Füllstandsmesser
„Waran“
von Günther Zöppel
Um den teuren Gebühren für die Trinkwasserentnahme zu
entgehen, nutzen wir für unsere Gartenbewässerung gesammeltes Regenwasser.
Dafür wurde ein Erdtank mit 2000 Liter Fassungsvermögen im Garten eingegraben.
Zur Ermittlung, wie viel Wasser denn nun vorrätig ist, musste immer der
gusseiserne Deckel des Tanks zwecks Sichtkontrolle angehoben werden. Dieser
Deckel mit einem gefühlten Gewicht von einem Zentner ist nichts
für zarte Frauenhände, noch dazu mit der nicht gerade hebefreundlich
gestalteten Öse, in welche höchstens 2 Finger passen, an denen dann das ganze
hängt. Eher als Training fürs Fingerhakeln geeignet – vermutlich hat ein Bayer
den Tankdeckel entwickelt. Kurzum – als
zuständiger Problemlöser erhielt ich von meiner besseren Hälfte daraufhin die
Order, mir doch was einfallen zu lassen, damit man ohne die Schwerstarbeit des
Deckelanhebens vorher weiß, ob die Gefahr besteht, dass die Förderpumpe
trockenläuft.
Es
sollte eine kostengünstige und technisch einfache Lösung
sein, die auch als alltagstauglich und robust eingeschätzt wird –
eben für Gartenpflegepersonal geeignet, welches sich nicht
erst durch –zig Bedienmenüs industriell
gefertigter Füllstandsmesser hangeln will.
Herausgekommen bei der praktischen Umsetzung dieser Gedanken
ist der „Waran“ – Wasser-Reservoir-Anzeige. Eine explizite Taufe erübrigt sich für das Ding, da
es ständig mit Wasser in Kontakt steht ;-)
Nach langfristigen Vorversuchen mit einer Vielzahl von
Sensoren (kapazitiv, optisch, Echolot-Ultraschall-Prinzip u.ä.), die sich alle
nach spätestens dem nächsten Wetterumschwung wegen Temperatur- und
Feuchteproblemen verabschiedeten oder zu kompliziert zu bedienen waren, bin ich
auf eine ziemlich einfache Lösung durch Ausnutzung der Leitfähigkeit des
Wassers gekommen. Der Aufbau der Sensoranlage erfolgte im Frühjahr 2014, und sie
tat bisher ihren Dienst ohne Mucken, also kann man meines Erachtens nun knapp 2
Jahre später von einer gewissen Alltagstauglichkeit sprechen.
Technische Beschreibung
In Vorversuchen wurde ermittelt, dass sich eine
Transistorstufe in Kollektorschaltung (hochohmiger Eingang) im Basiskreis durch
die Leitfähigkeit des Wassers so ansteuern lässt, dass ein für die Einschaltung
einer LED ausreichender Kollektorstrom fließt. Versuche mit
Darlington-Schaltungen erwiesen sich sogar als zu überempfindlich, da reichte
mitunter schon die Luftfeuchte, um den Aufbau durchzusteuern. Es wurde daher
pro Anzeigestufe nur ein Transistor eingesetzt, der durch einen
Basisvorwiderstand von 15 k noch etwas geschützt wird. In diversen Tests hielt
ich die beiden Elektroden in ca. 5m (!!) Abstand ins Wasser eines Teiches, und
die Anzeige erfolgte ohne Probleme. Hier ist ein Versuchsaufbau zu sehen,
woraus man einen Basisstrom von ca. 27,5µA für die Durchsteuerung des
zugeordneten Transistors ablesen kann. Bei einer Stromverstärkung von ca. 200
für diesen können also 200 x 27,5 µA = 5,5 mA Kollektorstrom fließen, und das
reicht der angeschlossenen LED, um erkennbar hell auch unter Tageslichtbedingungen
zu leuchten.
