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Füllstands-Regelung


Dieser Beitrag entstand in Vorbereitung des "Wasser-Projektes" am Gymnasium Neukloster vom 17. bis 19. September 2012.

Flyer Projekt-Flyer, PDF


Die Regelung des Füllstands in einem Vorratsbehälter kann auf verschiedene Art und Weise geschehen. Falls Leitungswasser, das immer unter Druck steht, verwendetSpülkasten wird, so kann die Füllstands-Regelung rein mechanisch und ohne weitere Hilfsenergie geschehen.

Fast jeder hat schon einmal in den Spülkasten des WCs geschaut. Hier wird deutlich, dass die gesamte Energie für den Regelprozessess aus der Energie des Wassers selbst stammt.

Anders sieht es aus, wenn das Wasser erst mittels einer Pumpe gefördert werden muss. Dazu wird heute meist elektrische Energie verwendet, so dass es nahe liegt, auch den Regelprozess elektrisch bzw. elektronisch zu bewerkstelligen.

Rein elektrische Systeme ohne Elektronik verwenden meist Schwimmer, die einen Schalter betätigen. Der Schalter setzt dann jeweils die Wasserpumpe in Gang, wenn der Wasserstand unter einen bestimmten Pegel fällt.

Eine sehr elegante elektronische Lösung nutzt nun den Effekt, dass Leitungswasser oder Süßwasser eine gewisse Leitfähigkeit besitzt.

Das Ziel des Aufbaus ist es, dass der obere Behälter zu Beginn automatisch mit Wasser befüllt wird, bis das untere Ende der rechten Messelektrode erreicht ist. Sobald Wasser entnommen wird (über den Hahn) soll die Pumpe erneut arbeiten und das Wasser automatisch nachfüllen.

 

Wasserstandsregler

ABER: Destilliertes Wasser kann nicht verwendet werden, da es ein hervorragender Isolator ist.

Das normale Trinkwasser aus dem Hahn besitzt einen Salz- und Mineralstoff-Gehalt, der dazu führt, dass es eine deutlich messbare Leitfähigkeit besitzt.

So enthält beispielsweise Regenwasser etwa 50 mg NaCl (Kochsalz) pro Liter.

Quelle: http://www.wasser-wiki.de

Andere Flüssigkeiten wie Benzin, Öl, Kerosin sind praktisch Isolatoren. Deshalb verwendet man auch Öle in Hochspannungs-Trafos, um einen Funkenüberschlag zu vermeiden. Gleichzeitig dient das Öl auch meist als Kühlmittel, da sich Transformatoren stark erwärmen.

Das bedeutet also, dass bei dieser Füllstands-Regelung kein destilliertes Wasser und auch keine Treibstoffe oder andere organische Flüssigkeiten verwendet werden können.


Erster (einfacher) Schaltungs-Entwurf

Wasserstandsregler

Zum Vergrößern bitte anklicken!

Verwendet werden Transistoren des Typs BC548B. Aber auch fast jeder andere npn-Transistortyp dürfte funktionieren, da die Transistoren im Schalterbetrieb arbeiten. Besondere Ansprüche an die Kennlinie oder Grenzfrequenz werden nicht gestellt. Lediglich der 100-k-Widerstand muss eventuell modifiziert werden, da dieser einen gewissen Einfluss auf die Messempfindlichkeit hat.

Diese supereinfache Schaltung nutzt vorerst nur die Mess-Elektrode B und funktioniert schon ganz ordentlich, wenn die aus dem Gefäß heraus fließende Wassermenge (in der oberen Handskizze ist ein Hahn zur Wasseren4 Elektrodentnahme eingezeichnet) größer ist als die über die Pumpe zufließende Wassermenge.

Ansonsten kann es passieren, dass der Motor der Pumpe ziemlich schnell hintereinander ein- und ausschaltet. Das verbraucht viel Energie und verkürzt die Lebensdauer der Pumpe enorm!

Im Grunde genommen ist diese simple Schaltung nur ein elektronischer AUS-Schalter.

Eine Verbesserung der Schaltung könnte z.B. darin bestehen, dass die bisher nicht genutzte Mess-Elektrode A ebenfalls verwendet wird. Damit könnte eine Externer Link Hysterese realisiert werden. Das heißt, dass beim Sinken des Wasserstandes nicht sofort losgepumpt wird, wenn Mess-Elektrode B trocken fällt. Die Pumpe würde also erst wieder einsetzen, wenn auch die Mess-Elektrode A trocken fällt.

Dies ist aber mit rein kombinatorischer Logik (UND, ODER, Negator) nicht mehr realisierbar. Hier muss dann ein zusätzlicher Speicherbaustein (Flipflop) verwendet werden.

Die Prinzipschaltung ist das Äquivalent bei der Verwendung von NAND-Gattern:

Schaltplan

Zum Vergrößern bitte anklicken!

Digitaltechnik braucht also nicht unbedingt Chips mit Logik-Gattern! Es geht auch alles mit diskreten Transistoren und Dioden!

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Letzte Änderung:
October 24. 2018 15:31:58
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