DE9410407U1

DE9410407U1 - Elektronische Steuerschaltung zur Steuerung einer Pumpe, angeschlossen an einen Vorratsbehälter mit einer Flüssigkeit

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Publication number: DE9410407U1
Application number: DE9410407U
Authority: DE
Original assignee: MARX BERNHARD DIPL ING
Current assignee: MARX BERNHARD DIPL ING
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1994-06-28
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2004-06-29

Description

Elektronische Steuerschaltung zur Steuerung einer Pumpe, angeschlossen an einen Vorratsbehälter mit einer Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuerschaltung, die zur Steuerung einer Pumpe dient, die aus einem Vorratsbehälter eine Flüssigkeit, insbesondere Regenwasser, fördert.

In der Praxis wird die Flüssigkeit in diesem Behälter durch eine Pumpe abgepumpt, die abhänig vom Flüssigkeitsniveau in diesem Behälter aus- bzw. eingeschaltet werden kann. Die elektrische Steuerung von Pumpen, abhänig von bestimmten Flüssigkeitsständen, wird gewöhnlich direkt bzw. indirekt durch Schwimmerschalter erreicht, vgl. DE 24 42 875, DE 26 43 355, DE 27 06 457, EP 0 151 663, oder durch Schwimmer in Verbindung mit einem Reed-Schalter, vgl. DE 28 38 723.

Diese verschiedenen Pegelerfassungssysteme sind von der Bauweise her recht kompliziert, vom Anschaffungspreis her teuer, und ihre Ausfallsicherheit ist nicht hoch.

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine elektronische Steuerschaltung bereitzustellen, die auf die bislang bekannten Pegelerfassungssysteme verzichten kann und an deren Stelle, mit einfachen Fühlern auskommt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch in einem Vorratsbehälter für eine Flüssigkeit, insbesondere Regenwasser, in verschiedenen Höhen angebrachten Fühlern für die Steuerung von äußeren Organen, z.B. einer an den Vorratsbehälter angeschlossenen Hauswasserpumpe, mit einem oberhalb der für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühlern vorgesehenen Reservefühler, und mit einer Steuereinrichtung, welche bei Ausfall des untersten Fühlers für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühler automatisch den verbleibenden aktiven, für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühler zusammen mit dem Reservefühler betreibt. Man erreicht so in höchst einfacher Weise eine wesentliche Erhöhung der Betriebssicherheit, insbesondere den Schutz einer angeschlossenen Pumpe davor, trocken zu laufen, wenn der unterste Fühler defekt wird. Denn durch einfache Mittel wird bei der Erfindung die Redundanz erhöht, was die Verwendung einfacher und preiswerter Fühler gestattet.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Fühler als in die Flüssigkeit ragende Elektrode und insbesondere als Draht ausgebildet. Dies ermöglicht eine sehr preiswerte Herstellung, da solche Fühler weitaus billiger sind als die üblichen Schwimmerschalter. Derartige Fühlerdrähte können z.B. einen Querschnitt von 1,5 qmm haben. Ihr Nachteil besteht allerdings darin, daß sie nach einer nicht vorhersehbaren Zeit ausfallen werden, wobei davon ausgegangen werden kann, daß der Fühlerdraht mit der häufigsten Wasserberührung, also der Fühlerdraht für den untersten Pegelstand, als erster ausfallen wird, wodurch es zur Nichtverfügbarkext

der Pumpeinrichtung kommen würde. Dies wird aber durch die erfindungsmäßige Redundanz aufgefangen.

Eine weitere Verbesserung der Sicherheit und Redundanz ergibt sich bei einem solchen Vorratsbehälter, bei welchem eine logische Schaltung vorgesehen ist, welche nach Ausfall des untersten für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühler und automatischer Umschaltung auf den Reservefühler den Ausfall des zweiten, für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühler derart umsetzt, daß die Versorgungsspannung für die Pumpe abgeschaltet bleibt.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform eines Vorratsbehälters und der zugehörigen erfindungsmäßigen Steuerschaltung, sowie die zugehörige Fühleranordnung zeigt, und

Fig. 2 eine Darstellung der wesentlichen Elemente der Steuerschaltung.

Fig. 1 zeigt einen Flüssigkeitsbehälter 19, z.B. einen Behälter für Regenwasser. Diese Behälter sind oftmals aus Beton hergestellt und werden außerhalb des Hauses im Erdreich eingegraben. Sie verfügen in der Regel über einen Zulauf 16, durch den das Regenwasser in den Behälter geleitet wird und über einen Ablauf 17, über den das Fassungsvermögen des Behälters überschreitende Wasser in die Kanalisation abgeleitet wird. Über eine weitere Öffnung 18, die sich oberhalb des Ablaufs 17 befinden muß, werden die nötigen Leitungen, Fühlerkabel 46 das die Fühlerdrähte 20, 21, 22 und 23 beinhaltet und die Ansaugleitung 41 der Pumpe 40, zum Haus geführt .

Durch die Hauswasserpumpe 40, die über die Ansaugleitung 41 das benötigte Wasser fördert, wird das zur Versorgung der Verbraucher vorgesehene separate Rohrleitungsnetz 42 unter Druck gehalten. Fällt der Wasserdruck im Rohrleitungsnetz 42, bedingt durch das Einschalten eines Wasserverbrauchers z.B. Toilettenspülung wird benutzt, ab, so schaltet sich die Pumpe 40, sofern diese, über den Kabelanschluß 45 und über die Steuereinrichtung 30 an die Spannungsversorgung 43 (Netzspannung z.B. 220 Volt) angeschaltet ist ein und fördert eine entsprechende Menge Wasser aus dem Vorratsbehälter 19 heraus, sodaß der nötige Wasserdruck im Rohrleitungssystem 42 wieder hergestellt wird. Die Pumpe 40 muß von der Steuereinrichtung 30, über den Stromanschluß 45 so gesteuert werden, daß bei zu niedrigem Flüssigkeitsniveau 32 die Versorgungsspannung 43 für die Pumpe 40 abgeschaltet wird, sodaß ein Einschalten der Pumpe 40, bedingt durch

