BERLIN SÜD. Poseidon-bot: Flexibler Überlaufschutz für die Badewanne. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht BERLIN SÜD Poseidon-bot: Flexibler Überlaufschutz für die Badewanne Phillipp Berginski Schule: Anne-Frank-Grundschule Berlin Paulstr. 20 B Berlin Jugend forscht 2014

2 Projektbericht für Landeswettbewerb Schüler experimentieren Poseidon-bot: Flexibler Überlaufschutz für die Badewanne Autor: Philliipp Berlginski Lüneburger Str. 18, Berlin Tel.: Betreuer: Martin Weber, Geschäftsführer Viktor Harms, Entwicklungsingeneur 0

3 Forschungsbericht Übersicht 1. Einführung 1.1 Zielsetzung 1.2 Hintergründe 1.3 Bisherige Entwicklungen 1.4 Geplante Arbeit 2. Entwicklung eines Sensors für den Wasserpegel 2.1 Sensor auf der Grundlage des Wasserleitfähigkeit 2.2 Schwimmkörper im Rohr 2.3 Schwimmkörper Schiffchen 2.4 Analyse verschiedener Schaltsysteme 2.5 Gelenksensor mit Tiltschalter 2.6 Kolbensensor mit einem magnetgesteuerten Reed-Kontakt 3. Entwicklung des Schaltkreises 3.1 Vorläufige Modelle mit einer Lampe und einem Lautsprecher 3.2 Wahl eines Signaltongebers 3.3 Steuerung des Lautsprechers 3.4 Grundschaltung 4. Der Aufbau des endgültigen Modells 5. Diskussion und Möglichkeiten der Weiterentwicklung 5.1 Einsatzmöglichkeiten 5.2 Möglichkeiten der Weiterentwicklung 6. Danksagung 1

4 1. Einführung 1.1 Zielsetzung. Das Ziel meiner Arbeit ist es, eine Automatik zu entwickeln, die beim Einlaufen der Badewanne beim Erreichen des gewünschten Wasserpegels ein Alarmsignal gibt. 1.2 Hintergründe Das Vergessen von dem einlaufenden Badewasser kann zu einem ernsthaften Problem werden. Anscheinend tritt es relativ oft vor. Viele Versicherungen führen es als Paradebeispiel auf, wenn es Hausratsversicherungen geht. Man kann also vermuten, dass es dabei um häufigen Schadensfall geht. Das Einlaufen der Badewanne dauert meistens Minuten, die Wenigsten bleiben während dieser Zeit im Bad und überwachen den Prozess, meistens wird die Zeit für etwas anderes genutzt. Durch die Ablenkung wird die Badewanne oft vergessen. Es wäre also praktisch, ein Gerät zu haben, das den Wasserpegel überwacht und einen vor dem Überlaufen der Badewanne warnt. Dies gibt dem Besitzer die Sicherheit und spart im Zweifelsfall eine Menge Kosten und Reparaturarbeiten. 1.3 Bisherige Entwicklungen Das Problem wurde bisher überwiegend mit Hilfe von Überlaufgarnituren gelöst: Ein zusätzliches Ablaufrohr dicht unter der Oberkante der Badewanne sorgt für Ablauf, sobald die Badewanne fast voll ist. Das System funktioniert, wie in der Abb. 1 gezeigt ist. Abb. 1 Handelsübliche Überlaufgarnitur (Bildquelle: Vorteile dieses Systems: 1. Kein Energieverbrauch 2. Regelung erfolgt mechanisch kein Eingreifen durch Menschen notwendig Nachteile: 1. Einbau notwendig 2. Höhe des Wasserpegels kann nicht bestimmt werden, das System greift erst beim drohenden Überlauf ein. 3. Durchlaufen des Wassers wird nicht gestoppt, es kommt lediglich zum Ableiten des Wassers in den Ablauf. Die wertvolle Ressource Wasser wird dadurch verschwendet. 2