Ein
Blick zu Wikipedia wegen des spezifischen Widerstands für Reinstwasser (18,2
MΩcm) bestätigt
diese Tatsache. Mit dieser Größe kann man den Transistor noch problemlos
durchsteuern, außerdem wird dieser Wert von der Art des Wassers, je nach
Beimengung von Verunreinigungen („saurer Regen“) noch verringert, d.h. jede Art
von Wasser ist geeignet.
https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenschaften_des_Wassers#Spezifischer_Widerstand_und_elektrische_Leitf.C3.A4higkeit
Nach diesen erfolgreichen Tests wurde der Sensor für den
Erdtank konzipiert. Da der Tank ein liegender Zylinder ist, muss man die
Sensoren für die Ermittlung des Inhaltes entsprechend der Füllhöhe anordnen,
und die ist bei dieser Geometrie nicht gerade mathematisch einfach zu berechnen.
Wen es interessiert, sei auf https://de.wikipedia.org/wiki/Kreissegment
und
https://de.wikipedia.org/wiki/Zylinder_%28Geometrie%29
verwiesen.
Ich habe mir mit einem Näherungsverfahren geholfen : Es
sollten nur 10 Stufen des Füllstandes angezeigt werden (10…100 %), daher habe
ich ein durchsichtiges Schraubglas in Zylinderform genommen, 10 % der maximalen
Füllmenge Wasser eingefüllt, zugeschraubt, das Ding danach quergelegt und die
Höhe des Wasserstandes seitlich gemessen. So wurde in 10%-Schritten
fortgefahren, wobei sich für jeden Füllstand die entsprechenden Höhen ergaben.
Auf meine Verhältnisse proportional umgerechnet (1m Erdtank-Durchmesser), ergab
sich folgendes notwendiges Sensor-Layout :
Der Sensor wurde aus einem Meterstück eines 15mm x 15mm Aufputz-
Elektroinstallationskanals angefertigt. Das sich wachsartig anfühlende Material
dieser Kanäle hat den Vorteil, wasserabweisend zu sein, d.h. wenn der
Wasserstand im Tank sinkt, tropft das Wasser sofort ab und bildet keine
geschlossene Fläche mehr – anderenfalls würde die Anzeige ja bis zum Abtrocknen
weiterleuchten. Auch eventuelle Luftfeuchte, die sich auf dem Sensor
niederschlägt, bildet keine geschlossene Oberfläche, sodass der Sensor in
dieser Hinsicht sehr gut geeignet ist. Die Elektroden wurden aus
Edelstahl-Flachschrauben M4 (Edelstahl wegen Verrostungsverhinderung) mit
jeweils untergelegter Lötfahne gefertigt und in den Kanal eingeschraubt.
Nach erfolgter Verdrahtung (10 Adern Signal, 1 Ader Bezugspotential)
wurde der Sensor auf 1m Länge lückenlos mit Kerzenwachs ausgegossen, um
Wasserzugang nur zu den Schraubenoberflächen außerhalb zu haben und nicht den
gesamten Sensor zu „fluten“. Der Sensor wurde dann mit einer Aufputz-Installationsdose
verschraubt und in den Dom des Erdtanks motiert (siehe oben). Bis zur
Anzeige-Baugruppe, die in ein 85 x 55 x35 mm großes Plastegehäuse eingebaut
ist, führt ein unterirdisch in Plasterohr verlegtes Kabel mit einer
ausreichenden Anzahl von Adern. Mindestens 11 sind nötig, das ist der einzige
Nachteil meiner Lösung gegenüber fertig erhältlichen Geräten, lässt sich aber
verkraften. Das verwendete Kabel diente früher mal als Schnittstellenkabel,
hatte sogar ein störeinflussverhinderndes Abschirmgeflecht, welches am
Bezugspotential angeschlossen ist, und kam
kostenlos aus meiner Bastelkiste, wie die übrigen Bauteile der ganzen Anlage
auch – also kein finanzieller Aufwand! Die Anzeigebaugruppe wurde an der türnahen
Innenwand des nahe am Tank befindlichen Gewächshauses montiert (ca. 6m
Kabellänge) und kann dort gut zugänglich abgelesen werden. Dazu schaltet man
das Gerät einfach ein, die LED „Batt“ muss leuchten und signalisiert, ob der
9V-Block noch genügend „Saft“ hat, und liest den Füllstand ab. Alle LEDs bis
zum höchsten Wert leuchten (Prinzip Säulenanzeige), wobei die ersten 3 rot, die
mittleren 4 gelb und die oberen 3 grün gewählt wurden, um die „Gefahrenlage“
wie bei einer Verkehrsampel zu signalisieren.
