Zurück zum Menü 4 4.1.1.b Füllstandsensor weiter entwickeln Erstellt ab Januar 2010 |
Wir schreiben
inzwischen das Jahr 2010 und
das Regenwasser-Solar-WC-Projekt,
das
im
Jahre
1994
begonnen
wurde,
geht
nun
in das 16. Jahr. Es hatten sich ja zwei Schwimmerschalter ergeben, die ich in diesem Blog vorstellte. Diese Schwimmerschalter haben sich aber als unzuverlässig erwiesen, denn sie schwimmern über den Behälterrand hinweg und liegen dann auf dem Trockenen, wenn das Wasser wieder verbraucht wird. Um die Öffnung herum sieht man dunkle Erde und auf dieser kommen die Schwimmer dann zu liegen und simulieren einen Leerzustand, obwohl noch viel Wasser im Tank sein kann. Dadurch aber wird das Nachspeiseventil dauernd eingeschaltet, was dann als Fehler auftritt. Der eigentliche Fehler lag also in der Einbautiefe des Wassertanks, die etwas zu groß (zu tief) bemessen wurde. Blick in den Regenwassertank mit den bisherigen Schwimmerschaltern. Diese Konfiguration wurde am
29.05.2009 in Betrieb genommen.
Jetzt, am 03.01.2010 starte ich
ein neues Blog, in dem es nun darum gehen wird, einen Sensor zu
entwerfen, der Elektroden benutzt, denn die schwimmen ja bekanntlich
nicht auf der Wasseroberfläche herum und sollten sich somit auch
nicht am Behälterrand festsetzen können.
Dabei muss man aber einiges beachten: Wenn wir auf die Elektroden Gleichspannung und somit einen geringen Gleichstrom geben, so wird eine Elektrode unweigerlich von den im Wasser befindlichen Ionen und Salzen zugesetzt, oder gar völlig zersetzt und zerstört. Hierzu mache ich einmal eine kleine Demo-Messung mit einem Messgerät (Multimeter), das im Ohm-Messbereich läuft und an die Probelektroden einfach einmal angeschlossen wurde: Versuchsaufbau 1:
Ich tauchte die Messleitungen
also in Leitungswasser, stellte den Ohm-Messbereich ein und beobachtete
das Messergebnis.
Ergebnis:
Was kann also passieren, wenn wir diese Messanordnung jahrelang ins Wasser halten und mit Gleichtstrom bestromen ? --- Nun, eine oder beide Elektroden würden mit der Zeit zerfressen werden, bzw. würden sich mit einer dicken chemischen Schicht überziehen und das Messergebnis gefährden. Was
können
wir tun, um
diesen "Chemie-Angriff" auf unsere Elektroden zu vermeiden ?
Nun, wir müssen versuchen,
eine Anrodnung zu finden, die die Elektroden mit Wechselstrom bestromt.
Bei Wechselstrom ist es ja so, dass der Strom mal in die eine, und mal
in die andere Richtung fließt. Da kann man sich schon vorher
vorstellen, dass die chemischen Schichten und eine chemische Umsetzung
an einer oder beiden Elektroden vermieden wird, denn dieser chemische
Effekt wird ja periodisch immer umgekehrt. Die Chemie "wabbelt" also
lediglich zischen den Elektroden hin und her.
Jetzt stellt sich natürlich
die Frage: "Wie kann ich das basteltechnisch mit geringem
Aufwand aufbauen ?"
Nun gut, bevor wir also eine Schaltung stecken oder gar eine Platine löten, sollten wir einen Versuch "fahren", um unsere Vermutung zu bestätigen. Dazu schalten wir folgende
Bauteile zusammen und schließen das DMM-Oszilloskop entsprechend
an:
Versuchsaufbau 2:
Ok,
wir sehen hier also eine
leicht steigende Tendenz der Messwerte. Das kommt daher, dass wir den
vorherigen Versuch durchgeführt haben und die Elektroden also noch
ihren chemischen Überzug hatten.
