Nach dem gleichen Funktionsprinzip gibt es hier auch einen Impulsgeber für den konventionellen Wasserzähler.
Wichtiger Hinweis:
in meinem Webshop werden sowohl der (preiswertere) Standard-Impulsgeber mit manueller Einstellung/Justage angeboten als auch dieser neue „intelligente“ Impulsgeber. Durch die Verwendung eines hierfür speziell programmierten Mikrocontrollers ist bei diesem neuen Impulsgeber 2.0 in der Regel gar kein Abgleich mehr notwendig. Falls aber der eigene Stromzähler für die Abtastung optisch besonders schwierige Bedingungen aufweist, sind in dem Modul automatische Einstellmöglichkeiten eingebaut und durch einfachen Tasterdruck abrufbar.
Messprinzip
Die Messung des Energieverbrauches(kWh) und insbesondere der aktuellen Anschlussleistung(kW) ist für die Hausautomation von großem Vorteil, weil man damit insbesondere aus der Ferne einfach feststellen kann, ob auch alle Verbraucher abgeschaltet sind oder ob ein eingeschaltetes Gerät auch normal funktioniert und die erwartete Leistung verbraucht. Dazu kommt, daß man beispielsweise mit der Homematic in Verbindung mit einem Datenaufzeichnungsprogramm wie dem Historian auch Langzeitaufzeichnungen des Energieverbrauches machen kann, die für eine Optimierung der Heizungseinstellungen und des häuslichen Energieverbrauches sehr hilfreich sind.
Auch für die Homematic gibt es bereits Impulsgeber, die aber nur in Verbindung mit einem speziellen Auswertegerät funktionieren. Hier wurde ein neuer Impulsgeber entwickelt, der eigenständig die rote Markierung auf der sog- Ferraris-Scheibe im Stromzähler erkennt und entsprechende Impulse über eine galvanisch getrennte S0-Schnittstelle ausgibt. Das hat den Vorteil, daß man universell für viele marktgängige Impuls-Auswertegeräte ein standardisiertes S0-Impulssignal hat. So kann man aus dem eigenen konventionellen „alten“ Stromzähler mit Ferraris-Scheibe einen modernen Stromzähler mit S0-Impulsausgang machen.
Das Messprinzip ist einfach: Die rote Markierung auf der Ferraris-Scheibe wird mittels optischem Reflexgeber erkannt und entsprechend ein Impulsausgang ein bzw. ausgeschaltet. Die Weiterverarbeitung und Zählung der Impulse erfolgt mit dem Impulszähler der eigenen Wahl. Ich verwende hierfür den in nächster Zeit in meinem Webshop verfügbaren PULSECOUNTER, der insgesamt 4 Impulszählereingänge hat und so nicht nur den Hausstrom sondern auch Solarstrom, Gasenergie und Wasserverbrauch erfassen kann. Darüberhinaus wird aus dem Zeitabstand der Impulse die aktuelle Leistung in Watt errechnet und angezeigt.
So funktioniert der Impulsgeber
Die Schaltung des Impulsgebers ist auf einer kleinen Platine realisiert, die mit einem hierfür speziell konstruierten Kunststoffgehäuse im 3D-Druck sehr einfach auf der Glasscheibe des Stromzählers positioniert werden kann. Die Funktion ist so, daß die Ferrarisscheibe mit einer Infrarot(IR)-LED so beleuchtet wird, dass mit Auswertung des reflektierten Lichtes, die rote Markierung auf der Scheibe erkannt wird. Bei jedem Durchgang der roten Markierung wird somit ein Impuls ausgegeben, der dann von nachfolgenden Impulszählern ausgewertet werden kann. Dieses im Prinzip einfache Verfahren erfordert aber meistens eine diffizile Einstellung der Belichtung, weil jeder Stromzähler doch andere optische Eigenschaften hat. Das ist wie bei einem Fotoapparat, wo auch eine Belichtungssteuerung notwendig ist.
Bei dem Impulsgeber 2.0 erfolgt die Belichtungseinstellung nicht manuell mit einem Trimmpoti sondern ein kleiner Mikrocontroller (Attiny85) steuert die Belichtung bzw. die Intensität der IR-LED (siehe Schaltplan im nachfolgenden Bild) auf vorgegebene optimale Werte. Eine Fotodiode erkennt das von der Ferrarisscheibe reflektierte Signal und der Mikrocontroiller wertet das Signal aus. Damit optische Unregelmäßigkeiten der Ferrarisscheibe (die häufig vorkommen!) nicht zu Fehlimpulsen führen, ist in die Impulsauswertung eine wirkungsvolle Schalthysterese integriert. Und als Info für die Experten: Darüberhinaus erfolgt auch noch eine zeitliche Entprellung des Impulssignals, die sogar auf spezielle Problemfälle anpassbar ist. Die Standardeinstellung ist 100ms; mit anderer Dimensionierung des Widerstandes R2 lassen sich auch andere Werte einstellen. Der Wert in kOhm entspricht der 10fachen Entprellzeit in ms. Der in der Standardversion verwendete 10kOhm-Widerstand für R2 führt zu einer Standard-Entprellzeit von 100ms.
