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4.3.2 SRWC Fülltsandssensor weiter entwickeln

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:

  • Multimeter in Einstellung "Ohm" an die Elektroden anschließen und diese ins Wasser tauchen.
  • Dann den Ohmverlauf beobachten.



Ich tauchte die Messleitungen also in Leitungswasser, stellte den Ohm-Messbereich ein und beobachtete das Messergebnis.


Ergebnis:
 
  • Der Ohmwert steigt ähnlich einer Kondensatorkurve an.
  • Bereits nach etwa 23 Sekunden hat sich der Messwert von ca. 1 M Ohm auf 2 M Ohm verdoppelt.
  • Man kann also sagen, dass die Elektroden (hier die Mess-Spitzen) sich irgendwie mit einer Schicht überziehen, oder aber mit Ionen auf der Oberflöche zugesetzt werden.
  • Es fließt ja ein kontinuierlicher gleichmäßiger und definierter Mess-Strom über die Mess-Spitzen durch das Wasser.
  • Es ist ein Gleichstrom.
  • Die Elektronden werden also offenbar elektrochemisch auf der Oberdfläche "angegriffen", bzw. "umgewandelt".


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:

  • Multimeter in Einstellung "Volt" an den Widerstand anschließen und die Elektroden ins Wasser tauchen.
  • Dann die Tendenz der Spannung beobachten.

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...

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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 diese Schaltung gesehen, oder etwa nicht ?

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.
Wenn man sich die Schaltung richtig konfiguriert, genügt auch ein dreiadriges Kabel zum Wassertank, so wie das hier erarbeitet ist:


"Das sieht aber aufgeräumt aus", rief Bine, als sie die Schaltung sah. "Das mag ich", raunte sie...
"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.
 
Hierzu wird eine Picaxe 18M wohl genügen, denn ich benötige nur drei weitere Potis um die Schaltschwellen später bequem ohne Programmieraufwand einstellen zu können.

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)

  1. Sensor 1 taucht ins Wasser
  2. Sensor 2 taucht zusätzlich ins Wasser
  3. Sensor 3 taucht zusätzlich ins Wasser
 
Wir sehen eine "Endfrequenz" von etwa 2 Hertz, wenn alle drei Sensoren ins Wasser tauchen. Klar, dass man diese Frequenz "controllerfreundlich" erhöhen kann, indem man kleinere Kondensatoren benutzt. Auch eine Mischung verschieden großer Kondensatoren ließe sich machen. Wenn ich also nun 1µF Kondensatoren benutzen würde, so müsste ich schon in eine Frequaenzregion kommen, bei der ich den "pulsin"-Befehl einer Picaxe nutzen könnte, um die drei Stufen zu detektieren ...

... 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 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 ...
 
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Vielen Dank für das Interesse,



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