Bewässerungsanlage - Füllstandsmessung Zisterne per Ultraschall

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Füllstandsmessung - Zisterne

Ein Ultraschallsensor zur Füllstandsmessung

Über mehrere Jahre habe ich den Füllstand in unserer Zisterne per Ultraschall gemessen. Leider hat sich die Lösung auf Dauer als recht störanfällig erwiesen (Feuchte, Korrosion). Deshalb habe ich auf eine Füllstandsmessung mit einer Pegelsonde gewechselt. Die Lösung läuft deutlich stabiler.

Ich habe diese Beschreibung trotzdem hier nicht entfernt, da es sicherlich Anwender gibt, die andere Umgebungsbedingungen haben und sehr wohl per Ultraschall messen können.

Ultraschallsensor nach 3 Jahren

Trotz IP54 Sensor (Made in China) und Schutz der Anschlussplatine in einem IP67 Anschlusskasten, hatten die Bauteile erheblich unter der Feuchtigkeit in der Zisterne gelitten,

Wer trotzdem eine Ultraschallmessung bevorzugt, kann hier gern weiterlesen. Aus meinen Erfahrungen empfehle ich aber eine Füllstandsmessung per Pegelsonde als stabilere Alternative.


Füllstand der Zisterne mit Ultraschall ermitteln

Bei Nutzung einer Zisterne für die Gartenbewässerung ist das Wissen über die noch vorhandene Wassermenge von erheblicher Bedeutung. Schließlich muss die Steuerung reagieren, wenn das Wasser zur Neige geht. Des Weiteren ist die Verringerung der täglichen Gießmenge bei konstanter Giessdauer auch ein Indikator, ob das System noch reibungslos funktioniert oder ob diverse Düsen verstopft sind.

Ein Ultraschallsensor kann hierbei sehr hilfreich sein. Einerseits haben Sie damit jederzeit den Füllstand im Blick (ohne die Zisterne zu öffnen) und andererseits ergeben sich aus der Anbindung des Ultraschallsensors an einen Microcontroller unzählige Möglichkeiten zur Einbindung in Ihr Smart Home.

Serieller vs. digitaler Ultraschallsensor

Ultraschallsensoren gibt es schon für kleines Geld. Da die meisten Sensoren direkt aus China geliefert werden, muss aber mit verlängerten Lieferzeiten gerechnet werden. Ich bestellte mir das Ultraschall Sensormodul DYP-ME007Y. Bei der Inbetriebnahme bemerkte ich allerdings, dass es hier kleine aber feine Unterschiede gibt. Durch intensive Recherchen ermittelte ich, dass es eine digitale und eine serielle Version dieses Ultraschallsensors gibt. Aus der Bestellnummer konnte ich nicht ermitteln, welche Version ich vor mir liegen hatte - geschweige denn durch die Bestellung beeinflussen. Beim Anschluss an den Microcontroller (Pretzelboard) zeigte sich aber der Unterschied. Leuchtet die LED auf der kleinen Anschlussplatine des Ultraschallsensors permanent, so ist man Besitzer der digitalen Version. Flackert die LED, so hat man die serielle Version vor sich liegen. In meinem Fall hatte ich die serielle Version erhalten. Mein Microcontroller (Pretzelboard) kann aber nur einen seriellen Port gleichzeitig bedienen. Da dieser serielle Port schon durch die Kombination Webserver / WIFI verwendet war, konnte ich den Ultraschallsensor nicht so einfach einbinden. Mit folgendem Ablauf ist es mir aber gelungen:

  • Request einer Messung über WiFi an das Pretzelboard senden.
  • Danach das Listening auf den Ultraschallsensor umschalten.
  • Messungen durchgeführt und Ergebnis merken.
  • Listening wieder auf WiFi zurück schalten.
  • Das gemerkte Ergebnis als Response ausgegeben.

Da ich mittlerweile auch einen digitalen Ultraschallsensor im Einsatz habe, kann ich bestätigen, dass solche Umwege für die digitale Version nicht notwendig sind. Ein digitaler Ultraschallsensor kann direkt über das Pretzelboard angesprochen werden.

Durchführung einer Ultraschallmessung

Der Ultraschallsensor misst den Abstand zwischen Wasseroberfläche und dem Ultraschallsensor selbst. Bei sinkendem Füllstand werden die Messwerte folglich größer. Wenn Sie einmalig Ihre Zisterne vermessen haben - idealerweise wenn sie gerade voll ist - können Sie die Abstandsmessung in Liter umrechnen.

Beispiel:

  • Eine volle Zisterne hat einen Wasserstand von 125cm, was 5000l entspricht. 1cm Wasserstand entspricht somit 5000/125 = 40 Liter Wasser.
  • Bei einer vollen Zistere beträgt der Abstand zwischen der Wasseroberfläche und dem Ultraschallsensor z.B. 50cm.
  • Wenn Wasser entnommen wird und der Wasserstand in der Zisterne dadurch um 2cm fällt, erhöht sich der Abstand zwischen der Wasseroberfläche und dem Ultraschallsensor auf 52cm.
  • Der 2cm größere Abstand zwischen Wasseroberfläche und Ultraschallsensor bedeuten, dass 2x40=80 Liter Wasser entnommen wurden.
  • Somit stehen aktuell noch 4920 Liter Wasser in der Zisterne zur Verfügung.

