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Impulsgeber für den Wasserzähler selbst gebaut

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Impulsgeber für den Wasserzähler selbst gebaut
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Warum ein Impulsgeber für den Wasserzähler so schwierig ist!

Im Rahmen der Hausautomation ist die Information über die aktuellen Verbräuche von Strom,Gas und Wasser relativ wichtig, weil diese  Signale für verschiedenste Steuerungs- und Regelmechanismen notwendig sind. Zwar gibt es heute bereits schon entsprechende Zähler mit Impulsausgängen, aber vielfach sind noch alte Geräte eingebaut, die nur mehr oder weniger aufwendig mit geeigneten Impulsgebern ausgerüstet werden können.
Bei den Stromzählern kann man mit Reflex-Lichtschranken die rote Markierung auf der Drehscheibe abtasten und als Impulssignal weiter berarbeiten. Entsprechende Fertiggeräte gibt es bereits für diese Aufgabe und im Internet kursieren auch viele Bauanleitungen zum Selbstbau.
Bei den Gaszählern ist oft schon ein Magnet im Zählwerk vorhanden, der mit einem Reedschalter als Impulsgeber sehr einfach „digitalisiert“ werden kann.
Problematisch ist die Nachrüstung der Wasserzähler, da in der Wasseruhr die Zeiger sehr klein sind und auch die Zahnscheibe eine äußerst kleine Verzahnung hat, die mit Reflexions-Lichtschranken ohne spezielle Optik kaum zu detektieren sind.
Ich habe dazu verschiedene Versuche mit einer Infrarot Reflexions-Lichtschranke gemacht, wie sie u.a. für Stromzähler verwendet werden. Diese Sensoren werden im Internet für wenige Euros als sog. Breakouts (das sind kleine Platinen) verkauft. Das Ergebnis der Versuche mit diesen Sensoren war immer, daß die Justage extrem empfindlich und eigentlich kein reproduzierbar stabiles Impulssignal erreichbar ist.
Weitere Tests mit preiswerten Lasermodulen ergaben zwar deutlich bessere Ergebnisse, aber die Laserdioden haben meist nicht lange im Dauerbetrieb gehalten! Nach dem gleichen Prinzip arbeiten professionelle Laser-Reflexionssensoren wie der  SunX EX-26B, mit dem lt. einem Internetbeitrag wohl eine Abtastung des Wasserzählers möglich sein soll.

Wenn man die  zu dem Thema veröffentlichten Artikel zusammenfaßt, dann ist die Nachrüstung des Wasserzählers offensichtlich ein relativ schwieriges Problem. Und ich kann nach den eigenen Versuchen dies nur bestätigen!

(M)ein Lösungsansatz

Geht man wieder zurück zu der Lösung, die einem normalerweise bei dieser Meßaufgabe einfällt, dann ist man wieder wieder bei der  Infrarot-Reflexions-Lichtschranke. Die hat aber beim Wasserzähler bisher nicht richtig funktioniert, weil zu kleine Zeiger  usw. zu einem zu kleinen Nutzsignal führten.

Also was kann man tun, um das Nutzsignal zu verbessern ?
1. Man kann die Fotodiode besser fokussieren entweder mit einer Optik ( zu aufwendig!) oder mit einer Lochblende.
Ich habe dafür ein längeres Röhrchen gewählt, in das die Fotodiode eingeklebt ist.
2. Man kann die roten Zeiger mit einem Licht bestrahlen, was die Komplementärfarbe hat. Bei rot wäre das grünes Licht, was mit einer entsprechenden LED einfach darstellbar ist.

