Der Flüssigkeitsstand (Wasserstand) ist ein entscheidender technischer Parameter in zahlreichen Bereichen, darunter Petrochemie, Wasserwirtschaft und Wasserkraft, landwirtschaftliche Bewässerung, Umweltüberwachung, Wasserwerke und Kläranlagen. Gängige Füllstandssensoren sind: Drehgeber-Schwimmersensoren (mechanisch und fotoelektrisch), berührungslose Ultraschallsensoren, Drucksensoren und magnetische Schwimmerkontaktsensoren (kontinuierlich und als Pegelschalter). Ihre Auflösung reicht von Millimetern bis Zentimetern, ihre Messbereiche von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern. Mit Ausnahme der magnetischen Schwimmerkontaktsensoren eignen sich die anderen Sensoren im Allgemeinen für Anwendungen mit einem großen Messbereich. Druck- und Ultraschallsensoren verfügen typischerweise über einen Messumformer, der das Flüssigkeitsstandsignal in ein Standardstromsignal (4–20 mA) umwandelt. Drehgeber-Schwimmersensoren werden in mechanische und fotoelektrische Typen unterteilt, wobei fotoelektrische Sensoren weiter in absolute und inkrementelle Typen unterteilt werden. Diese Sensoren geben typischerweise parallele Binärcodes, serielle Binärcodes und Impulssignale aus. Mit Ausnahme intelligenter integrierter Sensoren (Druck oder Ultraschall) verfügen sie im Allgemeinen nicht über lokale Anzeige- und digitale Kommunikationsfunktionen. Für öffentliche Dienstleistungsbereiche wie die Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen, die Umweltüberwachung und die Abwasserbehandlung ist neben technischen Leistungsanforderungen wie Messgenauigkeit, Zuverlässigkeit, Wartungsfreundlichkeit und einfacher Installation auch der Preis ein entscheidender Faktor bei der Sensorauswahl. Daher haben wir einen kostengünstigen Flüssigkeitsstandsensor auf Basis eines magnetischen Schwimmerkontakts entwickelt. Dieser zeichnet sich durch einen kleinen Messbereich (≤ 150 cm), eine lokale Anzeige, eine RS-485-Schnittstelle und einen 4-20-mA-Ausgang aus. Aufbau und Funktionsweise des Sensors: Der Sensor besteht im Wesentlichen aus einer Anordnung von Reed-Kontakten mit gleichmäßigen Abständen von 1 cm, einem vollständig abgedichteten Edelstahl-Schutzrohr, einem kugelförmigen Magnetschwimmer, einer Detektionsschaltung, einer Sendeschaltung und einem LCD-Display. Das Grundprinzip besteht darin, die Position des kugelförmigen Magnetschwimmers, d. h. den Flüssigkeitsstand, durch die Erfassung des geschlossenen Zustands eines oder mehrerer Reed-Kontakte in der Reed-Kontaktanordnung anzuzeigen. Ein gängiges Detektionsverfahren verwendet einen Spannungsteiler, wobei die Ausgangsspannung Vo dem Spannungsteilerwert des i-ten geschlossenen Reed-Kontakts entspricht. Dieses Messverfahren erfordert eine präzise und stabile Stromversorgung Ve sowie einen Spannungsteilerwiderstand R. Mithilfe einer geeigneten Spannungswandlerschaltung (V/I) lässt sich ein Standardstrom von 4–20 mA erzielen. Werden jedoch mehrere Reed-Kontakte gleichzeitig eingeschaltet, beeinflusst dies das Widerstandsverhältnis des Spannungsteilers und führt zu einem großen Messfehler. Sollten ein oder mehrere Reed-Kontakte während der Messung dauerhaft leitend werden (Reed-Kontakt-Ausfall), kann die Messung nicht ordnungsgemäß durchgeführt werden. Um dies zu vermeiden und die Anpassungsfähigkeit des Sensors (Anzeige und Kommunikation vor Ort) zu verbessern, haben wir basierend auf praktischen Erfahrungen ein neues, tastaturähnliches Detektionsverfahren entwickelt, das dieses Problem effektiv löst. Die Detektionsschaltung besteht aus einem 89C2051-Mikrocontroller und mehreren seriell-parallelen Schieberegistern 74HC164, die auf der Reed-Kontakt-Array-Leiterplatte im Inneren des Messstabs verteilt sind und eine tastaturähnliche Abtaststruktur bilden. Die Reed-Kontakte befinden sich an den Schnittpunkten von Zeilen und Spalten. Durch Ansteuerung der Ausgänge der Schieberegister wird