Sensor: Wasserstandsensor

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Autor: Thomas Miska
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

In dieser Artikel werden folgenden Punkte abgearbeitet:

Auswahl eines Primärsensors

Signalverarbeitung

Bewertung der Sensordaten

Inbetriebnahme des Wasserstandsensor K-0135 der Firma Hoya.

Einleitung

Für einen Wasserstand Messung benötigt man einen Sensor, welcher in der Lage ist den Wasserpegel möglichst genau zu messen.
Hierzu wird der Wasserstandsensor (Allgemeine Sensorbezeichnung: K-0135) verwendet.

Technische Übersicht

Eigenschaft	Daten
Betriebsspannung	5V (DC)
Betriebsstrom:	< 20mA
Schnittellen:	3
Sensortyp:	Analog
Ausgangsspannung des Signals:	0 ~ 4,2V
Betriebstemperatur:	10°C ~ 30°C
Produktabmessung:	65mm x 20mm x 8mm

Funktionsweise

Der Sensor ermittelt mithilfe eines Verstärkerschaltkreises, bestehend aus einem Transistor mit mehrere kammförmige Antennen auf der Platine, den ungefähr geschätzten Wasserstand.
Sobald der Sensor ins Wasser getaucht wird, fungieren die Antennen als Widerstand, der abhängig von der tauchtiefe des Sensor ist.
Durch den erbrachten Widerstandswert lässt sich der Pegelstand errechnen und wird anschließend in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Der Sensor kann sowohl Digital, als auch Analog angeschlossen werden.
Eine Digitale Messung ermöglicht es die Rückmeldung, ob Wasser an dem Sensor anliegt.
Die Analoge Messung sendet den aktuellen Wasserstand bzw. die Wassermenge zurück.

Equipment

Verwendete Software

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurde folgenden Software verwendet:

Arduino Software IDE 1.8.1
Fritzing
Tortoise SVN

Verwendete Komponente

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurde folgenden Komponente eingesetzt:

Wasserstandsensor K-0135
Arduino UNO R3 (Elegoo Edition)

Messkette

Primärsensor

Der Primärsensor ist das K-0135. Trifft Wasser auf die Antennen des Moduls entsteht ein Widerstand. Durch diesen Widerstand lässt sich der Wasserstand ermitteln.

Verstärker

Der Sensor besitzt ein Verstärkerschaltkreis bestehend aus einem Transistor mit mehreren kammförmig verteilten Antennen.

Analog-Digital Umsetzer

Der Sensor besitzt kein integrierten A/D-Wandler.

Bussystem

Für den Sensor wird kein Bussystem benötigt.

Digitale Signalverarbeitung

Das Ausgangssignal entsteht die Veränderung der Spannung, die mit dem Widerstand der Antennen einhergeht. Diese Messung wird auch als Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder Konduktivmessung bezeichnet.

Bewertung der Sensordaten

Die Widerstandswerte des Wasserstandsensors werden im Sensor bereits berechnet, sodass mit den Werten eine Wasserstandhöhe ermittelt werden kann. Mit einem PC und ein Arduino-Mikrocontroller kann man diese Werte auslesen.

Hardwareaufbau

Datenblätter

Datenblatt des Sensors: K-0135

Schaltplan

Steckplatine

Signalverarbeitung

Da der Sensor bereits korrekte Werte ausgibt ist eine Kennlinie nicht nötig. Die Werte müssen jedoch in eine Maßeinheit umgerechnet werden. Im Falle der Umwandlung in mm reicht es die Werte durch 10 zu teilen.

Wasserstandmessung

Der Wasserstand wird durch den analogen Eingang erfasst. Anhand mehreren durchgeführten Tests hat sich rausgestellt, dass das Modul Änderung in mm Bereich erkennen kann. Diese sind jedoch schwierig zu bewerten, da mehreren Faktoren Einfluss auf die Messung haben.

Einfluss des Einbauwinkels auf die Messung

Je nach nachdem wie der Sensor eingebaut ist, kann die Wasserstandhöhe nicht genau ermittelt werden. Deshalb ist es notwendig, dass das Modul 90° zum Boden ausgerichtet ist.

Restliches Wasser

Sobald der Wasserstand abrupt sinkt, bleibt eine gewisse Menge Wasser auf den Antennen über dem Wasserspiegel. Durch diesen Einfluss ist das sofortige auswerten der Messwerte bei schnellen Veränderung nur bedingt möglich.

Umgang mit der Messunsicherheit

Um Messunsicherheit zu vermeiden, sollte man folgendes beachten:

den Sensor exakt ausrichten (90°)
Messwerte verzögert bewerten
Die Messwerte mit geeigneter Referenz überprüfen

Arduino Quelltext

void loop()
{
    /*---------------------------------*/
    /* Sensorwerte einlesen            */
    /*---------------------------------*/
    int value = analogRead(0);

    /*---------------------------------*/
    /* Ausgabe (mm)                    */
    /*---------------------------------*/
    Serial.println(value/10); 
}

Bewertung des Sensors

Vorteile

Schnelle Messung
Berührungslose Messung
Einfache Bauweise
Geringe Leistungsaufnahme
Schnelle Reaktionszeit (Messunsicherheit beachten)
Geringe Platzbedarf
Kostengünstig
Flexibel einsetzbar

Nachteile

Einbauwinkel ausschlaggebend
Restwasser auf dem Bauteil
geringer Messbereich
keine exakte Bestimmung des Wasserstands möglich

Gesamtfazit

Der Wasserstandsensor ist ein kostengünstiges Modul für kleine Projekte. Reicht der Messbereich aus und sind die Messunsicherheiten zu vernachlässigen, ist der Sensor ein hervorragendes Modul um den Wasserstand zu ermitteln. Mögliche Anwendungsgebiete für den Sensor: Wetterstation, Bewässerungsanlage für Pflanzen, Wassermelder.

Lernerfolg

Für den Auswahl des Sensor wurde ein Sensor gewählt welcher sich bereits im Besitz befand, jedoch noch keiner Beachtung geschenkt wurde. Mit diesem Projekt konnte man sich nun mit dem Sensor befassen und anderes als man es sonst tut, sich viel mehr mit dem Sensor befasst. So werden Messunsicherheiten entdeckt, welche bei der Recherche nicht erwähnt wurden. Während der Vorlesung Sensortechnik, konnte man ein Zusammenhang finden, wie dieser Sensor funktioniert.

YouTube Video

Wasserstandsensor K-0135

Schwierigkeitsgrad

( ** )

Quellenverzeichnis