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Elektronische Wasserdurchflusssensoren haben viele praktische Anwendungen. Lesen Sie unseren Ratgeber und erfahren Sie, wie Sie sie in einem Arduino-basierten Projekt verwenden können.
Wasserdurchflusssensorenauch Durchflussmesser genannt, ermöglichen die genaue Messung der Wassermenge, die zu einem beliebigen Zeitpunkt (momentaner Durchfluss) oder in einem bestimmten Zeitintervall (Gesamtdurchfluss) durch ein Rohr fließt. Die verschiedenen Durchflussmessgeräte unterscheiden sich in ihrer Bauweise und folglich auch in ihrer Messmethode, wobei jedes seine charakteristischen Vorteile und (wie im Leben üblich) auch einige Nachteile hat.
Arten von Wasserdurchflusssensoren
Mechanische Durchflussmesser sind bei weitem die traditionellsten und wahrscheinlich die am häufigsten verwendeten Durchflusssensoren für Wasser (und andere Medien, einschließlich Luft). Durchflussmesser mit Turbinen zeichnen sich in dieser Kategorie besonders aus – die Bewegung der Wassermasse treibt ein leichtes, rotierendes ” Rädchen” (Turbine) an, das mit einem Impulsgeber verbunden ist. Letzteres kann auf verschiedene Weise realisiert werden – z. B. mit einem Halleffekt und einem kleinen Magneten, einem optischen Sensor (Optokoppler) oder einem einfachen mechanischen Kontakt. Jede Umdrehung entspricht einem Impuls (oder mehreren Impulsen), was eine einfache Berechnung der Wassermenge ermöglicht, die in einem bestimmten Zeitintervall durch das Rohr fließt.
Elektromagnetische Durchflussmesser nutzen das Faraday’sche Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Der Fluss einer Flüssigkeit durch den Bereich eines extern angelegten Magnetfeldes erzeugt eine Spannung, die proportional zur Geschwindigkeit des Mediums ist. Spezielle Elektroden, die in der Rohrleitung angebracht sind, zeichnen eine kleine Potenzialdifferenz auf, die dann von einem Mikrocontroller in einen Durchflusswert umgewandelt wird, der als Volumeneinheit pro Zeiteinheit (z. B. l/min) ausgedrückt wird. Ein wichtiger Vorteil dieser Gruppe von Durchflusssensoren besteht darin, dass sie keine beweglichen Teile haben, was ihre Lebensdauer deutlich erhöht und die Auswirkungen von Störungen im fließenden Wasserstrom, die durch Sensorelemente verursacht werden, verringert.
Ultraschall-Durchflusssensoren beruhen auf einer Änderung der Frequenz der zum Detektor zurückkehrenden Wellen (Doppler-Effekt) oder auf dem Unterschied in der Laufzeit des Überschallwellenstrahls durch die strömende Flüssigkeit. Besonders wichtig ist, dass diese Geräte nicht mit Wasser in Berührung kommen müssen, was sie ideal für die Arbeit in schmutzigen Umgebungen macht.
Anwendungen für Durchflussmessgeräte
Wasserdurchflusssensoren finden eine Reihe von Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen und Technologien. Im Folgenden werden einige der wichtigsten Bereiche genannt, in denen diese Elemente am häufigsten zu finden sind.
- Überwachung des Wasserverbrauchs – dies ist vielleicht die beliebteste Anwendung. Durchflussmesser werden häufig in Haushalten, Büros und anderen Einrichtungen eingesetzt, um den Wasserverbrauch für Abrechnungszwecke zu überwachen.
- Industrie – Flüssigkeitsdurchflusssensoren sind unentbehrlich für die Steuerung von Prozessen, bei denen es auf die genaue Menge an Wasser ankommt, die einer Anlage oder Installation zugeführt oder entnommen wird – unter anderem in der Lebensmittel-, Chemie-, Pharma- oder Energieindustrie.
- Landwirtschaft und Bewässerung – Durchflussmesser sind eine Schlüsselkomponente von Bewässerungssystemen, die für die ordnungsgemäße Bewässerung von Nutzpflanzen verantwortlich sind. Sie ermöglichen es, die dem Boden zugeführte Wassermenge zu überwachen und richtig zu steuern, was für optimale Ernteerträge und eine schnelle Reaktion auf eine drohende Dürre äußerst wichtig ist.