Sie können keine Präzisionsergebnisse von solch einer Messung erwarten, aber für den Heimgebrauch ist es völlig ausreichend. Um halbwegs verlässliche Ergebnisse zu erhalten, habe ich immer drei Messungen in jeweils einer Sekunde Abstand durchgeführt. Waren alle Messergebnisse gleich, so wurde das Messergebnis 1:1 übernommen. Wurde zweimal der gleiche Wert geliefert und nur ein Wert wich ab, so habe ich den abweichenden Wert verworfen. Waren alle drei Messungen unterschiedlich, so habe ich den Mittelwert gebildet. Diese Berechnung habe ich allerdings erst in FHEM durchgeführt. Der Ultraschallsensor liefert über den Microcontroller bei mir nur die Rohdaten.

Mir ist auch aufgefallen, dass ein geringerer Zeitabstand zwischen den Messungen als eine Sekunde zu größeren Streuungen in den Messergebnissen führte. Hier hallte vermutlich der Schall der vorherigen Messung noch zu lange nach.

Anbau des Ultraschallsensors

Der Ultraschallsensor muss logischerweise in der Zisterne positioniert werden. Hierzu verwendete ich eine kleine Alu-Schiene, die ich im oberen Bereich der Zisterne anbohrte. Ich wählte Aluminium als Werkstoff, da er leicht bearbeitbar und Korrosion kein Thema ist.

Im Netz habe ich von Schwierigkeiten mit der Übertragung des Signals über längere Strecken gelesen. Diesbezüglich habe ich keine Probleme, obwohl zwischen der Zisterne und dem Steuerungskasten ca. 15m zu überbrücken sind. Ich denke, hier ist die Lösung, dass das Kabel zwischen Ultraschallsensor und Anschlussplatine nicht verlängert werden darf, sondern das Kabel zwischen Anschlussplatine und Steuerungskasten die größere Entfernung überbrückt. Das an dieser Stelle bereits transformierte Signal ist wesentlich stabiler über größere Entfernungen übertragbar.

Aus diesem Grunde habe ich die Anschlussplatine in einem Anschlusskasten (IP66) im oberen Bereich der Zisterne platziert. Bei der Anbringung des Anschlusskastens hatte ich allerdings einen entscheidenden Fehler begangen. Obwohl ich die Kabel in den Verschraubungen nach bestem Wissen und Gewissen abgedichtet hatte, ist Wasser eingedrungen. Das Problem war, dass die Kabel von oben in den Anschlusskasten eingeführt wurden. Vermutlich lief von außen kommend das Wasser am Kabel entlang und sickerte in den Anschlusskasten ein. Die Folge war, dass der Ultraschallsensor nach der Winterpause keine Signale mehr sendete. Folglich besorgte ich mir einen neuen Ultraschallsensor. Diesmal erhielt ich die digitale Version (daraus resultiert meine Erfahrung sowohl mit der seriellen, als auch mit der digitalen Version des Ultraschallsensors). Beim Austausch ist mir aufgefallen, dass der Anschlusskasten zu 50% mit Wasser gefüllt war. Dass heißt, die Anschlussplatine stand vermutlich unter Wasser. Vielleicht hätte es auch ausgereicht, die Platine einfach wieder zu trocknen. Da ich aber mittlerweise den anderen Ultraschallsensor hatte, habe ich mich für einen Austausch entschieden. Diesmal habe ich den Anschlusskasten allerdings mit den Verschraubungen nach unten montiert, damit das Wasser nicht wieder eindringen kann (siehe Bilderreihe).

Allerdings musste ich über die Jahre feststellen, dass auch nach unten montierte Verschraubungen, die bestmöglich abgedichtet und mit Kleber versiegelt waren, keine Lösung des Problems darstellten. Die Grundfeuchtigkeit in der Zisterne war so hoch, dass die Platine trotzdem korrodierte.
Daher meine Empfehlung: Wenn Ultraschallmessung, dann Anschlussplatine nicht im inneren der Zisterne platzieren, sondern irgendwo außerhalb in trockener Umgebung. Anderenfalls werden Sie mit einer Ultraschallmessung nicht glücklich. Ich bin, wie oben erwähnt, auf eine Füllstandsmessung mit Pegelsonde umgestiegen.

Abschließend noch die beiden Sketches des Pretzelboards, die u.a. die Logik zur Ansteuerung des Ultraschallsensors enthalten. Details zu den Sketches finden Sie im folgenden Beitrag Programmierung Pretzelboard.


Einbau des Ultraschallsensors in Bildern


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