09

Kann man zum Vergleichen der 3 Sensoren nicht einfach einen (oder besser ein paar verschiedene nacheinander ) Widerstand nehmen ? Also ich meine so ein elektronisches Bauteil. Dann sieht man sehr schnell, ob die drei das gleiche anzeigen.

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