Einfacher kapazitiver Füllstands-sensor.

Kanister voll? Oder noch eine Woche Zeit? Das ist meine entscheidende Frage. Doch zunächst einmal von Anfang an.
In meiner Kellerwerkstatt habe ich ein Feuchtigkeitsproblem. Durch mein Kellerabteil führen die Heizungsrohre nicht hindurch, die Horizontalsperrschicht ist ab Fußboden auf etwa 1,20m Höhe und die Wände sind bis zur Sperre feucht. Der Keller ist ein Gewölbekeller, bis auf die Kellertüre hat der Raum keine Öffnungen. Die Luft steht, die Wände geben Feuchtigkeit ab.

Kurzum, die Luftfeuchte ist wie im Tropenhaus, das Werkzeug hat die idealen Bedingungen gemächlich in Rost zu verfallen. Dem muss abgeholfen haben. Deshalb habe ich eine Luftentfeuchter aufgestellt, der die Luftfeuchte nun auf erträgliche 80% begrenzt. Seitdem gammeln auch die eingelagerten Pappkartons nicht mehr. Um diesen Zustand zu erhalten hat der Luftentfeuchter nun ca. 25% Einschaltdauer, am Anfang waren es 100%.. also 1 € Strom am Tag..

Der Luftentfeuchter hat einen Wasserauffangbehälter, der jedoch nur 2,3 Liter fasst. Zum Glück ist auch noch ein Schlauchanschluß drann. Also bekam der Möller einen erhöhten Standort, das Wasser fange ich nun in einem 30L Kanister auf. Das klappt ganz gut, ich gewinne im Moment etwa 8 Liter Wasser pro Woche. Dass heißt andererseits, nach spätestens 4 Wochen läuft der Kübel über und macht Sauerei im Keller. Da kommt nun mein Plan: Ich brauche eine Fernanzeige, an der ich den Füllstand des Behälters ablesen kann, ohne immer in den Keller gehen zu müssen. Besonders wichtig ist mir, zu erfahren ob noch genug Platz für eine weitere Woche Betrieb im Kanister ist, oder ob die nächste Leerung bereits überfällig ist.

Es gibt nun ein paar einfache Möglichkeiten den Füllstand zu detektieren, da wären Neigungsschalter in einem Schwimmer, Lichtschranke und Schaurohr mit einem Schwimmer im Rohr, Metallelektroden die ins Wasser reichen... Aber das alles hat einen Nachteil: ich bekomme keine analoge Anzeige, sondern weiß nur ob der Füllstand über oder unter einem bestimmten Niveau liegt. Man könnte nun eine ganze Menge der Sensoren im Kanister positionieren, jedoch das auch eine Menge aufwand. Außerdem möchte ich mit möglichst wenigen Drähten zum signalisieren des Füllstands auskommen. Und noch etwas darf nicht vergessen werden: Ich will dass es blinkt und leuchtet! :-)

Daher kam mir die Idee, einen kapazitiven Füllstandssensor zu bauen. Das Funktionsprinzip ist einfach: Zwei isolierte Drähte oder Platten werden in den Kanister gesenkt, so dass sie vom minimalen bis zum maximalen Füllstand reichen. Zwischen den beiden parallelen Drähten besteht eine Kapazität, im Grunde ist es ein einfacher Plattenkondensator. Die Kapazität dieses Kondensators ist neben der Plattenfläche und dem Plattenabstand (Drahtabstand) abhängig von einer weiteren große: Dem Material des Dielektrikums, also des Stoffs zwischen den Platten. Referenz ist hier Luft, Luft hat eine Dielektrizitätskennzahl von 1. Fast alle anderen Materialien haben höhere Kennzahlen, Wasser nach meinem Tafelwerk eine Dielektrizitätskennzahl von 81. Das bedeutet, die Kondensatorkapazität beträgt das 81fache, wenn der Sensor komplett unter Wasser ist, verglichen mit Luft als Dielektrikum, also dem Fühler im Trockenen.

