Optischer Pegelsensor

 

Bei der Beschreibung der Pumpensteuerung 2 hatte ich schon einen optischen Pegelsensor erwähnt. Er ist optimal auf das System zugeschnitten und soll hier näher vorgestellt werden. Der Sensor arbeitet nach dem Prinzip einer Unterbrecherlichtschranke im Infrarot- Bereich. Hier die technischen Kenndaten im Einzelnen:

  • Betriebsspannung 12V ; wird von der Pumpensteuerung 2 bereitgestellt
  • Stromaufnahme ca. 22mA
  • Ausgangsstrom maximal 120mA gegen 12P
  • Schutz gegen Verpolung sowie Kurzschluss gegen GND und 12P
  • Schutz gegen Tageslichteinfluss durch Verwendung von Infrarot-Bauelementen
  • Anschlusskabel, bestehend aus Steuerleitung LiY 3x0,14mm² ungeschirmt ; Länge <=20m
  • Gehäuse Kunststoff; 40mm Außendurchmesseer; 12mm Innendurchmesser; Höhe 12mm
  • Komplettverguss mit Kunstharz
  • extrem  witterungs- und feuchtigkeitsresistent
  • Logische Pegel:
    • H---> Lichtschranke nicht unterbrochen (Pegel unterschritten)
    • L ---> Lichtschranke unterbrochen (Pegel überschritten)

Das Funktionsprinzip ist einfach erklärt. Die IR-LED D2 wird mit einem Strom von ca. 20mA betrieben. Ihr gegenüber ist ein Fototransistor angeordnet. Dessen Fotostrom erzeugt einen Spannungsabfall am Arbeitswiderstand R9. Dieser liegt am  nichtinvertierenden Eingang des Komperators IC1 an und wird mit der Referenzspannung UB/2 am invertierenden Eingang verglichen. Zur Verbesserung des Übergangsverhaltens wird  mit R4 und R7 eine Schalthysterese erzeugt. Das Vergleichssignal wird über den Schalttransistor T3 ausgekoppelt und niederohmig an K2 bereitgestellt.

 

Da die Baugruppe später in ein rundes Gehäuse eingegossen wird und eine zentrische Bohrung aufweisen soll, hat die Leiterplatte die Form eines Torus. Nach der Bestückung, noch vor dem Verguss, sollte die Schaltung auf Funktionsfähigkeit überprüft werden. Dazu ist sie am Einfachsten an eine Pumpensteuerung 2 anzuschließen und das Schaltverhalten anhand der angezeigten Pegelwechsel zu kontrollieren. Alternativ kann auch ein Widerstand  von 1-10 kOhm zwischen K1 und K2 angelötet werden. Nach Anschluss der Betriebsspannung von 12 V zwischen K1 und K3, kann der Pegelwechsel an K2 gemessen werden. Bei offener Lichtschranke muss dort annähernd12V gegen Masse zu messen sein. Wird der Strahlengang unterbrochen, muss der Spannungspegel auf nahezu 0V absinken.

Für das Gehäuse habe ich von einem PVC-Rohr mit 40mm Durchmesser ein 10mm breites Stück abgeschnitten und die Seitenflächen plan bearbeitet. Abdrehen wäre ideal ; Schleifen auf einem feinsandigen Schmirgelpapier, das auf einer ebenen Unterlage ausgebreitet ist, tut es aber auch. Als Unterboden habe ich einseitig eine 1,5mm starke PVC-Platte aufgeklebt. In die Seitenwand wird mittig ein Loch für die Kabelführung gebohrt. Das Kabel sollte so straff in diesem Loch sitzen, dass die Verbindung beim Verguss sicher abdichtet und kein Harz herauslaufen kann. Der Sensor soll ja später auf einem transparenten Kunststoffrohr von12mm  Durchmesser leicht verschiebbar angeordnet werden. Dazu muss zentrisch ein entsprechendes Loch vorgesehen werden. Am einfachsten wird das bewerkstelligt, in dem man den Verguss an dieser Stelle ausspart. Dazu schneidet man sich ein kurzes, etwa 2cm langes Stück von diesem Rohr ab und schleift eine Seite ebenfalls sorgfältig plan. Mit ein bis zwei Wicklungen Kunststoff-Klebeband wird der Durchmesser etwas vergrößert. Außerdem verbessert das die Entformbarkeit nach dem Aushärten, da ja dieses Teil als Lochkern dienen soll.