den Druckabfall im Rohrleitungsnetz 42 nicht mehr erfolgen kann, wodurch die Pumpe 40 gegen trockenlaufen geschützt wird, was somit eine Zerstörung derselbigen verhindert. Aus diesem Grund sind im Behälter mindestens drei Fühler 20, 21 und 22 vorgesehen, welche die Form einer in die (leitende) Flüssigkeit 33 ragende Elektrode haben, z.B. eines Drahtes mit einem Querschnitt von 1,5 qmm. Als Montagefläche 50, die sozusagen als Träger oder Halter für die Fühlerleitungen dient, wird z.B. ein Kabelkanaldeckel, der aus Kunststoff besteht und somit nicht leitfähig ist, verwendet. Die Befestigung 51 der Fühlerdrähte erfolgt durch Bindedraht, der durch Löcher, die sich leicht mit Hilfe einer Bohrmaschine herstellen lassen, geführt wird, die sich beidseitig neben dem Fühlerdraht befinden und auf der Rückseite des Trägers 50 verdrillt werden. Es ist wichtig, daß der Bindedraht isoliert ist, damit Kontaktschlüsse von dem Massedraht 23 und den Fühlerdrähten 20, 21 und 22, über den Bindedraht, verhindert werden. Der Massedraht 23 wird auf der ganzen Länge, vom obersten Fühler bis zum untersten Fühler, abisoliert und mittig auf dem Träger 50 in der eben angegebenen Weise befestigt. Durch ein am untersten Punkt des Halters 50 befindliches Loch 24, läßt sich die Masseleitung 23, hier hindurchgeführt, leicht befestigen. Desweiteren wird dadurch eine Verschiebung des Halters 50, bezogen zu den Fühlerdrähten 20, 21 und 22 auf einfache Weise verhindert .

Die Fühlerdrähte 20, 21 und 22 werden, durch die Befestigungen 51 gehalten, an die vorgesehenen Pegelmarken geführt. Die Fühlerdrähte 21 und 22 werden ca. 15 mm am Ende abisoliert und in einem Abstand von ca. 5 mm von der Masseleitung 23, abgewinkelt vom Halter 50, montiert. Die Montage des untersten Fühlers 20 unterscheidet sich in folgender Weise von der Montage der restlichen Fühler 21 und 22. Der Fühler 20 wird nur ca. 10 mm am Ende abisoliert und in einem Abstand von ca. 15 mm von der Masseleitung 23, abgewinkelt vom Halter 50, montiert.

Das Abwinkein der Fühlerdrähte 20, 21 und 22 und die unterschiedliche Montageart des Fühlers 20 zu den Fühlern 21 und 22 hat folgende Gründe:

Durch das Abwinkein der Fühlerdrähte, diese befinden sich somit quasi freistehend neben der Masseleitung 23, reißt ein sich eventuell einstellender Wasserfilm, bei zurückgehendem Wasserpegel 32 mit Sicherheit ab, sodaß der Steuerung 30 kein Pegelstand vorgetäuscht wird, der real nicht vorhanden ist.

Durch die kürzere Abisolierung und den größeren Abstand zur Masseleitung 23 beim Fühler 20, wird eine Erhöhung des Übergangswiderstandes erreicht, was dennoch die Funktion dieses Fühlers 20 zuläßt, aber auf der anderen Seite dafür sorgt, daß dieser Fühler 20 als erster, vor den restlichen Fühlern 21 und 22 ausfallen wird.

— 7 —

Die Aufhängung 52 der gesamten Fühlereinrichtung 53 läßt sich mit einem Stück Bindedraht und einem entsprechenden Deckenhaken einfach bewerkstelligen. Die Befestigung 54 des Fühlerkabels 46 an dem Träger 50 ist in der gleichen Art und Weise gestaltet wie die Befestigungen 51 der Fühlerdrähte .

Erreicht das Niveau 32 der Flüssigkeit 33 z.B. den mittleren Fühler 21, so wird von ihm eine leitende Verbindung zur Masseleitung 23 hergestellt, und sein Potential sinkt entsprechend, wodurch über ein elektronisches Steuergerät 30 die Versorgungsspannung 43, über den Kabelanschluß 45, der Pumpe 40 eingeschaltet wird, so daß Flüssigkeit aus dem Behälter 19 herausgepumpt werden kann. Sinkt der Pegel 32 aufgrund des Wasserverbrauches ab und unterschreitet den untersten Fühler 20, wird dessen Verbindung mit der Masseleitung 23 unterbrochen, wodurch die Versorgungsspannung 43, über den Kabelanschluß 45, für die Pumpe 40 ausgeschaltet wird, so daß die Pumpe 40 nicht trockenlaufen kann.

Infolge Korrosion, Alterung und im wesentlichen bedingt durch die Montageart, wird der Fühler 20 irgendwann ausfallen, und für diesen Fall ist der oberste Fühler 22 vorgesehen, der, ebenso wie die Fühler 20 und 21 und die Masseleitung 23, an das Steuergerät 30 angeschlossen ist.

8 W WW ·· W* w W W

Das Steuergerät 30 ist so ausgebildet, daß es den Ausfall des Fühlers 20 erkennt, und daß es automatisch umschaltet auf die Kombination des Reservefühlers 22 und des noch arbeitenden Fühlers 21. Außerdem kann bei Ausfall des Fühlers 20 ein Signal gegeben werden: Fühler defekt, damit der Schaden behoben werden kann.

Dies erlaubt die Verwendung sehr preiswerter Fühler in Form einfacher Elektroden, die in die Flüssigkeit ragen, z.B. in das Regenwasser.

Die Schaltfunktion wird also durch zwei unterschiedliche Pegelhöhen bestimmt, nämlich entweder die Pegel der Fühler

20 und 21, oder die Pegel der Fühler 21 und 22. Dadurch erreicht man ein Hystereseverhalten.

