Wasserstandsanzeige und andere Sensoren

Hallo zusammen,

als eine sinnvolle Anwendung für meinen ersten Mini habe ich eine Füllstandsanzeige für meinen Wohnwagen in Planung.
Was beim Wohnmobil Standard ist, fehlt meistens bei Wohnwagen.
Realisiert werden soll der Sensor aus einer Ansammlung von Drähten aus Edelstahl verschiedener Längen, die den Wasserstand gegen Masse detektieren sollen.
Die "Mechanik" ist nur technisch etwas anspruchsvoller und könnte mit weniger Sensoren auch gekauft werden.
Weil ich den "Kurzschluß" durch Wasser gegen Masse auswerte, denke ich an eher hochohmige Bedingungen.
Jedoch habe ich einige Meter (ca. 7m) vom Wassertank im Heck zur Auswertung vorne im Bugbereich
(nein, es ist kein Luxusliner mit 7m Länge , sondern es sind einige Meter kreuz und quer).

Langer Rede kurzer Sinn, folgendes Schaltschema mit einem OP-Amp 741:

< wie kann ich hier eine Grafik einfügen? > Schema siehe Anhang

Die Anordnung mit der Widerstandskette und den "Kurzschluß"-Schaltern ist aus einem Projekt abgekupfert...
Über die Größenordnung der Widerstandswerte muß ich noch mal intensiv in mich gehen.

Bevor der Tip kommt, dass der Mini damit etwas unterfordert ist:
ja, ich weiß... aber es warten noch weitere Aufgaben:
ein 4 zeiliges LC-Display zur Anzeige (funktioniert schon),
eine Anzeige, daß und wie lange schon die Gasversorgung auf die Reserveflasche umgeschaltet hat,
(relativ trivial: die Truma Triomatic liefert 1,9 V und 0,02V als Zustandsanzeige),
eine Sicherung, dass die Warmwasser-Therme noch ausreichend mit Wasser gefüllt ist und die Stromversorgung des Heizstabs ggf. blockiert wird (diese Aufgabe wird von der Sensorenseite deutlich anspruchsvoller...).

Zurück zum Wasserstand:
ist die Schaltung mit dem 741 als Spannungsfolger grundsätzlich in Ordnung?

Gruß
Manfred

Wasserstandsanzeige: Das funktioniert Dir nicht; der Widerstand von Wasser ist nicht 0 oder klein und darum funktioniert der Spannungstelier nicht.
Grüße Uwe

Da die Wasserstandsmessung oft gebraucht wird, wurde es bereits oft diskuriert.
Hier eine sehr grosse und ausführliche Diskussion welche ich hier gefunden habe:
http://www.mikrocontroller.net/topic/13998#94718

Denke nicht dass es "einfach so" möglich ist, den Wasserwiderstand zu messen.

Ich habe mal was mit einem Drucksensor gemacht, ist aber aufwändig wenn der Tank eine nicht-zylindrische Form hat, da der Druck bekanntlicherweise nur vom Höhenunterschied abhängt.

@Uwe:
auf eine gewisse Leitfähigkeit des Wassers bin ich schon angewiesen, stimmt.
Ich muß einfach praktisch erproben, was machbar ist.

Ansonsten bleiben mir nur metallische Sonden verschiedener Einbautiefen (wie die käuflichen Apparate), die zuerst an je einen CMOS-Eingang gehen (MOhm Eingangswiderstand) ... dann muß ich aber 6 oder mehr Sonden auf 3 Leitungen "herunter"kodieren, wenn ich nicht eine Unmenge Einzeladern durch den Wohnwagen ziehen will.
(oder einen Port-Expander --> I2C, wobei I2C auch in der Länge begrenzt ist... mmh...).

@gloeru
eine Widerstands-MESSUNG ist nicht der Kern meiner Vorstellung, sondern eine variable Spannung durch einen variable Spannungsteiler, der sich durch Wasser"Kurzschluß" ergibt... dafür braucht es aber eine nennenswerte Leitfähigkeit, wie Uwe völlig richtig bemerkt.

