Warum würde die Kapazität eines koplanaren PCB-Kondensators nicht mit Änderungen der Dielektrizitätskonstante in der Nähe übereinstimmen?

Hintergrund

Ich habe ein Stück doppelseitige Leiterplatte, die ich mit einem Kondensator zur Messung der Bodenfeuchtigkeit verwenden möchte (irgendwo zwischen 133 und 170 MHz).

Zwei Prototypenplatinen

Ich habe die "Zwei-Pin-Methode" zum Messen kleiner Kapazitäten auf dem Arduino verwendet (kalibriert gegen mehrere Werte von Keramikkondensatoren zwischen 2pF und 1nF).

Mit der isolierten Platte habe ich folgende Ergebnisse erhalten:

  • Luft: 62 pF
  • Handgriff: 26-27pF
  • 1/4 in Wasser eingetaucht: 48 pF
  • 1/2 in Wasser eingetaucht: 60 pF
  • Zu 3/4 in Wasser eingetaucht: 69 pF
  • Vollständig in Wasser eingetaucht: 97 pF

Fragen

Erstens, warum würde der Kapazitätswert anfänglich abnehmen , wenn die Dielektrizitätskonstante von 1 (Luft) auf > 1 (meine Hand und teilweise in Wasser eingetaucht) ging?

Zweitens, warum würde ich nur eine so kleine Änderung sehen, wenn die Platine von Luft (Dielektrizitätskonstante von 1) zu vollständig in Wasser eingetaucht (Dielektrizitätskonstante von 80) übergeht? Ich akzeptiere, dass die Leitungen von den Platinen einen gewissen Einfluss auf die Kapazität haben, aber ich bezweifle, dass sie genug Wirkung haben werden, um die Wirkung von Wasser zu überschwemmen.

Ich vermute, dass Ihre Messmethode fehlerhaft ist.
Die Dielektrizitätskonstante, die Sie für Wasser erwähnen, gilt für Wasser ohne Salze (mit anderen Worten destilliert). Gewöhnliches Leitungswasser ist definitiv nicht ohne Salze. Siehe diese Frage: chemistry.stackexchange.com/questions/16434/…
Okay, aus meinen alten Chemietagen ist Meerwasser ungefähr 0,6 molar, was aus dem Diagramm in dieser Antwort einer Konstante von 70 entsprechen würde. Wir haben definitiv kein Problem mit hartem Wasser, wo wir leben.
Ihre Hände sind ziemlich verlustbehaftet (resistiv), was sich auf die Messung auswirken wird (abhängig von der Messtechnik). Gleiches gilt für Salzwasser.
@BrianDrummond Wie könnte sich der spezifische Widerstand meiner Hände auf die isolierte Platine auswirken?
@Andyaka Ich habe keinen Zweifel, dass es bei der Verwendung des Arduino zur Durchführung von Zeitkonstantenmessungen eine gewisse Fehlerquote gibt, aber ich habe ziemlich genaue Messwerte mit Keramikkondensatoren zwischen 2 pF und 1 nF erhalten, daher vermute ich, dass das Problem mit der Platine zusammenhängt, nicht die Methode.
Sie wirken sich nicht auf die Platine aus, aber sie wirken sich auf elektrische Felder außerhalb der Platine aus - dh im Dielektrikum Ihres Sensorkondensators.
@BrianDrummond Das wusste ich nicht. Danke schön. Bedeutet das, dass das „ideale“ Dielektrikum einen hohen spezifischen Widerstand hat?
@talikarng Absolut. (Unendlich ist besser als hoch). (Beachten Sie, dass die Kapazität nicht wirklich abnimmt, der dielektrische Verlust verursacht Messfehler.)
@BrianDrummond Danke, ich habe etwas Neues gelernt

Antworten (2)

Ihre Dielektrizitätskonstante ist ungefähr ein geometrischer Durchschnitt der PCB- und Lötmaskenkonstanten und der des äußeren Mediums. Um die 80-fache Erhöhung zu sehen, benötigen Sie zwei parallele Platten, nicht nur parallele Spuren.

Ich glaube nicht, dass dieses Produkt so funktioniert. Es hat zwei parallele Spuren. Sie erhöhen die Kapazität, indem Sie eine dritte Platte (oder etwas anderes Leitfähiges) platzieren, die die beiden parallelen Spuren überbrückt und zwei Kondensatoren Rücken an Rücken bildet.
@HarrySvensson Leider sind parallele Platten keine Option, da diese Sonde in den Boden gehen wird. Ich glaube, dass ich mich auf die Randkapazität verlasse.
@talikarng Die zwei parallelen Spuren auf der Platine sind schon da, das hast du bekommen. Das ist nicht Teil der Option. Eine dritte Platte ist das Wasser oder etwas anderes wie Feuchtigkeit. Ich bin mir nicht sicher, ob es sich um eine "Randkapazität" handelt. - Wenn es so aussieht, als würde ich etwas sagen, das nicht zusammenpasst, besteht die Möglichkeit, dass ich missverstanden werde, was ich glaube, gerade passiert ist.
@HarrySvensson Jetzt verstehe ich, was du meinst. Danke schön.

Ich habe die "Zwei-Pin-Methode" zum Messen kleiner Kapazitäten auf dem Arduino verwendet (kalibriert gegen mehrere Werte von Keramikkondensatoren zwischen 2pF und 1nF).

Diese Messtechnik funktioniert möglicherweise gut zum Messen von Komponenten, die als Kondensatoren ausgelegt sind, aber zum Messen von Kapazitäten, bei denen die „Platten“ von verlustbehafteten Materialien mit unterschiedlicher Widerstandsleitung umgeben sind, wird Ihre Messmethode fehlerhaft.

Der Grund dafür ist, dass die Arduino-Zwei-Pin-Methode die Kapazität nicht wirklich misst; es misst ein Signal, das durch die Kapazität gedämpft und möglicherweise zeitverzögert wird, und das würde natürlich auch Widerstandsverluste im Material messen. Ihre Methode misst also nicht implizit die Kapazität; es misst Verluste im Dielektrikum des Kondensators.

Der bessere Weg besteht darin, den "Kondensator" in einen abgestimmten Schaltkreis mit einer Induktivität in typischerweise einem Colpitts-Oszillator wie diesem einzubauen: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Änderung der Schwingungsfrequenz ist eine viel bessere Möglichkeit, die Kapazität zu messen - sehen Sie, wo das Bild "Feineinstellung" zeigt - dort würden Sie Ihre Kondensatorplatten hinzufügen. Es ist ziemlich widerstandsfähig gegenüber Leitungsverlusten im Vergleich zu dem vereinfachten und fehlerhaften Messprinzip der 2-Pin-Arduino-Methode, die üblicherweise als "Kapazitätsmessgerät" bezeichnet wird.

Dieses Verfahren wird in mehreren industriellen Kapazitätssonden verwendet, bei denen Widerstands-/Leitungs-/Dielektrikumsverluste erheblich sind.

Siehe auch diese verwandte Frage und Antwort.

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