Erste Versuche mit dem grünen Licht anstelle dem infrarotem Licht waren erstaunlich besser. Die Zeiger sind mit der grünen Beleuchtung fast schwarz gegenüber dem weißen Hintergrund und haben offensichtlich einen viel besseren Kontrast. Deshalb wurde auf Basis dieser beiden Ansätze der folgende Impulsgeber  konzipiert. Hier das Kochrezept zum Nachbau:

Die elektronische Hardware

Man besorgt sich eine sog. Infrarot Reflexions-Lichtschranke. Anbieter findet man u.a. bei ebay mit den Stichworten “ TCRT5000 reflective module“. Dieses Modul hat eine Infrarot LED und eine Infrarot Photodiode, die wir für unseren Einsatz entfernen müssen. Man kann sie auslöten oder einfach mit einem Seitenschneider wegklipsen. Zur besseren Signalverarbeitung müssen wir noch einen 10kOhm SMD-Widerstand  ablöten oder wegschneiden. Im folgenden Bild sind die Änderungen erkennbar:

wasser_1

Dann brauchen wir noch eine grüne 3mm-LED und einen Phototransistor vom Typ Osram „SFH 309-5“ und verschalten das ganze entsprechend dem Schaltplan im oberen Bild.

Übrigens den Schaltplan zum Modul findet man aktuell hier:
http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fg04.s.alicdn.com%2Fkf%2FHT1fT8kFGpbXXagOFbXP%2F220671527%2FHT1fT8kFGpbXXagOFbXP.jpg&imgrefurl=http%3A%2F%2Fwww.alibaba.com%2Fproduct-detail%2FTCRT5000-IR-Barrier-Line-Track-sensor_1800749503.html&h=586&w=750&tbnid=BdcAZhuLe2NkWM%3A&zoom=1&docid=zZ3LYeDVN9vQ8M&ei=nObpVNuOMImiygOY14HoBg&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=4230&page=3&start=112&ndsp=62&ved=0CH4QrQMwKDhk

 

Die Mechanik

Die mechanische „Verpackung“ der grünen LED und des Phototransistors ist im folgenden Bild erklärt. Für die Aufnahme des Phototransistors habe ich ein 40mm langes Messingröhrchen mit Durchmesser 6mm (Baumarkt) verwendet, das zusmmen mit der seitlich angeordneten grünen Led in eine 17er-Mutter mit Sekundenkleber eingeklebt wird. Ggf. muß das Gewinde mit einem 10er-Bohrer aufgebohrt werden. LED und Phototransistor werden entsprechend dem Schaltplan verlötet und die Leitungen mit Schrumpfschluch o.ä. isoliert. Das folgende Bild sagt mehr als viele Worte.

wasser_2

Dann probiert man den Impulsgeber aus, um die richtige Position zu finden. Ich verwende für die Abtastung den Zeiger für die Literanzeige, d.h. eine Umdrehung entsprechen ein Liter Wasser. Man muß nun die richtige Position finden, indem man mit einem Voltmeter die Spannung am Phototransistor mißt. Das schon eine etwas diffizile Arbeit, um die richtige Position mit dem größten Spannungshub pro Umdrehung zu finden. Bei mir ist der Spannungshub etwa 0.15V bei einer mittleren Spannung von etwa 2,7 V (diese Spannung hängt von der Beleuchtungsstärke und vom Phototransistor ab!) .Aber die mittlere Spannung sollte etwa zwischen 1,5 u 3,5V liegen. In dieser Position kann nun der Impulsverstärker auf dem Breakout mit dem Trimmpotentiometer so eingestellt werden, daß die grüne LED auf dem Breakout an ist und nur wenn der Zeiger am Sensor vorbeigeht für kurze Zeit aus geht.

Jetzt muß der Sensor im Schauglas der wasseruhr so fixiert werden, daß  zuverlässig und haltbar die Meßposition eingehalten wird. Man kann den Sensor einkleben, aber das könnte Probleme mit dem Wasserwerk geben. Ich habe mit einfachen Mitteln einen schweren Einsatz gebaut: Dazu wurde die Sensormutter im Schauglas mit einer Reihe von anderen Mittern zusammen geklebt, so daß der Mutterverbund spielfrei im Schauglas sitzt. Vorher habe ich das Schauglas mit Küchenfolie abgedeckt, damit der Kleber nicht am Glas haftete.  Nachdem alles stabil ausgehärtet ist, wird der Mutternverbund mit 2-Komponenten-Kleber vergossen, so daß eine stabile und schwere Scheibe entsteht.