Das Ausgangssignal wird über einen Optokoppler galvanisch getrennt am S0-Interface ausgegeben. Mit einem Taster können noch spezielle Kalibrierfunktionen abgerufen werden, die auch bei schwierigen Einsatzbedingungen eine evtl. notwendige Feineinstellung erleichtern. Weitere Informationen dazu weiter unten!
Realisiert wurde die Schaltung auf einer kleinen Platine, bei der der Reflexgeber auf der Platinenunterseite eingelötet ist:
Damit das Ganze auch an dem Stromzähler richtig und besonders einfach fixiert werden kann, wurde ein kleines Gehäuse für den 3D-Druck konstruiert:
Im Gehäuse wird die Platine fixiert und mit den dreieckigen Peilmarken kann sehr einfach der Refleximpulsgeber auf die Ferraris-Scheibe ausgerichtet werden. Mit den seitlichen Laschen kann man den Geber dann mittels Tesafil auf dem Stromzählerglas zugfest fixieren.
Unterhalb der Platine ist die Zugentlastung für das Anschlusskabel. Diese Zugentlastung ist besonders wichtig, weil relativ zur Gehäusegröße die Anschlusskabel doch recht steif sind und ggf. das Gehäuse dejustieren könnten. Das folgende Bild zeigt die aktuelle Konfiguration mit dem S-Schlag des Anschlusskabels für die Zugentlastung:
Je nach Stromzählertyp kann man den Impulsgeber senkrecht oder horizontal auf dem Glas des Stromzählers mit Tesaband aufkleben. Meine Erfahrung ist, dass eine senkrechte Montage wie auf dem Eingangsbild von Vorteil ist. Mit Verwendung der Peilnasen reicht normalerweise die Genauigkeit der Justage völlig aus. Der galvanisch getrennte S0-Ausgang kann direkt an vorhandene S0-Zähler angeschaltet werden. Falls die Auswertung mit einem normalen digitalen Input beispielsweise eines PULSECOUNTER, Homeduino, Arduino, WeMos oder einem Rapberry erfolgen soll, ist die Beschaltung entsprechend dem folgenden Schaltschema vorzusehen:
Nachbau
Für den Nachbauer ist ein Komplett-Bausatz inkl. dem 3D-Ausdruck des Gehäuses in meinem Webshop verfügbar. Da nur relativ große Standard-Bauelemente verwendet werden, ist der Nachbau auch vom weniger versierten Elektroniker möglich. Die Bauanleitung gibt hierzu mehr Informationen.
Inbetriebnahme
Zur Inbetriebnahme und erstem Funktionstest ist der Impulsgeber an eine 5V-Spannungsquelle anzuschließen. Zur Anwendung eines Netzspannung führenden Gerätes immer meine Sicherheitshinweise beachten. Wenn der Impulsgeber kein eigenes 5V-(Stecker)-Netzteil hat, dann bekommt normalerweise der Impulsgeber seine 5V-Spannungsversorgung vom Auswertegerät. Der Strombedarf liegt zwar nur zwischen 1,5 und 2,5mA; ein dauerhafter Batteriebetrieb ist aber kaum sinnvoll!
Für die Inbetriebnahme ist der Impulsgeber auf die Glasscheibe des Stromzählers so anzubringen, daß die Reflexlichtschranke auf der Platinenunterseite die Ferraris-Scheibe genau „sieht“. Dazu sind Peilmarken am Gehäuse angebracht, mit denen eine Justage einfach möglich ist. Wenn die richtige Postion erreicht ist, dann klebt man einfach mit Tesafilm an den seitlichen Laschen den Impulsgeber auf die Scheibe. Dieses Verfahren ist besser als eine Befestigung mit Klebepads, weil man erst in aller Ruhe justieren, den Sensor in der optimalen Postion halten kann und mit der anderen Hand das Klebeband befestigen kann. Zusätzlich kann man mit den Peilmarken am Gehäuse jederzeit überprüfen , ob die Justage noch in Ordnung ist.
Normalerweise ist die Werkseinstellung des verwendeten Mikrocontrollers schon ausreichend genau eingestellt für die Verwendung an den meisten üblichen Stromzählern. Dementsprechend muss man gar keine Einstellung mehr machen, damit die LED beim Durchlaufen der roten Marke aufleuchtet. Wenn das der Fall ist, dann reicht das eigentlich schon aus.
