Kapazitiv wirkender Wassersensor

Entwicklung von Wolfgang Harwardt

18.02.2018

 

Nach einem Millionenschaden in dem Institut in dem ich vor rund 30 Jahren gearbeitet habe, dem jetzigen Ferdinand-Braun-Institut in Berlin wurde ich gefragt, ob ich eine Überwachungsanlage für Havarien bauen kann. Es ging dabei hauptsächlich um Wasserschäden. Eine Anfrage in verschiedenen DDR Instituten nach einem brauchbaren Wassersensor brachten kein Ergebnis. Sämtliche Angebotenen Sensoren hatten gravierende Nachteile. Ich habe daraufhin neben der Überwachungsanlage mit seriellem kurzschlußsicheren BUS mit extremen Störabstand auch einen kapazitiv wirkenden Wassersensor entwickelt, der inzwischen weiter entwickelt ist. Da ein Wechselspannungsfeld ausgewertet wird ist die sonst anzutreffende Kurzlebigkeit der Elektroden auch bei Dauereinsatz nicht mehr gegeben. Ein zerfressen oder verkrusten der Elektroden findet nicht statt. Das macht den Sensor auch im Zusammenhang mit Anwendungen für Tiere und Pflanzen möglich die der menschlichen Ernährung dienen sollen. Trotzdem habe ich als Elektrode Edelstahldraht verwendet, deren Enden ich zur Kontaktierung mit Silberhartlot versehen habe. Dadurch ist ein Lötanschluß möglich. In den ersten zwanzig Jahren nach dem Aufbau ist von dem Anlagenbetreiber nie ein Ausfall gemeldet worden. Seitdem habe ich keinen Kontakt mehr zu dem Institut, da ich meine letzten 11 Jahre bis zur Rente an einem Institut in Greifswald gearbeitet habe.

Hier drunter stelle ich die Schaltung vor. Sie ist inzwischen auf einer kleinen Leiterplatte mit der Abmessung 13x38 mm mit SMD-Bauteilen realisiert. Siehe auch das Foto des Musters.

Eine Weitere Entwicklung mit diesem Sensor aber drei Elektroden habe ich ungefähr 1996 auf einer kleinen Griechischen Insel zur Versorgung eines Wasserhochbehälters aus einer Zisterne aufgebaut. Es hielt den Wasserstand in dem 200L Hochbehälter je nach Elektrodeneintauchtiefe auf 5-10cm Konstant. Die Genauigkeit hängt von der Behältergröße ab. Je größer der Behälter ist um so genauer kann die Füllhöhe konstant gehalten werden. Die Anlage war mindestens 10 Jahre in Betrieb. Das Ferienhaus in dem ich sie aufgebaut habe ist inzwischen verkauft. Deshalb kann ich über ihren Zustand nichts mehr sagen.

Der Pegelunterschied von 5-10 cm ist nötig, damit die Pumpe nicht immer wieder anläuft sondern nach längerem Betrieb, Zeit hat abzukühlen. Der Anlaufstrom des wegen der ausschließlich nur zu Verfügung stehenden 12V, verwendeten Kollektormotors, ist bis zu zehnmal so groß wie der Dauerstrom. Ein ständiges Anlaufen führt zur Überhitzung des Motors.

Vereinfachte Funktion des Wasserwächters

 

Ein Generator aus einem Gatter des C-Mos Schaltkreises 4093 erzeugt eine Rechtecksignal, das mit einem weiteren Gatter gepuffert wird. Dieses Signal wird über einen 100nF Kondensator an die Sendeelektrode gelegt. Die Dioden sollen Überspannungen ableiten.

Über einen weiteren 100nF Kondensator wird das Sendesignal an das Empfängergatter gelegt. Das durch einen 100K Widerstand ansonsten auf GND liegt. An den zweiten Eingang des Gatters ist ebenfalls über einen 100nF Kondensator die Empfangselektrode angeschlossen. Wenn keine Verbindung durch Wasser zwischen den Elektroden besteht liegt der Eingang über einen weiteren 100 K Widerstand an Masse. Der Ausgang des Gatters ist deshalb im Ruhezustand High. Über den 1M Widerstand ist der 100nF Kondensator an den Eingängen des nächsten Gatters aufgeladen. Der Ausgang ist deshalb Low. Der Transistor BC847  sperrt. Der Optokoppler wird nicht angesprochen.

Werden die Elektroden durch eine Wasserbrücke verbunden, liegt an beiden Eingängen des Empfängergatters High und am Ausgang Low. Darüber wird der 100nF Kondensator am Eingang des Auswertegatters entladen. Der Ausgang dieses Gatters geht auf High und der BC847 schaltet den Strom über den Optokoppler ein. Der Transistor im Optokoppler schaltet den Ausgangstransistor BC807 durch und legt die 5V an den Ausgang.

In der Realität ist zur Vergrößerung der Sicherheit des Sensors noch ein DC-DC Wandler auf der Leiterplatte vorhanden, der aus den 5V Betriebsspannung am Sensor 12V macht die den 4093 versorgt. Im Prinzip kann der 5V Anschluß und der 12V Anschluß verbunden werden, wenn die Weiterverarbeitung 12V verträgt. Damit ist der Störabstand größer. Für viele Zwecke ist das warscheinlich nicht nötig wenn das System in Innenräumen genutzt wird. In Räumen in denen mit Frequenzumrichtern oder USV gearbeitet wird sollte immer der DC-DC Wandler vorgesehen werden. Er ist allerdings mit 6,-€ das teuerste Bauteil des Sensors der sonst mit Bestückung beim Selbstbau rund 2,-€ kostet.

Leiter und Bestückungsseite der Musterleiterplatte

Funktionsmuster

Niveauregler

Diese Variante des Niveaureglers ist zur Auswertung und Weiterverarbeitung an einem Microprozessor gedacht. Eine weitere Variante kann unabhängig über einen Leistungs-FETeine Pumpe steuern. Das ist für eine Balkonblumenbewässerung, eine Staubeetbewässerung sowie für die Aquaponik und Hydroponik Anwendungen gedacht. Davon will ich erst Leiterplatten fertigen lassen. Die Steuerung einer Pumpenanlage sollte auch eine Möglichkeit erlauben die Pumpenfunktion zu überwachen. Bei der weiter Oben besprochenen Pumpensteuerung auf der griechischen Insel Dounussa erfolgte das mit einem PIC über den der Motorstrom überwacht und bei Fehlerfeststellung und 9 Startversuchen ein Fehlersignal gezeigt wurde. Auch unter anderem der Arduino ist ideal für diesen Zweck geeignet.

Leiterplatte des Niveaureglers