Ultrasonic Level Meter Page in English
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Vorwort

Im Folgenden beschreibe den Aufbau und die Program­mierung eines Füllstands-Messgeräts für meinen Wasser­speicher, einer zylindrischen Zisterne stehenden Aufbaus, also mit konstanter Wasser­oberfläche. Die Fläche ist 3 m², der Inhalt 6000 L (die Füllhöhe also folglich 2 m). In der aktuellen Firmware habe ich auch andere Geo­metrien implemen­tiert, konnte sie je­doch nicht testen. Falls Sie hier Schwierig­keiten haben, kon­takt­ieren Sie mich bitte.
Die Wahl der verwen­deten Bau­teile (insbe­sondere der Controller und OPs) erfolgte nicht nur nach opti­malen Eigen­schaften sondern auch danach, was in der Bastel­kiste vor­handen war.

Verwendung

Die vorliegende Schaltung wurde entwickelt zur Mes­sung des Füll­standes einer Regen­wasser-Zisterne. Sie besteht aus zwei Baugruppen, einem Ultraschall-Ent­fernungs­messer der in der Zis­terne montiert wird (im Folgenden schlicht als "Sensor" be­zeichnet) und einer Anzeige­einheit die beide mit einem Daten­kabel ver­bunden sind.

Methoden

Wie könnte man den Inhalt der Zisterne messen?

Ich habe mich in diesem Projekt für die Ultraschall-Laufzeitmessung entschieden. Sie ist relativ billig und sofern es tatsächlich gelingt, die Entfernung bis zur Wasseroberfläche zu messen (und nicht bis zur nächsten Steigstufe oder einem Schlauch oder einer Spinnwebe, die irgendwo herum hängt) ist sie relativ genau und kann insbesondere kurzfristige Änderungen mit Litergenauigkeit abbilden ohne dass Messauflösungen im ns-Breich oder darunter nötig sind.

Alle Methoden, die nur die Füllhöhe ermitteln, sind prinzipiell von der Zisternen-Geometrie abhängig.

Download

Auf der Download-Seite finden Sie alle Pro­jekt­dateien sowie einige andere Sachen, die Sie viel­leicht interes­sieren könn­ten (nein, keine Wer­bung!).

Die Bauteile im Schalt­plan sind aus­schließlich SMD-Typen (z.B. BC856), für den Laboraufbau habe ich natürlich die ent­sprech­enden be­drahteten Ver­sionen (BC556) ein­ge­setzt, die ge­nauso funk­tionieren.

Bevor Sie anfangen, mit der Schaltung Spaß zu haben, lesen Sie bitte auch den Abschnitt Si­cher­heit am Ende dieser Seite!

Zum Erstellen der Soft­ware be­nö­tigen Sie das kosten­lose Atmel AVR-Studio (vor­zugs­weise Version 6.1).

Werfen Sie auch einen Blick auf die Photos meines Prototypen, die vielleicht einige Fragen klären.

Für den ersten Prototyp (Version 1.0) ver­wendete ich einen ATmega162 für das Display, den ein­fachsten Controller mit zwei USARTs. Eine professionell gefertigte Leiter­platte war damals noch nicht ange­dacht. Die aktuelle Version 2.0 ver­wendet einen ATmega128, der viel mehr Möglich­keiten bietet, eine Menge mehr Gimmicks und Spaß erlaubt und dessen Mehr­kosten im Gesamtsystem nicht auffallen.

Sensor

Sensor

Der Sensor be­nutzt einen re­la­tiv kle­inen Con­trol­ler vom Typ ATtiny 2313. Um seine Kapa­zität nicht un­nötig zu for­dern ist die Firm­ware in Assemb­ler ge­hal­ten (schließ­lich wol­len wir auch das nicht ganz ver­gessen, oder?). Alle Be­rech­nungen wer­den in der An­zeige­einheit durchgeführt, die in C pro­gram­miert ist. Auch die Ver­sorgungs­span­nung des Sensors wird von dieser fern­geschaltet. Energie­verbrauch ist da­her nur am Rande ein Thema da er nur solange einge­schaltet ist wie er auch wirklich "ar­beiten" muss (in der ak­tuellen Version maximal 10 s pro Minute).