jede Spalte nacheinander auf einen niedrigen Pegel („0“) gesetzt. Anschließend wird der Zustand jeder Zeile (P1.0 bis P1.3) erfasst. Befindet sich eine Zeile im niedrigen Pegel („0“), ist der Reed-Kontakt am Schnittpunkt dieser Zeile und der Spalte im niedrigen Pegel geschlossen. Dadurch wird die Position des Schwimmers, d. h. der Flüssigkeitsstand, bestimmt. Da die Position jedes Reed-Kontakts eindeutig ist, ist auch der zugehörige Flüssigkeitsstand eindeutig. Die Senderschaltung verwendet den leistungsstarken Digital-Analog-Wandler AD421 von Analog Devices, Inc. Er verfügt über eine Σ-Δ-DAC-Struktur, eine 16-Bit-Auflösung, eine standardmäßige serielle Dreidraht-Datenschnittstelle und einen 4–20-mA-Stromschleifenausgang. Die 24-V-Stromversorgung des Senders kann über die integrierte Spannungsregelung und den Regeltransistor (DN25D) eine Betriebsspannung von +5 V, +3,3 V oder +3 V für externe Schaltungen bereitstellen. Zusätzlich stehen Referenzspannungen von +1,25 V und +2,5 V zur Verfügung. Die Kondensatoren C1, C2 und C3 sind nach dem integrierten DAC mit dem Timing-Filter verbunden. Die CPU lädt Daten mit der steigenden Flanke des CLOCK-Eingangs in den Dateneingang DATA, speichert sie im internen Schieberegister und mit der steigenden Flanke des LATCH-Eingangs im DAC-Latch. Dadurch wird das digitale Signal in ein 4–20-mA-Standardstromsignal umgewandelt. Die Software nutzt den integrierten 2-KB-Flash-Programmspeicher des 89C2051 zur Speicherung des Benutzerprogramms. Das Programm ist modular aufgebaut und umfasst im Wesentlichen Subroutinen zum Scannen von Reed-Schalterkontakten, zur Berechnung des Flüssigkeitsstands, zur D/A-Ausgangssteuerung, zur LCD-Anzeige und zur RS-485-Kommunikation. Die Reed-Schalter-Kontakt-Scanroutine durchsucht die Spalten spaltenweise, liest den Zustand jedes Reed-Schalter-Kontakts zeilenweise und ordnet ihn ab Zeile 20H dem internen Datenspeicher zu. Ihr Programm lautet wie folgt: Reed-Schalter-Kontakt-Scanroutine SCAN: MOV R7, X; Initialisierung des Schleifenzählers = Anzahl der 74HC164-Chips × 4 MOV R0, #20H; Initialisierung des Speichereinheitszeigers CLR P1.5; Setze den seriellen Eingang des 74HC164 auf "0" NOP SCA: CLR P1.4 NOP SETB P1.4; Generiere einen Schiebeimpuls am Takteingang des 74HC164 MOV A, P1; Lese den Zeilenwert ANL A, #0FH; Speichere die unteren 4 Bits MOV B, A; Zwischenspeicherung CLR P1.4 NOP SETB P1.4; Um ein Bit verschieben (nächste Spalte scannen) MOV A, P1 ANL A, #0FH SWAP A ORL A, B; Zustände zweier benachbarter Spalten zu einem Byte zusammenführen MOV @R0, A; Im Bildspeicher speichern INC R0; Zum nächsten Bildspeicher zeigen DJNZ R7, SCA; Schleife RET; Zurück. Aufgrund des Einflusses der Magnetfeldverteilung des Magnetschwimmers können mehrere benachbarte Reed-Kontakte gleichzeitig bei der entsprechenden Flüssigkeitsstandposition schließen. Daher berücksichtigt das Programm unterschiedliche Verarbeitungsergebnisse für verschiedene Zustandskombinationen. Für den Fall, dass einzelne Reed-Kontakte dauerhaft leiten, wendet die Software entsprechende Verarbeitungsmaßnahmen an, d. h. sie verwendet die Kontaktänderung, um die aktuelle Position des Magnetschwimmers (d. h. den Flüssigkeitsstand) zu bestimmen. Fazit: Dieser Sensor eignet sich sehr gut zur Messung kleiner Verschiebungen. Die Messmethode ist einfach, unempfindlich gegenüber Umgebungstemperatur und dauerhaft leitenden einzelnen Reed-Kontakten, zeichnet sich durch gute Stabilität, hohe Anpassungsfähigkeit, einfache Installation und Wartung aus. Da es Sensorik, Übertragung und Kommunikation integriert, lässt es sich leicht mit computergestützten Erkennungs- und Steuerungssystemen verbinden, wodurch bequem ein vernetztes Anwendungssystem gebildet wird, was die Systemkosten erheblich senkt und in den Bereichen Wasserwirtschaft, Umweltschutz und landwirtschaftliche Bewässerung weit verbreitet eingesetzt werden kann.