Im störungsfreien Betrieb wird mit PE_0_AUS 20 {Pegel/Leer/ Ausschalten) die Pumpe ausgeschaltet und mit PE_0_EIN 21 (Pegel/Leer/Einschalten) die Pumpe eingeschaltet. Tritt die Störung, Ausfall von PE_0_AUS 20, auf, so wird die Schaltfunktion automatisch von den Fühlern PE_0_EIN 21 und PE_RESERVE 22 übernommen, wobei jetzt aber dem Pegel PE_0_EIN

21 die "Ausschaltfunktion" und dem Pegel PE_RESERVE 22 die "Einschaltfunktion" obliegt.

Im zweiten Schritt erfolgt die Erläuterung der Arbeitsweise anhand der in Fig. 2 aufgezeigten Steuerschaltung 30.

Die Umsetzung der Fühlerinformationen 20, 21 und 22 in digitale Steuersignale, die so aufbereitet von der Steuerschaltung 30 erst verarbeitet werden können, wird von einer "Fühleranschaltung" übernommen, die nicht weiter ausgeführt zu werden braucht, da sie für den Fachmann kein allzugroßes Problem darstellt.

Diese "Fühleranschaltung" ist so konstruiert, daß durch die geringe Spannung von ca. 4 Volt auf einer Fühlerleitung z.B. 20 und durch den extrem hohen Eingangswiderstand nur ca. 40 Mikro-Ampere auf der Fühlerleitung z.B. 20 fließen können, sodaß keinerlei Gefahr für Leib und Leben besteht. Ein weiterer Vorteil der "Fühleranschaltung" besteht in der Tatsache, daß durch die Fühlerdrähte 20, 21 und 22 kein Gleichstromanteil fließen kann und somit elektrolytische Vorgänge, die die Fühlerleitungen in doch relativ kurzen Zeitabständen zerstören könnten, weitgehend ausgeschlossen sind.

Um die Steuerschaltung 30 in ihrer Gesamtheit darstellen und erklären zu können, ist es erforderlich, daß auch Steuersignale die für die "Hochlaufphase" (Spannung wird eingeschaltet) wichtig sind, mit aufgezeigt werden.

Im folgenden werden die Steuersignale und deren Bedeutung erläutert. Allgemein gilt, daß unter "1" = High-Pegel (z.B. 12V) und unter "0" = Low-Pegel (OV) zu verstehen ist.

- 10 -

— 1 &ugr; —

PE_O_AUS_AKTIV = "1", wenn sich Wasser an der Pegelmarke

PE_O_AUS befindet.

PE_O_AUS_INAKTIV = "1", wenn sich kein Wasser an der Pegelmarke PE_O_AUS befindet.

PE_O_EIN_AKTIV = "1", wenn sich Wasser an der Pegelmarke

PE_O_EIN befindet.

PE_O_EIN_INAKTIV = "1", wenn sich kein Wasser an der Pegelmarke PE_O_EIN befindet.

PE_RESERVE_AKTIV = "1", wenn sich Wasser an der Pegelmarke

PE_RESERVE befindet.

AUSFALL_PE_O_AUS = "1", wenn der Ausfall von PE_0_AUS von der

dafür vorgesehenen Steuerlogik, erkannt wird. Dieser Ausfall wird frühestens erkannt, wenn das Wasser PE_0_EIN erreicht hat. Ein Ausfall äußert sich derart, daß PE_O_AUS_AKTIV nicht mehr "1" wird.

RESET_SPG_EIN = "1", kurzer "1"-Impuls, der von der dafür

vorgesehenen Steuerlogik erzeugt wird, wenn die Steuerung "hochläuft". Hierdurch werden die Flip-Flop's auf einen definierten Ausgangszustand gesetzt (resetet).

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START_SPG_EIN = "1", kurzer "1"-Impuls, der von der dafür

vorgesehenen Steuerlogik erzeugt wird, wenn die Steuerung "hochläuft".

STEUERSIGNAL: durch eine "1" wird die Pumpe eingeschaltet,

durch eine "0" wird die Pumpe ausgeschaltet .

Die Funktionalität der in Fig. 2 dargestellten Steuerschaltung 30 wird anhand von konkreten Beispielen erläutert.

Störungsfreier Betrieb!

- Wasser erreicht PE_0_AUS:

Es erfolgt keine Schalthandlung

- Wasser erreicht PE_0_EIN:

Über Gatter (2), durch PE_0_EIN_AKTIV, Flip-Flop (1) und Gatter (3) wird das STEUERSIGNAL gleich "1", das durch das Flip-Flop (1) gehalten wird, auch wenn das Wasser unter PE_0_EIN sinkt

- Wasser sinkt unter PE_0_AUS:

Flip-Flop (4) wird gesetzt (Q="l") und quasi gleichzeitig über Gatter (5) wieder rückgestellt (Q=¹¹O"), sodaß ein kurzer Reset-Impuls entsteht, der über Gatter (6) das Flip-Flop (1) rückstellt, wodurch auch das STEUERSIGNAL über Gatter (3) abgeschaltet, d.h. gleich "0" wird

- 12 -

Gestörter Betrieb!

Ausgangspunkt:

Der Ausfall von PE_0_AUS findet statt, wenn sich das Wasser unter PE_0_EIN befindet.

In diesem Fall erkennt die Steuerung den Ausfall von PE_0_AUS als "richtigen Ausschaltfall", wie er zuvor beschrieben wurde, was dem funktionalen Ablauf auch nicht entgegenspricht.

- Wasser erreicht PE_0_EIN:

Der Ausfall von PE_0_AUS wird erkannt und das Signal AUSFALLJ?E_0_AUS wird ¹¹I", es erfolgt keine Schalthandlung

- Wasser erreicht PE_RESERVE:

Über Gatter (7), Gatter (8), Flip-Flop (9) und Gatter (3) wird das STEUER_SIGNAL gleich "1", das durch das Flip-Flop (9) gehalten wird, auch wenn das Wasser unter PE_RESERVE sinkt

- Wasser sinkt unter PE_0_EIN:

Über Gatter (10), durch PE_O_EIN_INAKTIV, wird das Flip-Flop (9) rückgestellt, wodurch auch das STEUER_SIGNAL über Gatter (3) abgeschaltet wird

- 13 -

Ausgangspunkt:

Zuerst liegt ein störungfreier Betrieb vor und das Wasser hat PE_0_EIN erreicht (anfangs beschrieben).