Das bedeutet aber auch, dass er sich keine Werte im RAM merken kann. Alles was er dauer­haft wissen muss ist folglich im EEPROM abgelegt. Bis zum ak­tuellen Soft­ware­stand muss er sich glücklicher­weise *nichts* merken.

Anzeige

Display

Die Anzeige­einheit ver­wendet einen ATmega128 mit eben­falls 3.6864 MHz. Dieser wurde gewählt weil er zwei serielle Schnitt­stellen hat, eine zur Mess­ein­heit und eine zu einem PC (RS232) oder zu einem even­tu­ellen Home-Bus (RS485). Ab Version 2.0 ist auch ein Bluetooth-Modul vor­ge­sehen. Als Baudrate wurde 9600 Baud gewählt. Diese ist zwei­fel­los aus­rei­chend für die Messung des Wasser­standes einmal pro Minute aber auch für weitere denk­bare Aufgaben, etwa der Ab­frage von Strom- oder Was­ser­zählern oder dem Schal­ten von be­lie­bigen Ver­brau­chern, aber dies ist eine an­dere Ge­schichte...

Bootloader

Ein Bootloader wurde imple­men­tiert um die Firm­ware des Sen­sors vom Dis­play aus up­daten zu kön­nen.

Leistungsaufnahme

Ein Hinweis zur Leistungs­aufnahme des Systems sei an dieser Stelle erlaubt:

Durch die Ver­wen­dung eines Schalt­reglers konnte die Ver­lust­leis­tung des Con­trol­lers samt Hinter­leuch­tung des Dis­plays erheb­lich ge­senkt wer­den (ver­glichen mit Linear­reglern à la 78xx). Ein Ab­senken der Controller-Versor­gung auf 3.3 V könnte dann nochmal etwas Leis­tung ein­sparen. Je­doch be­nö­tigt das ver­wendete Dis­play zwingend 5 V. Ins­gesamt kommt das System damit jedoch (selbst mit per­ma­nen­ter LCD-Hinter­leuchtung) auch so noch immer nicht über die magische 2 W-Marke des Conrad-Energy­meters hinaus.

Mit einem anderen, bil­ligen Leistungs­mess­gerät (wirk­lich zuver­läs­sige stehen mir lei­der nicht zur Ver­fü­gung) wurden folgende Daten ermit­telt, die jedoch ziem­lich plau­sibel klin­gen:

Leerlauf: Sensor aus, ohne Be­leuch­tung1.5 W
Während der Messung, Beleuchtung aus2.0 W
Mit Beleuch­tung 100%, Sensor aus2.9 W

Pro Jahr entspricht dies etwa 13 kWh oder €3,30 (bei 25 Cent/kWh), permanente Beleuchtung verdoppelt in etwa diesen Wert.

Ein Taster wurde eingeplant um die Hinter­leuch­tung des Dis­plays nur bei Bedarf zu akti­vieren. (Ein langer Tasten­druck erlaubt die Um­schal­tung zwi­schen per­manen­ter und akuter Hinter­leuchtung). Zusätz­lich erlaubt er das rasche Durchschalten der An­zeige und die Anzeige von Wer­ten die, man­gels Rele­vanz, sonst nicht auf dem Dis­play er­schei­nen.

Überraschen mag der hohe Ver­brauch der RS485-Schnitt­stellen. Wenn beide Sende­treiber einge­schal­tet sind und knapp 5 V in die mit 2x120 Ω ter­mi­nier­ten Lei­tungen trei­ben sind das je­weils 83 mA pro Lei­tung oder gut 0.8 W (etwa so viel wie die Hinter­leuch­tung des Dis­plays!).

Bei kurzen Leitungen und ohne oder mit nur kurzen Stich­leitungen kann man auch auf die Termi­nierung verzichten. Im Zwei­fels­falle hilft auspro­bieren... Sehen Sie auch hier.

Was den Wirkungsgrad des DC/DC-Konverters betrifft habe ich etwa 77% gemessen (bei externer Einspeisung von 15 V= und einer Last von 500 mA an 5 V). Das ist kein außerordentlich guter Wert aber für einen betagten Regler ohne Synchron­gleich­richtung durch­aus akzeptabel. 2 W Nutzleistung verursachen grob 0.6 W Verluste was pro­blem­los ohne Kühl­körper machbar ist.

