Füllstandsmesser „Waran“ 

von Günther Zöppel    
    
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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.


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