Nun fällt PE_0_AUS aus, der Ausfall wird sofort erkannt und das Signal AUSFALL_PE_O_AUS wird "1", es erfolgt keine Schalthandlung.

- Wasser sinkt unter PE_0_EIN:

Flip-Flop (11) wird gesetzt und quasi gleichzeitig über Gatter (12) wieder rückgestellt, sodaß ein kurzer Reset-Impuls entsteht, der über Gatter (6) das Flip-Flop (1) rückstellt, wodurch auch das STEUERSIGNAL über Gatter (3) abgeschaltet wird

Hochlaufphase!

Über das Gatter (13), sowie das Gatter (2), wird ein kurzer "1"-Impuls, ausgelöst durch START_SPG_EIN, übertragen, wenn sich der Wasserstand über PE_0_EIN befindet. Liegt kein gestörter Betrieb vor, so wird über Flip-Flop (1) und Gatter (3) das STEUERSIGNAL gesetzt.

Über das Gatter (14), sowie das Gatter (8), wird ein kurzer "!"-Impuls, ausgelöst durch START_SPG_EIN, übertragen, wenn sich der der Wasserstand über PE_0_EIN befindet und der gestörte Betrieb vorliegt. Über das Flip-Flop (9) und Gatter (3) wird, in diesem Fall, das STEUERSIGNAL gesetzt.

Mit Hilfe der eben vorgestellten Steuerschaltung, ist es gelungen, auch den Einsatz billigster Fühlereinrichtungen zu ermöglichen, die bislang keine Chance hatten, in diesem Einsatzgebiet eingesetzt zu werden.

Zusätzlich wird verwiesen auf die belügende allgemeine Beschreibung in Form einer "Leistungsbeschreibung", die die eben vorgestellte Steuerung, in Verbindung mit anderen "Steuerungselementen" beschreibt.

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1. Einleitung

Aus Gründen des Umweltschutzes und der Kostenersparnis ist es sinnvoll, so wenig Wasser wie möglich zu verbrauchen. Es besteht kein Zweifel daran, daß man in Zukunft, bei steigenden Wasserkosten, diesem Problem noch verstärkt Aufmerksamkeit widmen muß.

In der Verwendung von Regenwasser sehe ich eine sinnvolle Möglichkeit dieses Problem zu lösen.

Mittlerweile werden von Firmen Systeme angeboten, die Regenwasser für Toilettenspülungen, Waschmaschinen und Gartenbewässerungsanlagen verwenden. In diesem Zusammenhang werden auch die verschiedensten elektrischen Systeme zur Füllstandsanzeige bzw. Füllstandsüberwachung offeriert.

Meine bisherigen Erfahrungen zeigen mir, daß für den Bereich "Privater Haushalt" derzeit am Markt nur unzureichende bzw. viel zu teuere Lösungen vorhanden sind.

Mein Ziel war, eine Steuer- und Überwachungseinrichtung zu konzipieren, die dem Anwender eine Vielzahl von Features, bei einem günstigen Preis bietet.

Um die Hauptbedürfnisse des Anwenders zu befriedigen, sind meines Erachtens zwei Punkte besonders zu beachten:

- Anbietung mehrerer Pegelanzeigen

- Verwendung extrem günstiger Fühlereinrichtungen, wobei auch der Anschluß von Sensoren möglich ist

Die im folgenden beschriebene, elektrische Steuerung überwacht mehrere Pegelstände in einem Behälter. Abhängig von verschiedenen Pegelständen können zwei Relais geschaltet werden. Ein Relais ist dem minimalen Pegelstand fest zugeordnet und nimmt eine Sonderstellung, Stichwort "Trockenlaufschutz", ein. Das zweite Relais läßt sich wahlweise durch steckbare Parametrierbrücken (Jumper) einem Pegelstand zuordnen. Ein drittes Relais dient der Alarmierung, wenn sich ein bestimmter Fehlerfall bei der Pegelerfassung einstellt.

Bei der Realisierung der Steuerung habe ich bezüglich des minimalen Pegelstandes folgendem Problem besondere Aufmerksamkeit gewidmet.

In einem Behälter, der zur Wasserspeicherung benutzt wird, kommt es zwangsläufig zur Bildung von Wasserwellen. Tritt nun die Wellenbildung gerade beim kritischen Pegelbereich um die Pegelschaltmarke herum auf, so wird das Relais mehrmals umgeschaltet. Dieses mehrmalige, ungewollte Umschalten sollte meiner Meinung nach unterdrückt werden und es sollten nur Schalthandlungen ausgeführt werden, die dem realen Betriebszustand entsprechen.

- 18 -

— •••J » O # ···

Aufgrund meiner bisherigen Testerfahrungen, Einsatz des Prototyp-0 in einer Regenwassernutzungsanlage seit Januar '93, habe ich mich entschlossen, einen Prototyp-1 zu realisieren, der die bislang gemachten Erfahrungen berücksichtigt.

Ich habe die Steuerung in CMOS-Technik (12 Volt) entwickelt und auf einer Montageplatte montiert.

Diese Beschreibung basiert auf meinen bisherigen Testergebnissen, da der Prototyp-1 noch keinem längeren, realen Betrieb ausgesetzt war.

Ich hoffe, daß meine Steuerung einen Beitrag zu einem sicheren und korrekten Ablauf einer Füllstandsüberwachung leistet.

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2. Aufbau der Steuerung

Die gesamte Steuerung besteht aus drei separaten Funktionseinheiten, die sich jeweils auf einer Platine befinden. Diese Funktionseinheiten sind die Platine "Netzteil", "Fühler" und "Steuerung/Überwachung".

Der Informationsaustausch der Platinen untereinander erfolgt über fest verdrahtete Steuerleitungen.

Alle externen Anschlüsse der Steuerung sind über Klemmleisten geführt.

Die notwendigen anwenderspezifischen Parametrierungen werden durch Steckbrücken (Jumper) auf der jeweiligen Platine vorgenommen .