Praxis

Erste Versuche im Labor haben gezeigt, dass auch relativ kleine und "glatte" Objekte (etwa der eigene Arm, Vorhänge am Fenster oder die Knick­gelenke eines Meter­stabes, obwohl fast paral­lel zur Schall­richtung) Reflexionen erzeugen die weiter entfernte Ob­jekte über­lagern. Das Echo eines kleinen Fingers in 40 cm Entfernung ist eben genauso real wie das der Wasser­oberfläche in 3 m Entfernung und lässt sich schwer davon unterscheiden. Umso beein­druckender waren die ersten Mes­sungen in der Zisterne, als ich liter­weise(!) die Wasser­entnahme ver­folgen konnte. Es bleibt ab­zu­war­ten, wie bei nied­rigem Wasser­stand Objekte inner­halb der Zisterne (etwa die Steig­stufen oder der Saug­schlauch) die Mes­sung stören werden. Die er­sten Ver­suche stimmen mich zuver­sicht­lich.

In­zwi­schen hat sich gezeigt, dass auch die fast leere Zi­ster­ne noch kor­rekt ver­messen wird.

Probleme

Spinnen. Spinnen können zum Problem werden. Nach ca. einem Jahr störungs­freiem Be­trieb zeig­te das Dis­play plötz­lich nur noch "Haus­num­mern".
Es zeigte sich, dass der Sen­sor in einem Spin­nen­netz von der Größe des Zis­ter­nen­deckels ver­schwun­den war. Selbst die Be­festigungs­schnur war ein­seitig ge­ris­sen (im Spin­nen­netz, mit seltsam brau­nen Enden). Eine schwar­ze Mon­ster­spin­ne saß am Rand des Zis­ternen­deckels. Ich ken­ne mich mit Spin­nen­mimik nicht so gut aus aber ich denke es war ein ver­le­genes Grin­sen... Nun, viel mehr konnte sie mir auch nicht mehr er­zäh­len...

Feuchtigkeit ist das nächste Problem. Obwohl der Sensor noch einwand­frei funk­tioniert (also keine Feuchtig­keit einge­drungen sein dürfte) war er (im Sep­tember) außen komp­lett nass und alle Eisen­schrauben waren stark verrostet. Die aufsteigende Feuchtig­keit des (zumindest im Winter) relativ warmen Zis­ter­nen­was­sers ist dafür ver­ant­wortlich. Also für alle der Um­gebung aus­gesetz­ten Schrauben, Be­festigungs­haken oder -Seilen un­bedingt Edel­stahl oder Nylon verwenden.

Die Ultraschall­sender und -Empfänger sehen auch nicht mehr neu­wertig aus aber funk­tionieren noch im­mer pro­blem­los.

Sicherheit

Isolation

Das Display wird direkt mit 230 V~ ver­sorgt. Tren­nen Sie die Netz­ver­sor­gung all­po­lig bevor Sie an der Schal­tung ar­bei­ten. Hal­ten Sie in Ihrem Lay­out genug Iso­la­tions­abstand zwischen der Pri­mär- und der Se­kundär­seite des Transfor­mators und den damit ver­bun­denen Tei­len (mindes­tens 8 mm). Wenn Sie sich für die fer­ti­gen Lei­ter­platten ent­schei­den habe ich das für Sie getan. Für Ver­suche an der Schal­tung, verwenden Sie nicht 230 V als Ver­sor­gung son­dern speisen Sie (15..30) V= di­rekt nach dem Gleich­rich­ter aus ei­ner si­cheren Quel­le ein (also über TP2/TP4).