Nach erfolgter Ablesung schaltet man das Ding wieder aus –
also eine ziemlich stromsparende Variante. Jedenfalls musste ich den 9V-Block
innerhalb der nunmehr fast 2 Jahre weilenden Betriebszeit noch nicht wechseln,
da das gut eingewiesene Bedienpersonal das Ausschalten noch nie vergessen hat ;-)
Lobender Kommentar der Nutzerin : „Wenn das doch bei allen
Deinen Projekten mit dem Nutzen und der einfachen Bedienung so wäre ...“ , aber
da bin ich mir keiner Sünde bewusst und außerdem ist das ja schon wieder ein
anderes Thema ;-)
Günther Zöppel
Pockau, November 2015
Beitrag zum Kalenderwettbewerb 2015/16 von B. Kainka
Die
Idee zu diesem Projekt wurde ursprünglich im Zusammenhang mit dem
IoT-Contest diskutiert. Wir haben dann überlegt, ob es die Bedingungen
des Wettbewerbs erfüllen würde und es lieber als eigenständiges Projekt
veröffentlicht. Inzwischen sind aber mehrere Beiträge an den Start
gegangen, die ebenfalls einen klaren Schwerpunkt auf die
Sensortechnik legen. Deshalb erscheint es richtig, den Waran für den
Wettbewerb zu nominieren. Mit den vorgegebenen Bauteilen kommt man aus,
wenn man nur zwei Kanäle mit dem IoT-Board verbindet, z.B. für 20% und
80%. Für die Anpassung der Spannungspegel kann ein Spannungsteiler
10k/10k verwendet werden, oder man versorgt den Waran gleich mit den 5
V vom IoT-Board.
Verbesserter Sensor für Füllstandsmesser „Waran“
Gelegentlich erreichten mich Anfragen zwecks Nachbau meines vor einiger
Zeit im Elektroniklabor veröffentlichten Füllstandsmessers „Waran“.
Viele Nachbauer hatten Probleme mit der Leitfähigkeit des Sensors. Das
empfohlene Material (Elektroinstallationskanal) ist offenbar neuerdings
etwas rauer an der Oberfläche, deshalb tropft bei sinkendem Wasserstand
das Restwasser nicht so schnell wie gewünscht ab und bildet zwischen
den einzelnen Sensorkontakten eine zwar hochohmige, aber
leitfähige Verbindung und bringt damit einige LED´s zum Leuchten, was
aber nicht dem tatsächlichen Wasserstand im Erdtank entspricht. Deshalb
habe ich mir ein neues Sensor-Layout überlegt, welches diesen Nachteil
nicht hat. Die einzelnen Sensorkontakte sollen jetzt freihängend
(ohne Trägermaterial) mit abgestuften Längen je nach gewünschter
Anzeige in das Wasser eintauchen. Sinkt der Wasserstand, liegt zwischen
den einzelnen nicht mehr eintauchenden Sensorkontakten nur die im
Erdtank befindliche Luft, und diese ist hochohmig genug, um die
nachgeschalteten Transistoren noch nicht aufzusteuern. Siehe dazu
folgende Skizze :
Die Stäbe sollten wie skizziert die prozentuale Wasserhöhe abtasten.
Sie müssten aus einem nichtrostenden Material bestehen (Edelstahl o.ä.)
und in der Elektroinstallationsdose ausreichend stabil befestigt
werden. Jeder Stab muß mit dem zugeordneten Transistor (Basiselektrode)
der Auswerteelektronik verbunden werden. Die technische Ausführung sei
jedem Nachbauer überlassen. Ich würde z.B, am oberen Ende ca. 1cm
Gewinde auf die Stäbe schneiden und mittels einiger Muttern und einer
Öse die Befestigung und den Kontakt herstellen. Es würde mich
interessieren, ob eventuelle Nachbauer mit dieser Sensorkonstruktion
Erfolge erzielt haben. Ich selbst sah bisher noch keine Notwendigkeit,
meinen Sensor umzubauen, da er seit 2013 seine Funktion erfüllt.
Günther Zöppel
Pockau, Juni 2020
Elektronik-Labor Bastelecke Projekte Notizen