Ich saß so vor der Tabelle und tippte auf der Tastatur, da klopfte es an der Werkstatt-Tür und Elektro-Bine trat ein. "Bine...", freut ich mich. "...besuchst Du mich auch mal wieder..." "Ja", sagte sie, "ich wollte
mal sehen, was Du so machst..."
Ich zeigte ihr, wie diese Seite werden sollte und sie sah mir über meine Schulter hinweg zu. Nach einer Weile fragte sie: "Warum hast Du da den Widerstand eingebaut ?". "Nun, die dort abfallende Spannung ist ja dem Stromfluss proportional. Also kann ich auch die Spannung an dem Reihenwiderstand messen ... ... hast Du das alles schon vergessen ?" Nun wurde Bine ein wenig böse: "Hast Du etwa vergessen, dass ich damals in der Berufsschule schwanger war, als das Thema durchgenommen wurde ?" Ich errötete. "Ja, äh, ach ja, stimmt..." Nach einer Weile: "Hast Du den Kerl noch einmal wiedergesehen ?". "Nö," meinte Bine, "auf den kann ich auch gut verzichten...". Ich fragte vorsichtig nach: "Wie alt ist denn der Kleine jetzt ?". Sie grinste frech:" 'Der Kleine' geht bald aus dem Haus, er hat dieses Jahr seinen Führerschein gemacht !" "Oh", sagte ich,"... die ...äh ... die Zeit vergeht, was ?". "Ja", sagte Bine, "Du hättest ruhig öfters mal auf einen Besuch vorgbeikommen können...". Ich blickte traurig zu Boden. "Ja, weißt Du", murmelte ich, "...ich bin doch immer auf Arbeit ...". "Ja, ja, die Schicht...", nickte Bine. Sie strich mit der Hand ein paar mal wohlwollend über meinen Rücken... "Wie ist es mit nächstem Sonntag ?". "Ja gern...", murmelte ich, den Blick auf die Tabelle gerichtet. "Hmmm..." sagte ich nach einer Weile, "... soll ich Dir noch einige Sachen erläutern ?" "Nö, ich stöbere hier nur mal so herum, vielleicht gehe ich in den Beruf zurück...", sagte Bine und stöberte ein wenig in meinen Schaltplänen und den Schaltungen herum, die verstreut auf der Werkbank lagen... "Naja, ich mache dann mal das Baublog weiter...", sagte ich zu ihr. "Ja, ja, mach' nur, lass' Dich durch mich nicht stören...", meinte sie... -----------------------------------------------------------------------------------------
Machen wir also weiter:
Wir sehen hier also in der
Tabelle, dass sich der Stromfluss etwas erhöht, bis der durch die
Stromhöhe erzeugte Spannungswert bei etwa 9,7 Millivolt stehen
bleibt. Das kann damit zusammenhängen, dass sich beim Versuch 1
mit dem Gleichstrom eine chemische Schicht auf den Mess-Spitzen
gebildet hatte, die nun wieder abgebaut wurde.
Wer mag, kann den Strom auch einmal berechnen, der da geflossen ist. Schließlich haben wir also gesehen, dass man die Elektroden also gut mit Wechselstrom betreiben kann, ohne dass sich chemische Überzüge oder übermäßige Korrodierungen bilden können. Jetzt
stellt
sich
aber
wirklich allmählich die Frage, mit welcher
Bastelschaltung man das am besten hinbekommt.
Wir benötigen also eine
Schaltung, die aus einer Batteriespannung oder der Gleichspannung eines
Steckernetzteiles die nötige Wechselspannung an den Elektroden
erzeugt.
Nun, da hatten wir doch auf dem
strippenstrolch.de diese Schaltung gesehen, oder etwa nicht ?
Wenn man sich die Schaltung richtig konfiguriert, genügt auch ein
dreiadriges Kabel zum Wassertank, so wie das hier erarbeitet ist:Nach macht nichts, kannst Du ja jetzt noch schnell überfliegen... Hier modifizieren wir mal die
Schaltung so, dass wir den Widerstand, der die Rückkopplung
besorgt, durch einen Eimer mit Wasser ersetzen. Wir sehen, dass sich
der Kondensator mal auflädt und mal entlädt und dass die LED
dabei blinken sollte, wenn wir die Elektroden in das Wasser tauchen. Da
sich der Kondensator je nach Status des Pin 3 auflädt oder
entlädt, erhalten wir an den Elektroden eine Wechselspannung, die
dann auch natürlich einen Wechselstrom im Wasser hervorruft.