Wasserzaehler6

Diese Scheibe bekommt noch eine Markierung, daß man sie zum Ablesen der Wasseruhr einfach entnehmen kann und daß beim Wiedereinsetzen die Meßposition sicher eingestellt ist. Das sieht zwar recht bastelmäßig aus, aber die Funktion ist gut und nicht jeder hat eine Drehbank, um sich ggf. eine schwere Metallscheibe als Aufsatz bzw. Einsatz zu basteln.

That´s it!

Viel Erfolg beim Nachbau
… und bei der Justage nie die Geduld verlieren, weil das schon etwas Fingerspitzengefühl verlangt 😉

Haftungs- und Sicherheitshinweise

Beim Nachbau müssen natürlich alle wichtigen einschlägigen Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit gefährlichen Spannungen  eingehalten werden. Fundierte theoretische und praktische Fachkenntnisse der Elektrotechnik und für den Umgang mit gefährlichen Spannungen sind unverzichtbar!!

Durch eine unsachgemäße Installation gefährden Sie ihr Leben und das Leben ihrer Mitmenschen! Darüberhinaus riskieren Sie erhebliche Sachschäden , welche durch Brand etc. hervorgerufen werden können ! Für alle Personen- und Sachschäden durch falsche Installation etc. ist nicht der Hersteller sondern nur der Betreiber verantwortlich.

Ich verweise hier unbedingt auf  die  „Sicherheitshinweise und Haftungsausschluss„-Seite dieses Blogs. Auch die notwendigen Eingriffe in das Wasser- und Heizungssystem dürfen nur von ausgebildeten Fachpersonal durchgeführt werden. Es sind die geltenden Sicherheitsvorschriften und dieDVGW-Richtlinien einzuhalten.

 

Fähigkeiten

Gepostet am

21. Februar 2015

30 Kommentare

  1. Vielen Dank für deine ausführliche Anleitung.

    Ich habe mir ähnliches für meinen Stromzähler auf Basis eines ESP 12-E, einer blauen LED und einem Fotowiderstand gebaut. Somit lasse ich mir jede Umdrehung per MQTT an meine OpenHab zentrale senden und kann somit den Stromverbrauch aufzeichnen.
    Was mir bei deiner Anleitung auffällt, dass du eine grüne LED verbaut hast. Ich habe zuvor Versuche mit verschiedenen LEDs gemacht und dabei festgestellt, dass ich bei blauem Licht auf roten Flächen den größten Helligkeitsunterschied messen kann. Hierzu auch ein Link: http://www.vision-doctor.com/farbiges-licht-farbige-koerper.html

  2. … ziemlich am oberen Ende des Messingröhrchens, damit wenig Störlicht empfangen wird.

  3. Ich versuche schon lange, das Problem zu lösen. Mit Optik und allem möglichen. Jetzt werde ich dieses versuchen. Das entscheidende sind wohl die Komplementärfarben grün/rot. Darauf muss man erst mal kommen. Was mir noch nicht ganz klar ist, ist der Ort der Phototransistors. Am unteren oder oberen Ende des Messingröhrchens ?
    Vielen Dank für den Vorschlag und Gruss
    günni

  4. Hallo Danke für die Antwort.
    Habe das ganze heute Verlötet.
    Leider komme ich nicht zu deinem ergebnis…
    Habe auf der SFH bei lich 4,6V und bei „Dunkel“ 4,5V….
    Komme aber nicht auf die von die vorgeschlagenen 1,5 u 3,5V.
    Eine Idee was ich machen könnte..
    Auch das mit dem Poti bekomme ich nicht hin. Bei mir geht es Nie aus..
    Danke

  5. …extra verlöten!

  6. Kurze Frage… Mir ist das mit den Widerständen nicht ganz klar (wie am Schaltplan).
    Muss ich da nach extra verlöten oder sind die auf dem Board drauf?
    Danke
    Raphael

  7. Hi,
    Wie zuverlässig ist das System?

    Läuft alles immer noch wie am ersten Tag.
    Möchte diese Schaltung gerne einsetzen.