Manfred

Du bist nicht nur auf die Leitfähigkeit des Wassers angewiesen sondern auf eine konstante, hohe Leitfähigkeit damit das mit den Spannungsteiler funktioniert.
Alternativen:
Gewichtsmessung des Behälters ( ein bißchen utopisch )
Druckmessung der Wassersäule
Verschiedene Sensoren auf verschiedenen Höhen: Leitfähigkeit, Schwimmer mit Magnet und mehreren Reedkontakten, Optische Sensoren (mit Konus und Kontakt zu Wasser) Verschiedene Farbe des Plastikbehälters wenn Wasser oder Luft dahinter, Ultraschall am Boden um die Wasserhöhe zu messen oder von oben mit Ultraschalabstandsmesser; weiß nicht ob ein IR-abstandsmesser mit Wasseroberfläche funktioniert.. ...

Grüße Uwe

... weiß nicht ob ein IR-abstandsmesser mit Wasseroberfläche funktioniert.. ...

In einer ähnlichen Anwendung habe ich ein Plastikrohr verwendet. Damit der IR-Sensor mit der Wasseroberfläche zurechtkommt, habe ich eine kleinen Schwimmer (rundes Plättchen aus Kunststoff) eingebaut. Der Abstandssensor war oben am Rohr, oberhalb des Wassers montiert

moin,

so, ich habe meine Sensor-Lösung weiter verfolgt.

Herausgekommen ist untenstehende "experimentielle" Schaltung, die in etlichen Details durchaus diskussionswürdig ist
aber auf dem Steckbrett mit 5V Versorgung grundsätzlich funktioniert (ohne OP-Amp) hat.

Im Wesentlichen nutze ich die Empfindlichkeit eines CMOS-Eingangs.
Hier ist es ein 6x Inverter 4049, weil ich von dem einige mehr habe als vom Bruder 4050, der nicht-invertiert.
Die Eingänge ziehe ich hochohmig auf Plus, damit sie nicht frei "herumhängen" und die Ausgänge definierte Zustände nehmen.
Fürs Steckbrett habe ich aus meinen Beständen einfach alles genommen, was mit dritten Ring "in Grün" daherkam...
Nächste Experimente werde ich mit etwas um 1MOhm durchführen.

So, alle Ausgänge sind somit Nähe GND (Eingang = High), alle Ausgangs-Widerstände parallel auf GND gezogen.
Der Wassertank ist leer, alle Sensoren trocken.

Sobald der Pegel steigt, z.B. bis zur Mitte, werden die unteren 3 Sensoren gegen Masse kurzgeschlossen sein.
Somit werden R1, R2 und R3 von den jeweiligen Ausgängen auf Plus gezogen und bilden mit den verbleibenden R4 bis R6 einen Widerstandsteiler.
Bei vollem Tank sind alle Eingänge auf Masse, alle Ausgänge auf Plus, somit der Wert am Eingang des OP-Amp auf Plus.

Zum Schaltungsschema:
dargestellt habe ich nur 3 der notwendigen 6 Pullup-Widerstände,
(ich denke an ein 6er oder 8er Widerstandsarray, wenn es solche mit >1MOhm gibt).

Die 6 Inverter / nicht-Inverter 4049 / 4050 kann ich zwar aus der Bauteilliste auswählen, dargestellt wird aber nur eine Einheit, demzufolge haben alle 6 Inverter angeblich die gleichen Pin-Nummern - Pin3 (Eingang) und Pin2 (Ausgang) ist richtig für den ersten der sechs.

eine Gedankenhürde:
was ist, wenn alle 6 Sensoren entweder schalten (Tank voll) oder trocken sind (Tank leer)?
Dann sind alle Widerstände R1 - R6 auf Plus bzw. Masse, aber es gibt keinen Spannungsteiler mehr...
Was macht der OP-Amp mit diesem Zustand?

Und:
der 4049 kann zwar typ. 16mA bei 10V gegen Masse schalten / ableiten, aber nur 3,6mA liefern.
Ich muß bei der Auslegung der Widerstände mal genau rechnen...

Was haltet Ihr von der Schaltungsidee?