An dieser Stelle möchte ich, zum besseren Verständnis, einen globalen Überblick über die Aufgaben der einzelnen Funktionseinheiten geben.

Eine genaue Beschreibung der Funktionseinheiten "Fühler" und "Steuerung/Überwachung" findet zu einem späteren Zeitpunkt statt.

Auf eine weitergehende Beschreibung der Platine "Netzteil" kann meines Erachtens verzichtet werden, da die Funktionalität hier ausreichend beschrieben wird.

Die Aufgaben der einzelnen Funktionseinheiten sind:

Platine "Netzteil":

. Bildung der 12V-Versorgungsspannung

. Aufnahme der drei Relais (REL_....) incl. der Ansteuerschaltung und deren Betriebsanzeigen mittels Leuchtdioden (LED)

Platine "Fühler";

. Erfassung der Pegelstände (PE_. ...) im Vorratsbehälter . Ansteuerung der Leuchtdioden (LED_-....), die den Füllstand anzeigen

Platine "Steuerung/Überwachung":

. Steuerung der Relais und funktionale Überwachung . Automatischer Systemanlauf nach Wiederkehr der Versorgungsspannung

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3. Anschaltungen der Steuerung an die Klemmleisten

Im folgenden wird ein prinzipieller Überblick über die sich zu realisierenden Anschaltungen gegeben.

3.1. Netzanschluß 220V

Der Netzanschluß muß phasenrichtig auf die Klemmen mit der Bezeichnung "PH" (Phase), "MP" (Mittelpunktsleiter, Nulleiter) und "Erde" aufgelegt werden.

Er versorgt die Steuerung selbst, die "Arbeitsstromkreise" die durch die Relais geschaltet werden und ggf. das "Schütz", daß zur Schaltung von größeren Leistungen vorgesehen ist. Im Idealfall steht eine separate, ausreichend dimensionierte Absicherung zur Verfügung.

3.2. Steueranschlüsse 220V

Hierzu zählen die geschalteten Ausgänge der Relais bzw. des Schützes.

Die durch das jeweilige Relais, "Relais minimaler Pegelstand" (REL_MIN), "Relais Parametrierung" (RELJPARAM) und "Relais Alarmierung" (REL_ALARM) geschaltete Spannung beträgt U=220V und der Strom mehrere Ampere je Relais.

Für diese Werte liegen jeweils ein Öffner- und ein Schließerkontakt vor. An den Klemmen "MP" und "Erde" liegen die vom Netzanschluß her gebrückten Leiter an.

Mit diesen Relais lassen sich "kleinere" bis "mittlere" Leistungen s chaIten.

Zur KontaktSchonung des REL_MIN ist ggf. ein Schütz installiert, über das die Pumpe und das Ventil geschaltet werden können.

3.3. Steueranschlüsse 12V

Hierzu zählen die Pegelerfassungen, die sowohl mit Fühlerleitungen (Fühlern) oder aber auch teilweise mit Sensoren ausgestattet werden können.

Weiterhin werden hier die LED-Anzeigen und die Quittungs-Taste für die Alarmierung angeschlossen.

Für die Pegelerfassung mittels Fühlern ist es ausreichend, einen Masseanschluß für alle Fühler mitzuführen. Werden zur Pegelerfassung auch Sensoren eingesetzt, so sind diese jeweils separat anschließbar.

Bei den LED's ergibt sich derselbe Sachverhalt wie bei den Fühlern. Es reicht aus, eine Masseleitung für alle LED's bereitzustellen.

An dieser Stelle möchte ich einige ergänzende Anmerkungen bezüglich der Pegelerfassung machen, die wie ich meine, zum besseren Verständnis beitragen werden. Desweiteren sollen dem Anwender die Möglichkeiten der Pegelerfassung vorgestellt werden, für die er sich entscheiden kann.

Bitte nehmen Sie die folgenden Anmerkungen erst einmal so zur Kenntnis, um meine Vorstellungen bezüglich der Pegelerfassung besser nachvollziehen zu können.

Manche Sachverhalte werden erst ganz verständlich, wenn die Funktionsweise der Steuerung betrachtet wird.

Ich habe mich bezüglich der Platine "Fühler" auf vier separate Pegelerfassungen festgelegt. Die Anzahl der Erfassungen kann durch entsprechenden Hardwareaufwand quasi beliebig vergrößert werden.

Mit den vier Pegelerfassungen können real nur drei Pegelstände im Vorratsbehälter detektiert werden. Der Grund hierfür liegt darin, daß dem minimalen Pegelstand zwei Erfassungen zugeordnet sind.

Der minimale Pegelstand nimmt eine Sonderstellung, Stichwort "Trockenlaufschutz", gegenüber den restlichen Pegelständen ein. Ein Versagen dieser Pegelerfassung kann zur Zerstörung der Pumpe und somit zur NichtVerfügbarkeit der gesamten Anlage führen.

Bezüglich des minimalen Pegelstandes, kann der Anwender zwischen zwei Erfassungssystemen wählen. Einerseits ist hier der Einsatz von Fühlern möglich, alternativ lassen sich aber auch Sensoren hierfür einsetzen. Selbstverständlich kann, da die Fühler wie ein "Schalter" arbeiten, auch jede andere Art einer elektrischen Schalteinrichtung (Schwimmerschalter, Reed-Relais usw.) angeschlossen werden.

Bei der Verwendung von Fühlern, ist aufgrund von Korrosion, mit dem Ausfall der Fühler zu rechnen. In diesem Fall ist eine Erneuerung der Fühler unerläßlich.

Wären keine Maßnahmen getroffen worden, so könnte es zu der oben angesprochenen Nichtverfugbarkeit der Anlage kommen.

Beim Einsatz von Sensoren kann davon ausgegangen werden, daß die Erfassung aufgrund von Korrosion nie ausfallen wird. Demzufolge wird hier eine Erneuerung voraussichtlich nicht nötig werden.

Somit kann der Anwender selbst bestimmen, ob er beständige Pegelerfassungen bei hohem Preis, oder vergängliche Pegelerfassungen bei niedrigem Preis einsetzt.