Lichtsignale
Bei Version 2.0 : Beim Neustart/Reset des Impulsgebers leuchtet die LED 3 mal . Die Leuchtdauer entspricht der 10fachen Entprellzeit. Wenn also die LED 3mal etwa 1sec beim Neustart blinkt, dann ist die Entprellzeit von 100ms (das ist der Standard) eingestellt. Benötigt man kürzere Entprellzeiten, dann kann dies mit einem veränderten Widerstand R2 erfolgen.
Entprellzeit /ms = 10 * R2 /kOhm
Mit dem standardmässig verwendeten 10kOhm-Widerstand ergibt sich somit eine Entprellzeit von 100ms.
Bei Version 2.1 (ab Auslieferung 21.05.2019)
Beim Neustart/Reset des Impulsgebers im Werkszustand blitzt die LED 4 mal sehr kurz (etwa 100ms).
Anmerkung: Wenn die LED beim Neustart nicht 4x kurz blitzt sondern mehrere Sekunden langsam blinkt, dann ist der ATTINY85 fehlerhaft!
Die Entprellzeit berechnet sich aus dem Widerstand R2 mit der Formel: Entprellzeit /ms = 1 * R2 /kOhm
Mit dem standardmässig verwendeten 10kOhm-Widerstand ergibt sich somit eine Entprellzeit von 10ms, was für alle üblichen Impulsquellen ausreicht.
Mit den eingebauten intelligenten Kalibrierprogrammen kann man falls notwendig die Störsicherheit noch weiter verbessern. Dazu muss man einfach den Taster solange drücken (nicht tasten!), bis eine bestimmte Anzahl von 1sec-LED-Pulsen ablaufen. Wenn man dann den Taster loslässt, wird mit einer gleichen Anzahl kurzer Lichtblitze der Empfang eines Befehls quittiert. Folgende Befehle/Programme gibt es:
- 2 LED-Pulse :
Das Modul geht in den Messmodus für die Empfangshelligkeit. Je nach Stärke der IR-Lichtreflexion an der Ferraris-Scheibe leuchtet die Anzeige-LED mehr oder weniger intensiv. In diesem Modus kann man die Position des Impulsgebers ggf. feinjustieren. Beendet wird der Modus durch kurzes Drücken des Tasters. Der Impulsgeber quittiert das mit Neustart bzw. 3mal Blinken.
- 4 LED-Pulse:
Damit wird die Intensität der IR-Beleuchtung der Ferraris-Scheibe automatisch auf den weißen Scheibenteil eingestellt. Also wenn die rote Marke gerade vorbei ist, dann erst den Taster drücken und 4 Quittungs-Lichtblitze abwarten.Danach arbeitet das Programm und steigert die Helligkeit bis zu einem vorgegebenen Wert. Wenn dieser Wert o.k. ist, dann bestätigt das Programm den Erfolg mit einem 1sec Lichtblitz. Nichterfolg führt zu schnellem Blinken. Nach dieser Operation wird ein Neustart ausgeführt mit dem typischen 3mal Blinken.
- 6 LED-Pulse:
Dieses Programm misst die Lichtreflexion während eine gesamten (oder mehr) Scheibenumdrehung und stellt aus dem Min- und Maxwerten die Schaltschwelle automatisch ein. Also Taster für 6 LED-Pulse drücken, auf Quittierung mit 6 Lichtblitzen warten und Programm solange aktiv lassen, bis eine komplette Umdrehung mit weißen und roten Scheibenstellen erfolgt ist. Dann mit kurzem Tastendruck das Programm beenden. Wenn die Messung o.k. ist, dann bestätigt das Programm den Erfolg mit einem 1sec Lichtblitz. Nichterfolg führt zu schnellem Blinken. Nach dieser Operation wird ein Neustart ausgeführt mit dem typischen 3mal Blinken.
- 8 LED-Pulse:
Damit kann man die Einstellung wieder auf Werkseinstellung zurücksetzen. Es kann also nichts beim Einstellen passieren!
Mit Version 2.1 wurde ein zusätzlicher Frequenzteiler implementiert, der insbesondere bei hochfrequenten Impulssignalen vorteilhaft sein kann:
- 10 LED-Pulse:
Damit wird eine Frequenzteilung des Impulssignals um den Faktor 2 eingestellt. Dabei ist die Entprellzeit fest auf null gestellt. - 12 LED-Pulse:
Damit wird eine Frequenzteilung des Impulssignals um den Faktor 10 eingestellt. Dabei ist die Entprellzeit fest auf null gestellt. - 14 LED-Pulse:
Damit wird eine Frequenzteilung des Impulssignals um den Faktor 100 eingestellt. Dabei ist die Entprellzeit fest auf null gestellt.
… wo gibt´s den Bausatz ?
Einen kompletten Bausatz des Impulsgebers kann man in meinem Webshop erwerben: Bausatz Impulsgeber 2.0 mit S0-Schnittstelle
Den aktuellsten programmierten Mikrocontroller ATTInY85 gibt’s auch als Ersatzteil:
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.
