Intelligenter IMPULSGEBER-W mit S0-Schnittstelle zum Nachrüsten für konventionelle Wasserzähler

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Intelligenter IMPULSGEBER-W mit S0-Schnittstelle zum Nachrüsten für konventionelle Wasserzähler
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Nach dem gleichen  Funktionsprinzip gibt es hier auch einen Impulsgeber für die Ferrarisscheibe des Stromzählers.

Smarthome und die Wasserwerker

Eigentlich wollte ich diesen Impulsgeber gar nicht entwickeln, weil es ja Wasserzähler mit integriertem Reedkontakt für nur wenige Euro Aufpreis zuhauf im Markt gibt. Da in diesem Jahr sowieso mein Wasserzähler turnusmäßig (alle 6 Jahre)  getauscht wird, habe ich das Wasserwerk kontaktiert, um bei der anstehenden Tauschaktion gleich einen Wasserzähler mit Reedkontakt zu bekommen, ich würde auch gerne den Mehrpreis bezahlen. „Ja so einfach geht das nicht“ war die lapidare Antwort, weil meine heimischen Wasserwerker für Privatverbraucher eben keinen Zähler mit Reedkontakt vorgesehen haben. Und Ausnahmen gibt’s nicht, was ich nach Telefonaten mit verschiedenen „Entscheidungsträgern“ leidvoll zur Kenntnis nehmen mußte. Auch selbst einen baugleichen Zähler mit Reedkontakt auf eigene Kosten zur Verfügung zu stellen ist eben nicht erlaubt. Auch der Hinweis auf die vielen Vorteile eines modernen Zählers im Hinblick auf Wasserleitungsbrucherkennung, Leckageüberwachung usw. haben eigentlich nichts gebracht: >> Frust pur!

Meinen bereits vor Jahren entwickelten Impulsgeber wollte ich nicht weiter verwenden, weil die Justage nach jedem Ablesen des Zählerstandes sehr langwierig ist. Also mußte  eine neue und deutlich bessere Lösung her! Versuche mit sog. Lichttastern auf Basis von Lasern ähnlich Laserpointer waren funktionsmäßig zwar sehr erfolgreich, aber die Lebensdauer der verwendeten roten Laserpointer umso weniger. Zudem ist das Handling dieser Teile für Laien nicht ungefährlich, weshalb dieser Lösungsweg schließlich verworfen wurde.

Messprinzip

Mit den sehr guten Erfahrungen mit meinem intelligenten  Impulsgeber 2.0 für die Ferrarischeibe von Stromzählern wurde dieser neue IMPULSGEBER-W für die Anwendung bei Wasserzählern angepasst. Er funktioniert ähnlich wie die sog. Laser-Lichttaster, aber anstelle des roten Lasers wird hier eine normale grüne LED mit optischer Fokussierung (Linse) eingesetzt. Das Streulicht vom roten Zeiger der Wasseruhr wird von einer Fotodiode erfasst und mit einem kleinen Microcontroller (Attiny85) zu einer Impulsfolge ausgewertet. Die grüne Farbe der LED deshalb, weil die Zeiger der Wasserzähler meistens rot sind und rot die Komplementärfarbe zu grün ist. Der rote Zeiger mit grünem LED-Licht beleuchtet wirkt schwarz bzw. verschluckt das grüne Licht. Somit schwankt die Helligkeit des reflektierten Lichtes (Streulicht) sehr stark, abhängig davon, ob der rote Zeiger im Fokus ist oder nicht. Das funktioniert hervorragend, wenn die optische Einstellung/Fokussierung des LED-Lichtes hinreichend genau erfolgt. Dies ist aber ein Frage des mechanischen Versuchsaufbaues, der bei den beengten Verhältnissen an einem Wasserzähler nicht einfach zu gestalten war.