Dadurch aber können sich
die Elektroden nicht mehr zusetzen.
So weit die Theorie.
In der Praxis haben sich die
Bauteilwerte zum Probieren schon gut bewährt. Wenn du also
beide Drähte in das Wasser tauchst, wird die LED anfangen zu
blinken, vorausgesetzt, du hast alles richtig zusammengebaut.
Jetzt kann es aber sein, dass
man mehrere verschiedene Füllstände detektieren möchte.
Auch dazu habe ich schon eine
Probeschaltung bereitgestellt:
Wenn wir jetzt nacheinander die Leitungen von C1, C2 und C3 in den Wassereinmer hängen, werden wir sehen, dass die LED jedesmal langsamer blinkt. Das kommt daher, dass jedesmal eine größere Kapazität im Spiel ist. Ich habe hier mal drei Sensoren mit einem "Masse-Sensor" gewählt, weil ich zu meinem Wassertank ein vieradriges Telefonkabel verlegt habe. "Das sieht aber aufgeräumt
aus", rief Bine, als sie die Schaltung sah. "Das mag ich", raunte sie...
Hierzu wird eine Picaxe 18M wohl genügen, denn ich benötige
nur drei weitere Potis um die Schaltschwellen später bequem ohne
Programmieraufwand einstellen zu können. "Ja", sagte ich, "das kommt noch besser". Wie wir also sehen, können
wir nahezu beliebig viele Sensoren anklemmen und über die
Größe der Kondensatoren können wir auch die
Grundfrequenz, sowie die weiteren Frequenzschritte einstellen,
die wir dann später auswerten wollen. Mit den 10µF
Kondensatoren ist es alles sehr schön mit bloßem Auge
ersichtlich. Wenn man beispielsweise 1µF Kondensatoren einsetzen
würde, so käme man schon auf eine Frequenz, die man sehr
schön mit einem µ-Controller auswerten könnte.
Genau das will ich hier dann auch einmal demonstrieren, denn ich benötige ja neue Fühler für meinen Regenwassertank. Aber hier erst einmal der Logikplan für meine drei Niveau-Höhen, die ich benötige: Nagut, da können wir ja jetzt die Picaxe "anflanschen" ... Für die, die das jetzt
nicht glauben, hier noch einmal eine Messung der Frequenz:
(Programm: QTDMM 0.8.12 auf Ubuntu 9.10 mit einem Voltkraft VC 820 DMM)
... nach dem harten Winter 2010, der mit reichlich Schneemassen "glänzte", öffnete ich also den Domdeckel des Wassertanks, schob zwei schweinsdicke Spinnen (wie haben die Biester bloß bei über minus 15 Grad Dauerfrost überlebt ?) beiseite, und siehe da ==> Der obere Schwimmerschalter
hatte sich in der 100 mm Zuflussöffnung verfangen und erzeugte so
also das Dauersignal, das das Magnetventil der Trinkwassernachspeisung
auf Dauerzufluss stellte.
"Ob ihn die beiden Spinnen dort
hin geschoben haben ... ?", murmelte ich noch verschmitzt ...
"Iiiihhh, hör auf !", rief Bine vom anderen Ende der Werkbank zu mir herüber. "Schon gut", sagte ich, "hier
sind überall Gitter vor. Da passen die nicht durch ...".
"... außerdem haben wir
hier doch diese dünnen Zitterspinnen."