Gruß
Manfred

wassersensor2.png800×600 14.6 KB

Bevor wir über die Elektronik diskutieren, hast du mal mit Wasser versucht, ob du den nötigen Leitwert erhälst, bin da immernoch ein bisschen skeptisch, sorry...

hallo Gloeru,
(hast Du auch einen Taufnamen? )

siehe meinen Satz 3:
"...Aufbau funktioniert grundsätzlich..."
CMOS 4049 auf Steckbrett mit 5V Stromversorgung, 5 Eingänge mit Schaltdraht auf Masse, einen Eingang (Pin3) mit 47M an Masse,
Ausgang (Pin2) an Multimeter,
Eingang (der mit dem 47M gegen Masse) mit einem Steckdraht verbunden, (Ausgang steht auf knapp 5V), zweiten Steckdraht an Versorgung Plus, beide anderen Enden in ein Glas mit Wasser --> voila, Ausgang wechselt den Pegel!

Umbau:
Eingang mit 47M gegen Schaltung-Plus, also Pullup wie die Schaltung zeigt, "Gegenelektrode" an Masse, (Ausgang zeigt 0,02V),
beide, Eingangsfühlerdraht und Masseelektrode in das Glas Wasser tauchen --> Ausgang zeigt knapp 5V!

Das Wasser für diesen Versuch stammt original aus dem Tank (soll heißen, ich sitze gerade eben im Wohnwagen!), das Wasser enthält allerdings eine Spur (Krümel auf 45L) einer vermutlichen Silberverbindung zur Entkeimung, obwohl wir das Wasser nur zum Waschen und Spülen verwenden und nicht zum Kaffeekochen.
Werde den Aufbau noch einmal zuhause mit Wasser aus der Leitung mit "Wasser aus Kölle" wiederholen.

Gruß
Manfred

Ich werde immer neugieriger
Was passiert wenn die Elektroden so langsam aber sicher oxidieren oder galvanisch verändert werden ?
Dann würde sich sicher auch der zu messende Widerstand ändern. Langsam aber sicher ?

LG Micha

Hallo Micha,

MEINE Elektroden werden aus Edelstahl sein.
Ich habe aus dem Garten aus inzwischen verfaulten Beetumrandungen den Edelstahldraht gewonnen, absolute Topqualität nach über 15 Jahren !!
Hauptproblem dabei ist das Kontaktieren zur Schaltung, anlöten ist nicht möglich, allenfalls klemmen oder quetschen.
Werde irgendeinen Elektronikstecker mit Innen 1,5mm finden müssen oder Ösen drehen zum Verschrauben.

Die Widerstandswerte habe ich inzwischen durchgerechnet:
6 mal 100k ergeben Spannungsstufen von 1,51 / 3,3 / 5,0 / 6,6 und 8,3V bei 10V Versorgung.
Und der niedrigste Widerstandswert bei Reihen / Parallelschaltung beträgt 66KOhm (3 mal 100K an Plus, 3x 100k an Masse).

Gruß
Manfred

Ok Manfred,
wenn das Material der Elektroden tatsächlich beständig ist (Auch wenn es zu Messzwecken stromdurchflossen wird), ok.
Quetschen oder löten kannst du in der Tat vergessen. Irgendwelche Klemmen aus dem Baumarkt sollten da ok sein.

Ich muss nun los zum einkaufen und so weiter... Ich melde mich gerne später wieder. Das Thema wird interessant.

Gruß Micha

Ich hab da mal ein Schema aufgezeichnet, da mir der Text von Manfred doch etwas viel war und Bilder sagen mehr als Worte....
Eines vorneweg: Einen Opamp wirst du bei typisch leitfähigen Wassers nicht brauchen. Die Verunreinigungen sind vermutlich groß genug

Ich habe daher mal ein Schema gezeichenet. Es ist ein "Schnellschuss", daher bitte nicht ernster nehmen als es ist. Das Schema:

626×506 35.7 KB

Über diese Schaltung kann man sich vermutlich den Kopf zuerbrechen oder auch nicht. Ich habe dies mit folgenden Gedanken "gemalt": Was Passiert wenn... Wasserstände habe ich durchdacht, die Folgen überlegt u.s.w. Wie würde es sich auf den Spannungsteiler auswirken.

Die Widerstandswerte habe ich mal königlich geschätzt, in der Hoffnung die Werte mittels Software feststellen zu können.

Eines kann ich nun jedoch schon mit Sicherheit sagen: Die Messsonden müssen bis unten hin "dicht" isoliert werden. Grund: Die Oberfläche des Drahtes mindert den Widerstand bei steigendem Wasserstand.