Mit den Möglichkeiten von 3D-Druckern konnte ein kompaktes funktionales 3D-Gebergehäuse entwickelt werden, mit dem das LED-Licht positioniert und mit einer eingebauten Linse fokussiert wird. Die Positionierung ist viel einfacher als bei der für Reflexgeber häufig verwendeten Infrarotbeleuchtung, weil man den Lichtstrahl ja sehen kann. Das Streulicht wird mit einer tageslichtempfindlichen Fotodiode erkannt, die schräg auf den Lichtpunkt ausgerichtet ist. Das folgende Bild zeigt im Versuchsaufbau die verwendete Konstruktion ohne Gehäusedeckel auf der Wasseruhr und rechts daneben die Auswerte-Elektronik im Platinenhalter.:

Die grüne LED als Lichtquelle ist in einem 3D-Druckgehäuse „verpackt und erzeugt über eine integrierte Linse einen etwa 3mm großen Lichtpunkt auf der Skalenscheibe der Wasseruhr. Dieser Lichtpunkt beleuchtet den schnellstdrehenden roten Zeiger der Wasseruhr. Bei mir ist es der Zeiger mit der Kennzeichnung „x 0.0001“. Eine Umdrehung entspricht somit 1 Liter Wasserdurchfluss. Auf diesen Zeiger wird nun der Lichtpunkt ausgerichtet  Dabei ist zu beachten, dass nicht zuviel „normales“ Tageslicht auf das Zifferblatt fällt, weil dann der Impulsgeber ungewollt einschaltet; er arbeitet ja nicht mit Infrarotlicht sondern mit sichtbarem grünen Licht. 

So funktioniert der Impulsgeber

Das Messprinzip ist einfach: Die Umdrehungen des roten Zeigers der Wasseruhr  wird mit dem,optischen Reflexgeber erkannt und entsprechend der S0-Impulsausgang der zugehörigen Elektronik ein bzw. ausgeschaltet. Die Weiterverarbeitung und Zählung der Impulse erfolgt mit dem Impulszähler der eigenen Wahl. Ich verwende hierfür den 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 bzw. bei Wasserzählern der aktuelle Verbrauch in l/min errechnet und angezeigt.

Die Schaltung des Impulsgebers ist auf einer kleinen Platine realisiert, die mit einem hierfür speziell konstruierten Kunststoffgehäuse im 3D-Druck in ein verfügbates Kleinverteilergehäus o.ä. eingebaut werden kann. Bei dem IMPULSGEBER-W  2.0 erfolgt die Belichtungseinstellung nicht wie üblicherweise manuell mit einem Trimmpoti sondern ein kleiner Mikrocontroller (Attiny85) steuert die Belichtung bzw. die Intensität der grünen LED (siehe Schaltplan im nachfolgenden Bild) auf vorgegebene optimale Werte. Eine Fotodiode erkennt das von dem roten Zeiger reflektierte Signal und der Mikrocontroller wertet das Signal aus. Damit optische Unregelmäßigkeiten des Wasseruhr-Zifferblattes 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, die so aussieht :

Damit das Ganze auch besonders einfach in ein  preiswerte wassergeschütztes Gehäuse (z.B. Kleinverteilerdose) eingebaut werden kann, ist ein Platinenhalter im 3D-Druck entwickelt worden. Seitlich sind Kabeldurchführungen, die als Zugentlastung gedacht sind. :

Und so sieht die komplett montierte  Einheit mit der Auswerte-Eektronik  in der Abzweigdose dann aus:

Mit dieser Messeinrichtung kann man nun relativ einfach aus einem „alten“ Wasserzähler einen modernen Wasserzähler mit standardisierter S0-Schnittstelle machen.

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. Wenn der Impulsgeber kein eigenes  5V-(Stecker)-Netzteil hat, dann bekommt  normalerweise der Impulsgeber seine 5V-Spannungsversorgung vom Auswertegerät. Der Strombedarf ist unter 50mA.

Nach dem Einschalten der Versorgungsspannung blinkt die rote LED 3 mal und danach schaltet die grüne LED ein. Nun kann man überprüfen/sehen, dass das grüne LED-Licht auch fokussiert wird.

Auf keinen Fall direkt in den Lichtstrahl schauen !!!

             

Die rote LED ist aus, wenn der Geberkopf genügend „Licht sieht“. Dunkelt man wie im folgenden Bild nun den Geberkopf beispielsweise mit der Hand komplett ab, dann geht die rote LED an. Im Zusammenspiel mit der Wasseruhr geht die rote LED an, wenn der rote Zeiger sich durch den grünen Lichtpunkt bewegt. 