Im folgenden möchte ich Ihnen einen generellen Überblick über die Anordnung der Pegelerfassungen und deren Bezeichnungen geben.

Die von mir gewählten Bezeichnungen sind:

; Pegel "leer"

; Pegel "fast leer"

; Pegel "1/2 voll"

; Pegel "voll"

Mit PB_. ... sind die Parametrier-Brücken (Jumper) bezeichnet, mit denen sich eine Einstellung vornehmen läßt, bei welchem Pegelstand das REL_PARAM aktiviert wird.

- 22 -

PE	0	AUS	LED	0	AUS	PB	—
PE	~0	EIN	led"	"0	"ein	PB	—
PE~	"o,	5	led"	"o,	"5	_0,5
pe"	1		led"	1		1

Die Pegelmarken im Vorratsbehälter und demzufolge auch die Bezeichnungen der LED's können vom Benutzer nach Belieben festgelegt werden.

Hierbei ist aber unbedingt darauf zu achten, daß die richtige Reihenfolge der Pegelmarken eingehalten wird.

Im folgenden Prinzipbild ist die Anordnung der Pegelmarken dargestellt.

Bei Verwendung von Sensoren für die Pegelstände PE_0_..., braucht die Masseleitung nur bis zum Pegelstand PE_0,5 geführt werden.

Prinzipbild	• . ·	J	Fühler	i !	———_—T	- 23 -
Masse		I	leitungen	! !	I
leitung		I	_ T	! !	I
		1	1	J ! PE 1 / LED 1 / PB 1	I
X	!	!	j	I
X	!	!	i	I— REL PARAM
X	!	!	1	I
X	!	1	j	I
X	!	t	!	I
X	!	1	1	I
X	!	1	I	C __T f J J.
X	!	J	!
X	!	1	!
X	!	I	1 PE_0,5 / LED_0,5 / PB_0
X	!	i
X	!	1
X	!	!
X	1	1
X	!	1
X	1	I
X	!	!
X	!	J
X	!	1
X	!	!
X	I	I
X	1	1
X	!	•
X	!	•
X	!	J
X	1	!
X	!	I
X	!	I		REL_MIN
X	!	I	PE 0 EIN / LED 0 EIN —I
X	J	!	I
X	!	!	I—
X	1	t	I
X	!		_0__AUS / LED_0_AUS 1
X
X	Boden		Vorratsbehälters
X		PE_	*·· * #· · ······**
X			*··· ···· · · ···· * · ·**
X		des

4. Funktionsweise und Aufgaben der Steuerung

4.1. Funktionsweise und Aufgaben der Platine "Fühler"

Erreicht der Wasserstand die entsprechende Pegelmarke, d.h. die Fühlerleitung bzw. der Sensor wird vom Wasser berührt, leuchtet die jeweilige LED auf.

Für den Benutzer bedeutet dies, daß sich der Wasserstand in einem Bereich befindet, der durch die letzte leuchtende LED und der ersten nichtleuchtenden LED angegeben wird.

Ein wesentlicher Vorteil der Pegelerfassung besteht in der Tatsache, daß durch die Fühlerleitungen kein Gleichstromanteil fließen kann und somit elektrolytische Vorgänge, die die Kupferleitungen der Fühler zerstören könnten, weitgehend ausgeschlossen sind.

Diese Platine hat somit folgende Aufgaben:

. Die Signalbildung zur Versorgung der Fühler, sowie die Steuersignalbildung aus den Fühler- bzw. Sensorinformationen

. Die Bildung der Steuersignale für die LED's

. Die Bereitstellung von Jumper-Steckmöglichkeiten, die dem Anwender die Auswahl, Fühler oder Sensor, für die Pegelerfassung PE_O_. . . ermöglichen

4.2. Funktionsweise und Aufgaben der Platine "Steuerung/ Überwachung"

Auf dieser Platine sind die Funktionen realisiert, die zur Steuerung der Relais und zur Überwachung existieren. Sie ist quasi mit einer Zentraleinheit zu vergleichen, die sozusagen das "Gehirn" der elektrischen Steuerung symbolisiert.

Für diese Funktionseinheit existieren zwei Betriebszustände, "Normalbetrieb" und "Notbetrieb".

Der Normalbetrieb steht an, wenn kein Fehler bei der Pegelerfassung (PE_O_...) vorliegt. Der Übergang von Normalbetrieb nach Notbetrieb vollzieht sich automatisch, wenn sich ein Fehler bei der Pegelerfassung (PE_O_...) einstellt.

Die einzelnen Funktionen werden in den folgenden Unterkapiteln unabhänig von einander beschrieben.

Indirekt werden unter Punkt 4.2.1. der Normalbetrieb und unter 4.2.2. der Notbetrieb beschrieben.

4.2.1. Ansteuerung der Relais REL_MIN und REL_PARAM

Durch zufließendes oder abfließendes Wasser können im Behälter Wasserwellen entstehen, die am Fühler "Kontaktflattern" hervorrufen, was zu unnötigen Schaltbewegungen z.B. des Ventils führt.

Aus diesem Grund wird die Ansteuerung des REL_MIN nicht nur von einem Pegelstand, sondern von den zwei Pegelständen PE_0_AUS und PE_0_EIN abhängig gemacht. Ob die beiden Pegelerfassungen mit Fühlern oder mit Sensoren bestückt sind, ist für den funktionalen Ablauf ohne Bedeutung. Im folgenden wird der Einfachheit halber nur von Fühlern geredet.

Die Funktionalität läßt sich am besten anhand eines konkreten Beispiels erläutern:

Steigt der Wasserpegel im Vorratsbehälter an und erreicht PE_0_AUS, so wird damit eine notwendige Bedingung für die Ansteuerung von REL_MIN geschaffen. "Flattert" dieser Fühler, so bleibt dies ohne Wirkung auf das REL_-MIN, es wird nicht angesteuert.

Steigt der Wasserpegel weiter, ein "Flattern" von PE_0_AUS ist mittlerweile ausgeschlossen, und erreicht erstmalig PE_0_EIN, so wird REL_MIN angesteuert.