Das ist eine Differzenz, die ausreichend sein sollte zur Detektion. Soviel zur Theorie. In wirklichkeit ist die Kapazitätsänderung natürlich geringer, da die Drähte ja auch befestigt werden müssen. Und die Befestigung erhöht ja auch die Kapazität. Ich habe mich für dünnes Elektro-installationsrohr zum Befestigen der Leiter entschieden. Der Einfachheit halber habe ich 2x0,75mm² Lautsprecherlitze für beide "Platten" verwendet, die war gerade vorhanden. Die Isolation bleibt drann, die Adern werden parallel geschaltet und die Enden mit Heißkleber oder noch besser 2K Epox isoliert. Unten und oben am Rohr muss freilich eine Öffnung bleiben, damit das Wasser den Luftraum im Rohr einnehmen kann, wenn der Füllstand steigt.

So, nun haben wir den Salat. Ein veränderlicher Kondensator muss ausgemessen werden. Das kann man auf verschiedene Arten tuen. Ich habe zu diesem Problem in fingers Forum den Tipp bekommen, die Wechselstromdurchlässigkeit des Kondensators auszunutzen. Je größer die Kapazität, desto mehr Energie wird durch den Kondensator übertragen, wenn man Wechselspannung anlegt. Bei gleichbleibender Frequenz müsste man also z.B. nur mit einem Drehspulinstrument den Stromfluss überwachen. Ich bin dann aber noch auf ein anderes Messprinzip gestoßen. Schlüsselrolle übernimmt der altbekannte Timer-Baustein NE555. Das ist ein billiges kleines IC welches schon Jahrzehntelang auf dem Markt ist. Man findet es auch als doppelte Version auf alten Gameport-karten in der Computertechnik (NE556).

Kurzum - ein typisches Bastelkistenbauteil. Den Baustein kann man mit verschiedenen Außenbeschaltungen einsetzen, zum Beispiel als Taktgenerator (astabil) oder als einfache Zeitschaltung. In allen Fällen werden die Schaltzeiten durch ein oder zwei Widerstände und einen Kondensator beeinflusst. Als Zeitkonstante dient die Ladezeit und Entladezeit des Kondensators. Wenn man nun an die Zeitschaltung (monostabil, also quasi wie ein abschaltverzögertes Relais) statt einem festen Kondensator nun den veränderlichen Sensorkondensator anschließt, erhält man also nach Auslösung der Baugruppe eine Einschaltzeit, die abhängig von der Kondensatorkapazität ist. Je größer doe Kapazität, desto länger bleibt der Schalter eingeschaltet.

Natürlich ist die Kapazität des Kondensators sehr klein, also die Einschaltzeit eher kurz. Deshalb muss der Ladestrom/Entladestrom sehr klein sein. Ein großer Widerstand wird also benötigt. Wenn man nun den Zeitschalter immer wieder zyklisch einschaltet, ergibt sich ein Rechtecksignal. Damit man das nicht selbst machen muss, kann man mit einem zweiten NE555 einen Taktgeber aufbauen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Frequenz so eingestellt wird, dass der Zeitschalter erst dann wieder betätigt wird, wenn er auch genug Zeit hatte wieder auszuschalten. Damit ändert sich am Ausgang des Zeitschalters die Einschaltzeit, also die Pulsbreite des Signals mit dem Behälterfüllstand. Je voller der Behälter ist, desto mehr zeit ist der Schalter eingeschaltet. Ein Pulsweitenmoduliertes Signal kommt aus dem Sensor.

Zum Einstellen ist ein Oszillograph empfehlenswert. Schaltet man nun an den Ausgang einen Widerstand (in Reihe) und danach einen großen Elko nach Masse, dann ergibt sich am Elko eine Gleichspannung, die Abhängig vom Behälterfüllstand ist.

Für die Gleichspannung brauche ich nur eine Ader zum Übertragen (und Masse), auswerten lässt sich das Signal mit allen erdenklichen Arten von Anzeigen, vom Drehspulmeßwerk über eine Digitalanzeige (Multimeter) bis zur LED-Balkenanzeige mit dem Anzeigetreiber LM3914 (10 LED) oder dem billigen Siemens UAA120 (12 LED). Ein erster Versuchsaufbau war vielversprechend, der Sensor funktioniert!

Hier auch gleich ein paar weitere Informationen: Die Schaltung habe ich schnell noch skizziert: [Schaltung PDF, 41 kByte]

Die Oszillogramme und den Sensor habe ich auf Fotographiert:
[Foto mit Oszillogramm und Sensor, 100 kByte]
[Foto Stromaufnahme, Frequenz, 110 kByte]