 

 
PCB Optischer Sensor   Baugruppe unmittelbar vor dem Verguss, in Gehäuse eingelegt
     

Anordnung und Ausrichtung der Bauteile vor dem Verguss

Vor dem Verguss ist die Leiterplatte in das Gehäuse einzulegen, das Kabel einzuführen und die Anschlüsse zu verlöten. Die Baugruppe sollte nicht direkt auf dem Boden liegen, sondern durch Unterlegen von kleinen Perlen o.ä. auf ca. 2-3mm Abstand gehalten werden. Damit ist sichergestellt, dass sie auch von unten gut im Harz eingebettet ist. Jetzt ist das kleine Rohrstück mittig einzusetzen. Um zu verhindern, dass Harz in den Inneraum fließt, sollte die aufliegende Stirnfläche des Rohres leicht mit Fett oder Wachs benetzt werden, sodass eine abgedichtete Fuge entsteht. Mit einer kleinen Schraubzwinge wird das Rohrstück fest auf den Innenboden des Gehäuses geklemmt. Am besten schraubt man die gesamte Anordnung gleich an einer Tischplatte an. Die Leiterplatte muss jetzt noch mal richtig ausgerichtet werden. Wichtig ist, dass sich die optischen Bauelemente genau "ansehen" und die Linsen am Rohrkern anliegen. Harz unmittelbar vor dem Lichtaus-/eintritt dämpft den IR-Strahlengang zum Teil erheblich und kann die spätere Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Jetzt kann der ganze Napf mit Epoxyd- oder Polyestergießharz ausgegossen werden. Nach der Aushärtung sollte sich das Kernrohr durch Drehen aus der Baugruppe entfernen lassen. Sollte doch eine dünne Harzschicht über den Linsen liegen, muss diese mit einem Messer sorgfältig aus dem Strahlengang entfernt werden. Die Oberfläche sollte auf Schleifpappier plan geschliffen werden. Insbesondere bei Verwendung von Polyesterharz ist das dringend anzuraten, weil die Oberfläche nicht klebfrei aushärtet. Im Boden der Baugruppe ist jetzt nur noch das Kernloch auszubohren. Damit wäre die Baugruppe fertig. Ein erneuter elektrischer Test sollte auch jetzt noch positiv verlaufen.

Je nach Pumpenbetriebsart, benötigt man ein oder zwei dieser Sensoren pro Pumpe. Sie werden auf eine Schwimmerbaugruppe aufgefädelt. Diese wird dann in geeigneter Weise in der zu pumpenden Flüssigkeit platziert.
Diese Anordnung besteht im einfachsten Fall aus lichttransparentem Rohr (z.B. Acrylglas, Polystyrol o.ä.) mit 12mm Durchmesser. Ein Stück davon wurde ja bereits zur Formung des Sensorinnenlochs verwendet. Die Länge ist abhängig vom  Flüssigkeitsabstand zwischen Ober- und Unterpegel. Als "Unterbrecher" des Strahlengangs habe ich ein Alu-Rohr mit 8mm Durchmesser verwendet. Es muss locker im Außenrohr verschiebbar sein. Die Unterseite des Alu-Rohrs wird auf den eigentlichen Schwimmer gesteckt. Ich habe dazu eine verrottungsfreie Styroporkugel verwendet, die man im Baumarkt als Dekorationsmittel in der Pflanzenabteilung bekommt. Das Außenrohr wird mit zwei Schellen im Abpumpbehälter senkrecht befestigt, sodass der Schwimmer das Alurohr in Abhängigkeit vom Wasserstand verschiebt. Danach wird zunächst der untere Sensor platziert. Dazu wird an die vorgesehene Stelle zuerst ein straff sitzender O-Ring auf das Außenrohr geschoben. Darauf liegt dann der Sensor auf. Eine zusätzliche Fixierung ist nicht notwendig. Der Sensor für den oberen Pegel kann direkt auf dem unteren Sensor aufliegen. Damit ergibt sich ein minimaler Schaltabstand, der der Dicke der Sensors entspricht, also ca. 12 mm. Sollen größere Schaltabstände eingestellt werden, ist der obere Sensor mit einem eigenen O-Ring in geeigneter Höhe zu  positionieren. Durch diese Methode ist eine leichte Verschiebung der Sensoren möglich. Durch Lockern der Schellen kann das Gesamtsystem in der Höhe verstellt werden.
Diese Schwimmerbaugruppe hat aufgrund ihrer Bauweise einen sehr geringen Platzbedarf und kann sehr leicht an die Gegebenheiten angepasst werden. Aufgrund des Vergusses sind die Sensoren extrem witterungs- und feuchtigkeitsresistent. Ein dauerhafter Einsatz im Freien ist problemlos möglich.  Die Anschlussleitungen sind jetzt nur noch zur Steuerung zu führen und dort zu klemmen. Leitungslängen von 20m wurden positiv getestet. Der Einsatz längerer Leitungen sollte vorher erprobt werden.