"Die fressen die anderen auf ..." "Echt ?", meinte Bine. "Ja", sagte ich, "frag' mich mal, wie die das machen, weiß ich auch nicht, aber die sind teuflisch gut ..." "Nur mit den schwarzen Laufkäfern kommen sie nicht so ganz klar." "Ach", sagte Bine und kam näher. "Aber Kellerasseln und Silberfischchen nehmen sie gerne..." "Nun hör' schon auf", meinte Bine und fröstelte etwas. "Lass uns ein Käffchen schlürfen gehen ..." Dann gingen wir die Stiegen zum Wohnzimmer hinauf ... ... als ich Tage später
wieder im Bastelkeller
an kam, schrieb ich meine Sensor-Idee auf das Diskussionsboard. Dort
kamen wir auf eine noch bessere Idee:
Wie wäre es, wenn man den Kondensator veränderlich gestalten würde ? Wie müsste dann dieser Sensor aussehen ? Schon bald war die Lösung gefunden. Es wurde ein einfaches Lautsprecherkabel vorgeschlagen, das am Ende isoliert wird und dann einfach in das Wasser eintaucht. Der Kondensatorwert ändert sich dabei je nach Wasserstand, weil Wasser einen anderen Isolationswert hat als Luft. Stellen wir uns das so vor, als würden die Kondensatorplatten durch das zunehmende Wasser immer näher aneinander geschoben. Dabei erhöht sich der Kapazitätswert des Kondesators und die Frequenz der kleinen Schmitt-Trigger-Schaltung sinkt dadurch. Hier der Messert der Kapazität eines Lautsprecherkabels, das ich in Wasser eintauchte (wohl gemerkt: Die Enden dürfen natürlich nicht mit dem Wasser in Berührung kommen, sonst haben wir ja einen Widerstand in den Kondensator hineingebaut) ==> Zunächst liegt das 3 Meter
lange Lautsprecherkabel am Boden und hat eine Kapazität von etwa
1,7 nF. Dann habe ich es in einen Eimer mit Wasser eintauchen
lassen, was man an der aufsteigenden Kurve gut sehen kann. Im
eingetauchten Zustand hat es dann eine Kapazität von 2,3 nF.
Aha, man kann also solch ein
Kabel also irgendwie als Füllstatnds-Sensor verwenden.
Dazu steckte ich folgende
Schaltung auf ein Steckbrett:
Dort, wo rechts der Pfeil aus
der Schaltung herausführt, habe ich das DMM angeschlossen und im
Frequenzmessbereich laufen lassen. Dann habe ich den Versuch erneut
durchgeführt und das Kabel noch einmal in den Eimer mit Wasser
eintauchen lassen:
Wie wir hier sehen, hat die
Eintauchtiefe einen großen Einfluss auf die resultierende
Frequenz der Schaltung. Je tiefer ich das Kabel eintauchte,
desto geringer wurde die Frequenz des Multivibrators.
Hier dran könnte man nun eine Picaxe schalten und die Frequenz auswerten und damit dann Schaltvorgänge auslösen, wie z.B. das Magnetventil für die Trinkwassernachspeisung schalten. Gleichzeitig könnte man den Füllstand sogar analog per PWM auf ein kleines analoges Voltmeter ausgeben. Wir schreiben inzwischen den 08.05.2011 und ich habe noch einmal das Thema im Forum eröffnet: strippenstrolch.de
Forum
Interessant ist ja dabei, dass
die Kabeltemperatur/Wassertemperatur offenbar starken Einfluss auf die
entstehende Kondensatorkapazität hat. Wenn wir also wechselwarmes
Wasser detektieren wollen, so kann man diesen Fühler wohl eher
nicht gebrauchen.
Daher scheint mir dann diese
Version am besten geeignet zu sein:
Eingangs habe ich ja
erwähnt, dass der Schwimmerschalter am Einlaufrohr und am oberen
Behälterrand hängen bleiben kann. Zunächst habe ich also
erst einmal den "Bewegungsdrang" des Schwimmers eingedämmt, indem
ich ein Gewicht an das Kabel hängte:
Das funktioniert einwandfrei.
Waren jetzt diese ganzen elektronischen Überlegungen "für die Katz' " ? Nein, ich denke nicht, denn man lernt ja immer dazu ... ----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Vielen Dank für das Interesse, |
|