Ich könnte diese Philosophie weitertreiben und sagen: Durch permanent anliegendem Meßstrom werden die Elektroden galvanisch verändert. Selbst wenn du, Manfred sagst, die Dinger waren 15 jahre im Erdreich vergraben... Stimmt schon, aber sie waren nicht stromdurchflossen. Nun ich bin gespannt welche Reaktionen auf meine Aussage folgen.

Letztenendes würde ich die ganze Geschichte mit einem Ultraschallsensor realisieren. Ich denke das ist einfach sicherer und zuverlässiger als sich mit Leitwerten des Wassers und sich verändernden stromdurchflossenen Elektroden die im "galvanischen Bad" hängen.

LG Micha

Nun ich bin gespannt welche Reaktionen auf meine Aussage folgen.

Ich kann leider keine 5k7-Widerstände in meinem Lager finden
Bei der Platzierung der Messsonden direkt im Flüssigkeitsbehälter habe ich irgendwie ein ungutes Gefühl.

Letztenendes würde ich die ganze Geschichte mit einem Ultraschallsensor realisieren

Das war auch mein Ansatz in einem Projekt. Ich habe statt dem Ultraschallsensor ein IR-Abstandsensor verwendet.

Das Projekt nimmt ja Form an... Denk daran, dass der Leitwert des Wassers auch stark von der Distanz Elektrode - GND abhängt. ("funktioniert grundsätzlich...")

Noch eine weitere Überlegung: Wenn Strom durch Wasser fliesst, kommt es zur Elektrolyse. Auch wenn du nur kleine Ströme durchs Wasser jagst, könnte da nicht auch Wasserstoff freigesetzt werden??

Naja @Webmeister, wie gesagt "königlich" geschätzt ... nehmen wir halt 4,7k
Das mit den Infrarotsensoren ist mir nicht entgangen, allerdings habe ich damit Null Erfahrung.

@gloeru, die Elektrolyse ist in der Tat vorhanden. Aber bei diesen geringen Strömen ist die Erzeugung von Wasserstoff eher zu vernachlässigen. Da müsste Manfred schon alle 2 Wochen Neue Elektroden einbringen, wenn der Strom so hoch wäre, weil diese eh zersetzt werden würden.

Mein Fazit: Entweder IR oder Ultraschall. Alles Andere wäre mit Kanonen auf Spatzen geschossen

Ich bin jetzt mal so frech, da ich in einem bekannten Autionshaus nach "Tankuhr" gesucht habe: Da gibt es auch solche Tankanzeigen, welche in Heizoeltanks verwendet werden. Das sind Schwimmer mit einem "Getriebe". Würde man den Zeiger duch eine codierte Scheibe abnehmen, könnte man sogar ziemlich genau den Füllstand ermitteln.

Hallo Micha,

richtig toll Deine Zeichnung, ich hätte das auch gerne gekonnt!

Aaaaber... diese Deine Zeichnung zeigt meinen ersten Ansatz zu Beginn des Threads!
DORT braucht es wirklich eine nennenswerte Leitfähigkeit des Wassers, weil der Widerstand direkt in die Widerstandsteilung eingeht.

Wenn Du meine Schaltung unten im Anhang betrachtest (ich kann die Zeichnung leider nicht direkt hier in den Text einbringen), wirst Du sehen, dass ich die "Sensorik" einem hochohmigen CMOS-Baustein überlasse - was nachgewiesener Weise funktioniert - und die deutlich niederohmige Spannungsteilerei überlasse ich den Ausgangstreibern in den Bausteinen.
Und deshalb ist auch das Prinzip der Spannungsteilung hier grundlegend geändert!

Bevor der Thread hier und jetzt eine Eigendynamik unter falschen Voraussetzungen erhält, bitte das Schema genau auswerten.
Danke!
Deine Darstellung der Fühler ist völlig richtig!

Bis gleich

Manfred

wassersensor2.png800×600 16.6 KB

BTW:
etliche Camping- und Wohnwagenausrüster bieten solche Füllstands-Meßeinrichtungen an - bestehend aus 4-5 Drahtfühlern verschiedener Länge am modifizierten Tankverschlussdeckel und einer getrennten Anzeigeeinheit an.