Die Art und Weise der Ansteuerung kann vom Anwender per Brückeneinstellung so gewählt werden, daß das Relais entweder eingeschaltet oder abgeschaltet wird. Diese Funktion ist sinnvoll, im Hinblick auf ein Anlagenkonzept mit Frischwasserzulauf, wodurch eine Schonung des Relais erreicht wird. Ein "Flattern" am Fühler PE_0_EIN bleibt ebenfalls ohne Wirkung auf das Relais, es bleibt angesteuert. Erst wenn der Wasserpegel erstmalig unter PE_0_AUS sinkt, wird REL_MIN erneut angesteuert.

Mittels dieser beiden Fühler wird somit ein Hystereseverhalten erzeugt. Eine einwandfreie Funktion der Hystereseeigenschaft ist aber nur gegeben, wenn sich das "Flattern" des einen Fühlers nicht auf den anderen Fühler auswirken kann. Dieser Sachverhalt ist einfach durch einen ausreichenden Abstand, beider Fühler voneinander, zu erreichen.

Steigt der Wasserpegel über PE_0_EIN hinaus an und erreicht PE_0,5 und der dazugehörige Jumper PB_0,5 ist entsprechend gesteckt, so wird REL_PARAM eingeschaltet. Derselbe Sachverhalt gilt für PE_1 und PB_1.

Der Anwender hat dadurch die Möglichkeit, abhänig von zwei verschiedenen Füllständen seines Vorratsbehälters, einen Verbraucher zuzuschalten.

Man kann sich sicherlich Anwendungsfälle vorstellen, wo große Wasserverbraucher erst zugeschaltet werden, wenn auch eine ausreichende Menge Wasser im Vorratsbehälter vorhanden ist.

Fällt der Wasserpegel erstmalig unter PE_0_AUS, wird das REL_MIN und das REL_PARAM gleichzeitig abgeschaltet. Für das REL_MIN kann es aber auch, abhänig von der Jumpereinstellung, eine Einschaltung bedeuten.

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4.2.2. Fehlererkennung und Alarmierung

Wie aus den bislang gemachten Anmerkungen ersichtlich ist, habe ich aus Kostengründen den Einsatz von Fühlerdrähten favorisiert. Der Nachteil dieser Fühlereinrichtung besteht darin, daß sie nach einer nichtvorhersehbaren Zeit ausfallen werden.

Aufgrund meiner Testerfahrung läßt sich vorhersagen, daß der Fühler PE_O_AÜS als erster, vor PE_0_EIN, ausfallen wird (Regelfall). Diese Tatsache läßt sich durch einfache bauliche Maßnahmen bei der Fühlermontage noch zusätzlich verstärken. Da ein solcher Ausfall, Versagen des TrockenlaufSchutzes, zur Zerstörung der Pumpe und somit zur Nichtverfügbarkeit der gesamten Anlage führen kann, wurden von mir schaltungstechnische Maßnahmen getroffen, die diesen kritischen Betriebszustand bewältigen.

Ein ganz wichtiger Aspekt der Überwachungsschaltung ist folgender, bei Auftritt der geschilderten Störung wird die Steuerung nicht einfach nur abgeschaltet, nein, es wird automatisch ein Notbetrieb eingeleitet, der die "ursprüngliche" Funktionalität und somit die Nutzung der gesamten Anlage weiterhin aufrecht erhält, bis die Fühlereinrichtung erneuert wird. Durch einen entsprechenden Alarm wird der Anwender auf den Notbetrieb aufmerksam gemacht.

Durch diese Maßnahme, denke ich, ist es mir gelungen auch den Einsatz billigster Fühlereinrichtungen zu ermöglichen, die bislang keine Chance hatten eingesetzt zu werden.

Sollte die Erneuerung der Fühlereinrichtung, obwohl meiner Einschätzung nach ein durchaus ausreichender Zeitraum hierfür zur Verfügung steht, nicht rechtzeitig erfolgen (PE_0_EIN fällt zusätzlich aus), z.B. der Anwender hat aufgrund des defekten Alarmgebers den Ausfall zufällig nicht bemerkt, so wird das REL_MIN so gesteuert, daß die Pumpe von der Spannungsversorgung abgekoppelt wird, wodurch eine Zerstörung der Pumpe verhindert wird·

Die Steuerung befindet sich jetzt im Status "steht", eine Ansteuerung der Relais ist jetzt nicht mehr möglich und die Anlage ist für den Anwender nicht mehr verfügbar. Dieser Zustand kann nur durch eine Erneuerung der Fühlereinrichtung aufgehoben werden.

Erreicht der Wasserpegel PE_0_EIN und PE_0_AUS ist ausgefallen, so wird REL_ALARM aktiviert und der Alarm "Ausfall PE_0_AUS" erzeugt .

Desweiteren stellt sich automatisch der Betriebszustand Notbetrieb ein.

Der Alarm kann nur durch Betätigen der hierfür vorgesehenen Quittungstaste ausgeschaltet werden.

Das REL_MIN hingegen wird jetzt nicht angesteuert, da aufgrund des defekten Fühlers ein Absteuern nicht mehr möglich ist.

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Steigt der Wasserpegel bis PE_0,5 an, so wird jetzt REL_MIN angesteuert. Dadurch wird die Pumpe wieder mit Spannung versorgt, ein eventuell vorhandener Frischwasserzulauf gestoppt und die Anlage ist für den Anwender wieder verfügbar.

Beim Pegelstand PE_0,5 kann ebenfalls REL_PARAM eingeschaltet werden, wenn die Einschaltbedingung hierfür vorliegt. Die Ansteuerung des REL_PARAM ist prinzipiell unabhänig vom Notbetrieb, es wird lediglich geprüft, ob REL_MIN angesteuert wurde. Ist REL_MIN nicht angesteuert worden, so kann auch REL_PARAM nicht eingeschaltet werden.

Fällt der Wasserpegel erstmalig unter PE_0_EIN, so wird REL_MIN abgesteuert und auch REL_PARAM ausgeschaltet, wenn es zuvor eingeschaltet worden war.