             

Die Montage des optischen Gebers am Wasserzähler ist sehr einfach. Zuerst wird mit einem Seitenschneider die lange Befestigungslasche  des Bodenteils auf die Größe des Wasseruhrenglases eingekürzt, so dass man das Bodenteil  flächig auf das Glas aufsetzen kann.

Man verwendet als Auslösersignal den am schnellsten drehenden roten Zeiger. Bei mir ist es der Zeiger mit der Kennzeichnung „x 0.0001“. Eine Umdrehung entspricht somit 1 Liter Wasserdurchfluss. Auf diesen Zeiger wird nun der Lichtpunkt ausgerichtet und dann das Wasser etwas aufgedreht. Dabei beachten, dass nicht „normales“ Licht auf das Zifferblatt fällt, weil dann der Impulsgeber ungewollt einschaltet (er arbeitet ja nicht mit Infrarotlicht!).

               

Schaltet nun der Geber jedes Mal, wenn der Zeiger durch den grünen Lichtpunkt sich bewegt, dann ist alles o.k. und keine weiteren Einstellungen sind notwendig.  Dann mit Tesafilm den Geber mit der Lasche auf dem Schauglas der Wasseruhr fixieren.

Normalerweise ist die Werkseinstellung des verwendeten Mikrocontrollers schon ausreichend genau eingestellt für die Verwendung an den meisten üblichen Wasserzählern. Sollten aber die optischen Eigenschaften der Wasseruhr ungewöhnlich anders sein, dann kann man mit den folgenden Möglichkeiten noch eine Feineinstellung vornehmen:

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 leuchtet die LED 3 mal sehr kurz. 
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 dem roten Zeiger der Wasseruhr 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 des Zählerzeigers automatisch auf das weiße Ziffernblatt  eingestellt. Also wenn der rote Zeiger 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  kurz Blinken.
  • 6 LED-Pulse:
    Dieses Programm misst die Lichtreflexion während eine gesamten (oder mehr) Zeigerumdrehung 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 des Zeigers 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. Für „normale“ Anwendungen sind diese zusätzlichen Eigenschaften nicht wichtig:

  • 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.

Anwendung

Der Impulsgeber mit seinem über Optokoppler galvanisch getrennten S0-Ausgang kann direkt an vorhandene S0-Zähler angeschaltet werden. Falls die Auswertung mit einem digitalen Input des  PULSECOUNTER, Homeduino,  Arduino, WeMos oder einem Rapberry erfolgen soll, ist die Beschaltung entsprechend dem folgenden Schaltschema vorzusehen:

Der Impulsgeber ist bezüglich der Entprellzeiten auf die Verwendung mit normalen Haushaltszählern ausgelegt. Wenn allerdings für Sonderzwecke wie Bewässerungsanlagen etc. sehr große Wassermengen über den Zähler fließen und die Pulsfrequenz größer 2Hz wird, dann werden u.U. Impulse „verschluckt“. In diesem Fall  kann man mit wenigen Änderungen den Impulsgeber anpassen:
Dazu muß man erstens dem 1MOhm-Widerstand R8 einen 100kOhm-Widerstand parallel schalten oder alternativ den 1MOhm-Widerstand durch einen 100kOhm ersetzen. Zweitens ist der Widerstand R2 mit einer Drahtbrücke kurzzuschließen.   Das folgende Bild zeigt diese Modifikation:

Man kann den S0-Impulsgeber nicht nur an den PULSECOUNTER sondern auch an den Homematic Energiezähler HM-ES-TX-WM anschließen. Man verwendet dazu den Gaszählersensor ES-Gas und schließt anstelle des Reedschalters  den Impulsgeber nach folgendem Schema an.

Man kann sich mit einer Lochrasterplatine und einem 6-poligen Telefonkabel so einen Adapter auch selbst basteln wie auf folgendem Bild gezeigt:

… wo gibt´s den Bausatz ?

Einen kompletten Bausatz des Impulsgebers  kann man in meinem Webshop erwerben:  Bausatz IMPULSGEBER-Wmit 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.

Fähigkeiten

Gepostet am

4. März 2019