    Liebe Grüße

  8. Eine Frage habe ich dazu. Ich habe 4 Wasseruhren. Kaltwasser und Warmwasser jeweils in Bad und Küche. Wie bringe ich die CCU2 dazu, den Verbrauch zu erfassen? Steckdosen sind weder in Küche noch im Bad in der Nähe der Wasserzähler. Batteriebetrieb wäre da ganz toll.
    Gruß, Mathias

  9. … ja die Wasseruhr abzulesen ist eine diffizile Aufgabe. Mit besseren Reflexlichtschranken mit kleinerem Messfeld wäre das eigentlich kein Problem. Aber dann benötigt man eine geeignete Optik.

  10. Vielen Dank für die Anleitung.
    Zuerst habe ich es auch nur mit der Lichtschranke versucht. Damit bin ich aber kläglich gescheitert.
    Die Bauteile bei ebay bestellt und den Sensor nach der Beschreibung umgebaut. Es ist immer noch fissel-arbeit, aber es funktioniert.
    Heute habe ich noch eine bessere Befestigung gebaut.
    Die Software ist mit Arduino und Mysensors gelöst. Die Zukunft wird zeigen ob und wie weit die Auswertung und Zähler auseinander driften.

  11. Leider komme ich aktuell nicht zur Software-Entwicklung für die vorhandene Platine, weil die WIFFI-duino Software doch mehr Zeit braucht als gedacht.

  12. Gibt’s eigentlich schon was neues bzgl. der geplanten Platine?

  13. Diese aktuelle Lösung ist noch nicht mit einem eigenen Mikrocontroller realisiert. Die geplante zukünftige selbstabgleichende Lösung ist noch nicht fertig. Platine ist zwar da, aber für die Software habe ich aktuell zu wenig Zeit.
    Unabhängig davon wird auch die geplante zukünftige Lösung nicht ohne eine Justage auskommen, die man in einem dunklen Gewölbe-Keller nur schwerlich hinbekommt.
    Die allerbeste Lösung für so einen Fall ist eine zweite Wasseruhr mit integriertem Impulsgeber ;))

  14. Hallo Eugene,
    mich interessiert ebenfalls die Attiny-Software & HW!
    Da sich meine Wasseruhr in einem Gewölbe-Keller befindet ist es sicher mühsam den korrekten Arbeitspunkt zu finden.

    Gruß Gerd

  15. Hallo, nach vielen Versuchen mit unterschiedlichen optischen Komponenten, kann ich die Funktion dieser Schaltung bestätigen. Ob man nun eine Mutter nimmt oder wie ich ein Kunststoffteil in dem die LED und der Fototransistor sitzen, ist egal. Ich habe mehrere funktionstüchtige Muster mit kleinen mechanischen Unterschieden aufgebaut. Das Prinzip funktioniert gut, auch mit einem Spannungshub von mindestens 500mV. Ein Schmitt-Trigger wäre günstig. Dazu kann man das Modul umbauen. In die Leitung zum nicht invertierten Eingang des OPV dann einen Widerstand ca. 10k einfügen und 1M vom Ausgang auch auf den nicht invertierten Eingang, das ergibt dann einen Schmitt-Trigger mit ca. 10% Hystere und sollte bei richtiger Einstellung am Poti funktionieren. Bei mir läuft das im Test direkt am Arduino, wobei softwaremäßig entprellt wird und eine Hystese realisiert wird, außerdem habe ich momentan ein Display 20×4 angeschlossen und gebe die Signale quasi-analog aus, so konnte ich meine ganzen Versuche besser messen und vergleichen. Ich würde aber doch die Hardwarelösung vorziehen. Nun ist ja mein Test positiv verlaufen und ich kann Hard- und Software anpassen.
    Die Justierung ist wie ja beschrieben nicht ganz trivial, daran scheitert es vielleicht recht schnell, deshalb nicht aufgeben, die Idee ist gut und funktioniert!

  16. Ich habe den Sensor nachgebaut und verwende als Rückkopplungswiderstand 11,2 MOhm (angeschlossen zwischen A0 und D0). Das anfänglich ohne Rückkopplungswiderstand zu beobachtende „Flattern“ ist bislang nicht wieder aufgetreten.

    Gibt es jemanden der ähnliche Erfahrungen gemacht hat?