Ist der Alarm schon quittiert worden, so wird, wenn der Wasserpegel PE__0_EIN erneut erreicht, auch der Alarm erneut erzeugt. Der Anwender wieder dadurch erneut auf die notwendige anstehende Erneuerung der Fühlereinrichtung hingewiesen wird.

Erinnern wir uns an das vorherige Beispiel Normalbetrieb, so stellen wir fest, daß sich für den Betriebszustand Notbetrieb ebenfalls ein Hystereseverhalten ergibt, wobei dies jetzt aber durch die Fühler PE__0_EIN und PE_0,5 bestimmt wird. Somit wird beim Notbetrieb die Hystereseeigenschaft auf die darüberliegende "Fühlerebene" verschoben. Durch diesen "Kunstgriff" läßt sich trotz des Fehlers die "ursprüngliche" Arbeitsweise der Steuerung aufrechterhalten und der Anwender hat ausreichend Zeit zur Erneuerung seiner Fühlereinrichtung.

Sollte aus irgendeinem Grund PE_0_EIN vor PE_0_AUS ausfallen (Kein Regelfall), so erfolgt kein Notbetrieb und auch keine Alarmierung. Durch den noch funktionstüchtigen Fühler PE_0_AUS wird das REL_MIN noch einmalig so gesteuert, daß die Pumpe von der Spannungsversorgung abgekoppelt wird, wodurch ein Zerstören der Pumpe verhindert wird. Weiterhin stellt sich der Status "steht" ein, eine Ansteuerung der Relais ist jetzt nicht mehr möglich und die Anlage ist für den Anwender nicht mehr verfügbar. Dieser Zustand kann nur durch eine Erneuerung der Fühlereinrichtung aufgehoben werden.

Wie aus den geschilderten Aussagen ersichtlich ist, ist beim Einsatz von Fühlern ein ständiger Pumpenschutz gewährleistet. Der Einsatz von Sensoren zum Schutz der Pumpe ist somit nicht mehr nötig.

Bei der Verwendung von Sensoren, bleibt dem Anwender jedoch der Austausch der Fühler erspart.

4.2.3. Ausfall und Wiederkehr der Versorgungsspannung

Für jede elektrische Steuereinrichtung, deren Funktionalität "etwas" umfangreicher ist, stellt der Ausfall, insbesondere die Wiederkehr der Versorgungsspannung (Netzausfall), ein nicht zu vernachlässigendes Problem dar.

Sind keine vorbeugenden Maßnahmen ergriffen worden, erkennt die Steuerung den aktuellen Betriebszustand der Anlage nicht und kann somit auch keine vernünftige Steuerung mehr durchführen.

Damit die Steuereinrichtung möglichst anwenderfreundlich ist, sollte nach einem Netzausfall die Steuerung selbständig, ohne irgendwelche Bedienmaßnahmen des Anwenders, ihren Betrieb ordnungsgemäß wieder aufnehmen.

Die verschiedenen Maßnahmen, die zu diesem Zweck getroffen wurden, lassen sich unter dem Schlagwort "Automatischen Systemanlauf nach Spannungswiederkehr" zusammenfassen.

Dies bedeutet, daß die Steuerung, unabhänig vom Betriebszustand, selbständig den augenblicklichen Pegelstand im Vorratsbehälter erkennt und abhänig davon die Relais schaltet.

Das von mir gewählte Konzept sieht folgendermaßen aus.

Eine Ansteuerung des REL_MIN, im Normal- sowie Notbetrieb, wird nur dann vorgenommen, wenn sich der Wasserstand über PE_0_EIN befindet.

Befindet sich der Wasserpegel unter PE_0_EIN und das REL_MIN war angesteuert (Rückgang des Wasserpegels bei Normalbetrieb), so wird nach der Spannungswiederkehr das REL_MIN nicht mehr angesteuert, da der Vorratsbehälter quasi "leer" ist.

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5. Fehlerbearbeitung und Fehlerbehebung

Durch Störungsfälle oder unsachgemäße Handhabung ist nicht auszuschließen, daß Betriebszustände eintreten, die nicht dem richtigen Betriebszustand entsprechen.

Denken wir an den zuvor geschilderten "Automatischen Systemanlauf nach Spannungswiederkehr". Wir brauchen, um den richtigen Betriebszustand wieder zu erhalten, nur diese Funktionalität zu aktivieren und der Fehlerfall wird automatisch beseitigt.

Durch Abschalten und wieder Zuschalten der Versorgungsspannung aktivieren wir den "Automatische Systemanlauf nach Spannungswiederkehr" und die Steuerung stellt selbständig den richtigen Betriebszustand wieder her.

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Claims

Ansprüche

1. Elektronische Steuerschaltung (30) für einen Vorratsbehälter mit einer Flüssigkeit (33), insbesondere für Regenwasser,

mit in verschiedenen Höhen angebrachten Fühlern (20, 21, 22) für die Steuerung von äußeren Organen, z.B. einer über eine Ansaugleitung (41) an den Vorratsbehälter (19) angeschlossenen Hauswasserpumpe (40), in Abhänigkeit des Flüssigkeitspegels (32) im Vorratsbehälter, mit einem oberhalb der für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühlern (20, 21) vorgesehenen Reservefühler (22), und mit einer in der Steuerschaltung (30) integrierten Umschaltvorrichtung (7, 8, 9, 10), welche bei Ausfall des für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühlers (20) automatisch den verbliebenen aktiven, für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühler (21) zusammen mit dem Reservefühler (22) betreibt.

2. Elektronische Steuerschaltung nach Anspruch 1, bei welcher mindestens ein Fühler (20, 21, 22) als in die Flüssigkeit (33) ragende Elektrode und insbesondere als Draht ausgebildet ist.

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3. Elektronische Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher eine logische Schaltung (9, 10) vorgesehen ist, welche nach Ausfall des untersten für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühler und automatischer Umschaltung auf
den Reservefühler (22) den Ausfall des zweiten, für den Normalbetrieb vorgesehenen Fühlers (21) derart umsetzt, daß die Versorgungsspannung (43), über den Kabelanschluß (45), für die Pumpe (40) abgeschaltet bleibt.