- Hochwasserschutzsysteme – die betreffenden Sensoren werden häufig zur Überwachung des Wasserflusses in Flüssen und Kanälen eingesetzt, um mögliche Überschwemmungen frühzeitig zu erkennen.
Katalogparameter für den Wasserdurchflusssensor am Beispiel des Modells YF-S402
Der bei uns erhältliche Flüssigkeitsdurchflusssensor YF-S402 ist ein hervorragendes Beispiel für einen Impuls-Durchflussmesser, der nach dem Prinzip der Messung der Geschwindigkeit eines Rotors arbeitet, an dem ein Dauermagnet befestigt ist und der durch fließendes Wasser angetrieben wird. Im Inneren des Sensors befinden sich kleine Hallsensoren, die elektromagnetische Impulse mit einer Frequenz erzeugen, die der Geschwindigkeit der Turbine entspricht.
Der kompakte Sensor verfügt über einen großen Messbereich von 0,3 bis 6 Litern pro Minute (l/min) und ist damit ideal für kleine bis mittelgroße Anwendungen wie Bewässerungsanlagen, Aquarien oder Hausautomatisierungsanlagen.
Die Versorgungsspannung des Sensors reicht von 5 V bis 24 V, so dass er sowohl in Mikrocontroller-basierte Systeme mit niedriger Spannung (z. B. Arduino) als auch in industrietaugliche Steuerungen (z. B. SPS) integriert werden kann. Ein Impuls entspricht einer einzigen Umdrehung der Turbine und bedeutet, dass ein Flüssigkeitsvolumen von etwa 13,7 ml den Sensor durchläuft.
Aufgrund seiner geringen Größe, des einfachen Anschlusses und der Korrosionsbeständigkeit ist der YF-S402-Sensor eine beliebte Wahl für Hobby- und Profi-Anwender, die einen effektiven und preiswerten Durchflussmesser suchen.
Anschluss eines mechanischen Durchflussmessers an einen Arduino
Der Anschluss des Turbinenwasserdurchflusssensors an den Arduino-Mikrocontroller ist relativ einfach, da nur wenige Schritte erforderlich sind. Zuerst ist es wichtig, die Anschlussbelegung (der Kabel) des Durchflussmessers festzustellen – im Falle des bereits erwähnten Modells YF-S402 gibt es drei Pins: VCC (Strom, ‘+’ – rotes Kabel), GND (Masse, ‘-‘ – schwarzes Kabel) und OUT (Ausgangssignal – weißes Kabel). Das Stromkabel des Sensors sollte an die 5V-Leitung des Arduino-Boards angeschlossen werden, während der GND-Pin an einen beliebigen Masse-Pin des Hauptmoduls angeschlossen werden sollte. Das Signalkabel des Sensors hingegen muss an einen beliebigen digitalen Eingangspin des Arduino angeschlossen werden – die Wahl eines bestimmten Pins hängt von der Verfügbarkeit von GPIO-Leitungen ab – es sollte darauf geachtet werden, dass der gewählte Pin nicht mit den Anschlüssen des Arduino Shield Overlays “kollidiert”, falls das Projekt die Verwendung eines solchen vorsieht, versteht sich.
Die Impulszählung kann programmatisch mit einer der drei Standardtechniken durchgeführt werden. Die einfachste, aber auch am wenigsten recheneffiziente Methode ist die Abfrage von Eingangsleitungen (Signalen) in einer Endlosschleife. Diese Lösung nimmt jedoch CPU-Zeit in Anspruch, die für andere Aufgaben verwendet werden könnte (z. B. für die Bedienung der Anzeige oder der UART-Schnittstelle). Eine bessere Lösung wäre die Verwendung von Interrupts (Funktion attachInterrupt) – die Inkrementierung der variablen Zählimpulse kann auf einige wenige Anweisungen reduziert werden, die asynchron über eine Hardware-Interrupt-Behandlung aufgerufen und von der ausgewählten GPIO-Portleitung gemeldet werden. Die dritte Technik erfordert die Verwendung eines Hardware-Timers/Zählers – jeder Mikrocontroller verfügt über mindestens einen solchen Peripheriebaustein, der mit einem Eingang ausgestattet ist, der das Zählen von Impulsen ohne jeglichen Eingriff des Hauptprogramms ermöglicht (letzteres muss nur von Zeit zu Zeit den Inhalt des Zählerregisters lesen und es zurücksetzen, um einen Überlauf zu verhindern).