Mein Tank ist von quadratischer Bauart mit einer Höhe von Brutto 20cm, ich rechne erst einmal mit einer inneren Höhe von ca. 18cm, bis am Wochenende der Tank entleert ist und ich genau Maß nehmen kann.
Diese geringe Höhe hat mich zweifeln lassen, ob ich mit einem Ultraschallsensor aus Fernost, den ich beim bekannten Auktionshaus "beobachte", zurecht komme.
Seine Einsatzgrenzen liegen bei 2cm bis 500cm, es wird ein TTL-Signal mit wechselnder Frequenz abgegeben und der Preis ist sehr moderat.
Den Link liefere ich gleich mal nach.

Manfred

Edit: kein Link, aber eine Bezeichnung: Ultrasonic Wave Detector Ranging Module Distance Sensor
Preis 11,05 Euro incl. Versand

Hallo ManfredH , Hallo Realizer
wir können auch 5,6kOhm nehmen.
Auch ich tendiere zu einem Ultraschallsensor von oben. Und gegebenefalls einen optischen Sensor oder Schwimmer zur Anzeige eines Reservevolumens falls die andere Messung fehlschlägt. Es sit ja nicht schön vollig eingeseift zu erkennen, daß kein Wasser mehr kommen wird.
Ein Infrarotsensor könnte wegen des Kondenswassers nicht richtig funktionieren.

Zum galvanischen Veränderung der Elektroden.
Ein Ausweg: Kurze Meßzeiten und lange Pausen dazwischen.
Die Messung muß ja nicht alle 3 Sekunden gemacht werden. Wenn kein Wasserverbrauch da ist kann einen Messung alle x Stunden auch reichen. Ein Meßzyklus kann dann einige Sekunden dauern. Wenn ich mich richtig erinnere steht der Wassertank mit einer kleinen Luftpumpe unter Druck oder befindet er sich auf dem Dach?

Bei einem Drucklufttank hönntest Du die Messung mit dem Einschalten der Pumpe triggern; beim hochmontierten Tank durch einen kleine Flußsensor (Flußsensor zb Innovatek FlowMeter Rev.2 und Rev.3 für PCs mit Wasserkühlung). Auch würde ich die Messschaltung mit einem Ausschalter versehen sodaß die Messung bei Nichtbenutzung des Wohnwagens gestoppt werden kann.

Grüße Uwe

Bevor der Thread hier und jetzt eine Eigendynamik unter falschen Voraussetzungen erhält, bitte das Schema genau auswerten.
Danke!

Ich sage Danke, weil da habe ich wohl nicht sorgfältig durchgelesen.
Es stimmt. Je hochohmiger die Meßschaltung wird, desto weniger Einflüsse nehmen die Faktoren. Manfred, du hast die Schaltung aufgebaut und getestet ?

eine Gedankenhürde:
was ist, wenn alle 6 Sensoren entweder schalten (Tank voll) oder trocken sind (Tank leer)?
Dann sind alle Widerstände R1 - R6 auf Plus bzw. Masse, aber es gibt keinen Spannungsteiler mehr...
Was macht der OP-Amp mit diesem Zustand?

Du hast den Opamp doch als Impedanzwandler ausgelegt. Somit ergeben sich am Ausgang die Spannungen, die am Eingang anliegen. Dh. die Spannungen die du theoretisch errechnen kannst werden durch den Impedanzwandler ziemlich verlustfrei am Ausgang dargestellt.

Nach deiner Schaltung ist der Ausgang ohne Wasser high. Sollte sich mit steigendem Wasser Richtung low bewegen. Ich hoffe ich mach nun keinen Denkfehler. Allerdings hast du Inverter gewählt, damit die Situation umgekehrt. LOL - Probiers doch einfach aus, ich glaube es funktioniert ! Nachmessen kannst du ja immer noch

Und das mit den Bildern in den Text einfügen kann ich dir gerne mal als PM mitteilen. Obwohl das eigentlich schon wieder einen "sticky - Wie Bilder einfügen" im Forum wert wäre - nur so um allen anderen das Darstellen und Lesen der Threads vereinfacht.

Ich war zu oberflächlich im Lesen

Edit ohgott, ich komm mal wieder nicht nach, weil ständig das Telefon klingelt oder PMs eingehen