  17. Platinen sind da, aber Priorität hat zur Zeit der WIFFI-wz.

  18. Hallo!

    Gibt es Neuigkeiter zur Attiny Platine und Software?

    VG
    Nico

  19. Die Hardware, die Platine und so, ist da, aber die Software ist noch nicht fertig. Erst wird der Homeduino 4.0 fertig gemacht und dann werkel ich weiter am Impulsgeber :-))

  20. Huhu.

    Ich wollte nochmal nachfragen. Gibt es zum Attiny schon einen Entwurf zum erwerben?

    Grüße Andy

  21. Na mit dem Homeduino 3.0. Der hat Impulseingänge!
    Und die nächte Version 4.0 hat sogar einn Display und RFID Eingänge.

  22. Hört sich interessant an, mit fehlt nur gerade die Idee wie ich das ganze an die CCU ankoppel.

    Gruß Ingo

  23. Zur Zeit ist eine Platine mit einem Attiny-Mikrocontroller im Test, bei dem das lästige Einstellen entfallen soll. Mit einem automatischen Abgleichvorgang möchte ich sowohl die Beleuchtungsstärke als auch die Schaltschwelle automatisch einstellen. Das Platinchen wäre dann an jedem Rechner anschließbar, auch an einem Raspberry.

  24. Hallo,

    ich finde deine Lösung echt genial und würde mich dem Nachbau gerne anschließen.
    3 Fragen hätte ich nun:
    1) Wie weit bist du mit dem Schmitt Trigger?
    2) Wäre das auch an einem Raspberry pi realisierbar?
    3) Könntest du mir den Code für deinen Arduino zu Verfügung stellen?

    Grüße Andy

  25. Du machst nichts falsch. Das Problem liegt darin, daß der verwendete Impulsverstärker offensichtlich und leider nur einen Komparator enthält und keinen Schmitt-Trigger mit unterschiedlicher Ein- und Ausschaltschwelle. Ich habe das bisher nicht bemerkt, weil ich einen anderen Impulsverstärker mit Schmitt-Trigger verwendet habe. Ich schau mal, wie man einfach den verwendeten Impulsverstärker zum Schmitt-Trigger machen kann.
    …da muß man mit einem Rückkopplungswiderstand etwas experimentieren.

    … kann aber aus Zeitgründen noch einige Tage dauern !

  26. Eine Frage habe ich zum Wasserzählersensor noch: Ich habe jetzt alles zum zweiten Mal exakt nachgebaut. Ich bekomme auch ein Signal am Digitalout und die grüne LED des Moduls geht an und aus, wenn sich der Zeiger bewegt. Allerdings flackert diese, sobald der Zeiger in einer „halben“ Position zum Sensor steht. Dadurch erhalte ich kein sauberes Ein- oder Aus-Signal und der Impulszähler im Arduino zählt gleich ein paar hundert Impulse. Gibt es eine Möglichkeit, den Impuls zu entprellen? Oder mache ich etwas gänzlich falsch?

  27. Noch eine Frage, welchen 2-Komponenten Kleber hast du für die „Scheibe“ benutzt?

  28. Nach langem Probieren hat es nun geklappt! Allerdings fand ich heraus, dass es an der grünen LED lag, habe jetzt eine gelbe 3mm LED genommen und damit funktioniert es.
    Habe hier noch einen EM1000-GZ rumliegen, wie könnte ich den denn ankoppeln? Kannst du mir da vielleicht nen Tipp geben?

  29. Da machst Du irgendwas falsch. Ist nicht eine Idee, sondern funktioniert bei mir!
    Wenn ich mich recht erinnere, hat die Anzeige eine umgekehrte Polarität: Kein Licht gleich LED an und umgekehrt. Entsprechend muß man das Poti feinfühlig justieren.

  30. Habe es mal versucht nachzubauen. Allerdings leuchtet die grüne LED am TCRT5000-Modul erst, wenn ich die grüne 3mm LED direkt in das Messingrohr halte. Bei einer Reflexion mit einem weissen Stück Papier sollte normalerweise was passieren, aber leider tut sich nix. Ein Justieren mit dem Poti hilft leider auch nicht. Ansonsten ist ja eine nette Idee.

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