Sicherungen

Der Trans­for­ma­tor ist nicht kurz­schluß­fest. Um alle Vor­schrif­ten einzu­hal­ten, der Her­stel­ler hat mir dies auf Nach­frage be­stä­tigt, muss er sowohl primär- als auch se­kundär­sei­tig abge­sichert wer­den. Die se­kun­däre Si­cher­ung ist auf dem Trafo an­ge­ge­ben und muss 250 mAT sein. Sie stellt sicher, dass der Trafo auch bei Über­last ge­schützt ist. Als primär­seitige Sicherung habe ich 100mAT ge­wählt. Sie schützt gegen Feh­ler im Trafo und 'fliegt' bei einem Kurz­schluß in der Pri­mär­wick­lung. Setzen Sie hier unbe­dingt eine Si­cher­ung mit Lösch­mittel­fül­lung (un­durch­sich­tig, mit Sand­fül­lung) ein da diese ein erheb­lich hö­heres Ab­schalt­ver­mögen auf­wei­sen. Wäh­rend nor­male (durch­sichtige) Glas­si­cherungen nur 35A Ab­schal­ten kön­nen (bei höheren Kurz­schluss­strö­men kann ein Licht­bo­gen ent­stehen der nicht von selbst ver­löscht und die Si­cherung da­mit über­brückt) liegt das Ab­schalt­ver­mögen lösch­mit­tel­gefül­lter Si­cher­ungen bei typisch 1500 A. Bei einem di­rekten Kurz­schluss zwi­schen Phase und Neutral­leiter (so unwahr­schein­lich er auch schei­nen mag) muss man locker mit ei­nigen 100 A rech­nen!

Copyright

Die Schaltung und die Software wurden von Grund auf von mir entwickelt und ich be­an­spruche da­für das Copy­right. Ich ver­öf­fent­liche den Schalt­plan un­ter der FDL und die Sourcen un­ter der GPL. (ab­wei­chende Li­zen­zen auf An­frage.)

Vereinfacht heißt das, Sie können die Schal­tung und die Soft­ware beliebig nutzen und weiter Ver­breiten, unent­gelt­lich oder gegen Ent­gelt, so­lange Sie mich als Ur­heber aus­wei­sen und even­tuelle Än­derungen als die Ihren kennt­lich machen. Außer­dem müssen Sie Schal­tung und Soft­ware wie Sie sie ver­wenden weiter­hin frei und im Quell­code öffentlich zu­gänglich machen.

Die Bilder der Formeln wurden mit latex2png erzeugt.

Bezugsquellen

Die verwendeten Bauteile sind prin­zipiell nichts unge­wöhnliches und Sie kön­nen sie bei di­ver­sen Händ­lern be­ziehen. Allerdings ver­mut­lich nicht al­le bei einem. Ver­sand­kosten und Minder­mengen­zu­schlä­ge kön­nen mö­glicher­weise den Wert ein­zelner Be­stel­lungen über­stei­gen. Ich habe viele Bau­teile bei Reichelt be­stellt, der Rest war ein­fach bei uns im La­ger.

In der Stück­liste habe ich für je­des Bau­teil einen Di­stri­butor samt Be­stell­num­mer ange­geben. Es mag nicht unbe­dingt der bil­ligste sein aber es ist zu­min­dest ein An­fangs­wert.

Mein Ar­beit­geber, die Bär Industrie-Elektronik GmbH hat sich freund­licher­weise bereit erklärt, die un­bestückten Leiter­platten oder wahl­weise die kom­plett be­stückten und geprüften Bau­grup­pen samt unbe­arbeiteten Ge­häusen zur Ver­fügung zu stel­len. Hier der Link: Usdist Bau­satz
In­zwischen ist auch si­cher, das Ge­häuse des Dis­plays wird von Heiden­reich profes­sionell be­arbei­tet, Sie müs­sen also das Dis­play nicht selbst aus­sägen!
Die ersten bearbei­teten Ge­häuse sind auch schon einge­trof­fen und passen per­fekt.
Die Firma Heiden­reich hat sich hier sehr ko­operativ gezeigt und die Fer­ti­gung der Serie mit mini­malen Ini­tial­kosten auch bei ge­ringen Stück­zahlen ermög­licht.

Bitte be­achten Sie auch hier, es han­delt sich um ein Hobby­projekt. Ga­ran­tie er­streckt sich nur auf die Funk­tion der Bau­grup­pen, nicht auf die Ver­wend­bar­keit in einem speziel­len An­wen­dungs­fall, die auch ich Ihnen lei­der nicht ga­ran­tieren kann.

Ich freue mich auf Rück­meldungen, kon­struk­tive Kri­tik und Ver­bes­serungs­vorschläge, kann Ihnen je­doch leider nur Sup­port gewähren soweit es meine Frei­zeit er­laubt. Bitte haben Sie dafür Ver­ständnis! Ich tue was ich kann.