5 4. Bei starkem Wasserdruck, reicht die Kapazität des Abwasserrohres nicht aus. Es kann trotzdem zum Überlaufen der Badewanne kommen. Der Besitzer wird dadurch in keiner Form gewarnt. 1.4 Geplante Arbeit Das geplante Gerät soll die Nachteile der herkömmlichen Überlaufgarniture umgehen. Es ermöglicht das Einstellen der gewünschten Wassermenge und warnt, sobald diese erreicht wird. So wird der Wasserverbrauch optimiert. Das Vergessen der Badewanne wird nicht möglich. Das Gerät soll klein und handlich sein, preiswert in der Produktion und ohne einen aufwendigen Einbau, durch einfaches Befestigen am Badewannenrand jederzeit einsetzbar. 2. Entwicklung eines Sensors für den Wasserpegel 2.1 Sensor auf der Grundlage des Wasserleitfähigkeit Die erste Frage war, mit welchem physikalischen Prinzip das Erreichen des gewünschten Wasserpegels festgestellt wird. Ursprünglich wollte ich die Leitfähigkeit des Wassers dazu einsetzen. Es war angedacht, zwei Elektroden am Badewannenrand in der gewünschten Höhe zu befestigen, sodass ein Stromkreis geschlossen wird, sobald das Wasser Elektroden erreicht. Analyse: Dieses System hat folgende Nachteile 1. Badewasser wird unter Strom gesetzt, wenn die Spannung auch gering ist 2. Badesalz und Seife verändern den Widerstand des Wassers, das Gerät würde nicht zuverlässig funktionieren Daher wurde der Einsatz verworfen. 2.2 Schwimmkörper im Rohr Als Alternative zum Wasserleitsensor kann ein Schwimmkörper eingesetzt werden, der die Alarmreaktion auslöst. Der Schwimmkörper soll in einem Rohr platziert werden. Sobald er vom Wasser an das Ende des Rohres gedrückt wird, wird durch den Druck, den er auf einen Taster ausübt der Stromkreis geschlossen, siehe Abb. 2 Abb 2: Messung des Wasserpegels mit Schwimmkörper im Rohr (Prototyp 1-PA und 1-PB) 3

6 Testdurchgang 1 (Prototyp 1-PA) Im oben beschriebenen Modell wurde ein Schwimmer aus Kork eingesetzt. Ergebnisse des Versuchs: Das Modell funktionierte im Experiment nicht, der Korken hatte nicht genug Auftrieb, um die Sensortaste zu drücken. Schlussfolgerungen: Man braucht ein Material, das wesentlich leichter ist und mehr Auftrieb erzeugt Testdurchgang 2 (Prototyp 1-PB) Das gleiche Modell (siehe Abb. 2) wurde mit einem Schwimmkörper aus Styropor betrieben. Ergebnisse des Versuchs: Auch in diesem Fall reichte die Kraft nicht aus, um den Schalter zu aktivieren Allgemeine Schlussfolgerungen Die Auftriebskraft des Schwimmkörpers reicht nicht aus um den Schalter zu betätigen. Folgende Lösungswege wären möglich: 1. Einen anderen Schalter nehmen, der weniger kraft zum Schalten braucht. 2. Den Schwimmkörper größer und leichter machen, so dass die Auftriebskraft nach dem archimedischen Prinzip größer wird. 2.3 Schwimmkörper Schiffchen Aus der Überlegung, den Umfang des Schwimmers zu vergrößern und ihn leichter zu machen, entstand die Schwimmkörperform Schiffchen. Das Wasser drückt in diesem Fall auf den Schiffchen- Boden, über einen Zylinder wird dieser Druck an den Schalter im oberen Teil des Rohrs weitergegeben, der den Stromkreis schließt Abb. 3 Schwimmkörper Schiffchen (Prototyp 1- PC). Zeichnung und Foto Testdurchgang: Prototyp 1-PC (siehe Abb. 3) wurde im Spülbecken in mehreren Durchgängen getestet. 4

7 Ergebnisse: Beim Erreichen des Wasserstandes wurde Alarmsignal ausgelöst. Beim zu schnellen Aufdrehen des Wasserhahns kam allerdings Wasser in den Schwimmkörper hinein und dieser sank. Das Anbringen des Prototyps am Beckenrand war schwierig, wegen der ausladenden Form des Schiffchens. Der Auftrieb reichte gerade mal aus, um die Reaktion auszulösen. Schlussfolgerungen: Das Modell funktioniert, ist bei offenem Schiffchen aber zu anfällig und schwer anzubringen. Das Vergrößern des Schwimmkörpers für mehr Auftrieb wäre problematisch, stattdessen sollte eine leichtgängigere Schaltung eingebaut werden. 2.4 Analyse verschiedener Schaltsysteme Folgende Schalter erschienen leichtgängiger als die ursprüngliche mechanische Schaltung und kamen dabei in Betracht: 1. Kippschalter mit Quecksilber Vorteile: Arbeitet mit wenig Druck, zuverlässig im Wasser Nachteile: Einsatz des giftigen Quecksilbers (Entsorgung, Sicherheit) 2. Tilt Switch (Kippschalter) Vorteile: Arbeitet mit wenig Druck, zuverlässig im Wasser Nachteile: beim Kippen muss eine bestimmte Lage eingehalten werden. 3. Magnetgesteuerter Reed-Kontakt Vorteile: Der Schwimmer kann hermetisch abgeschlossen werden, kein Kontakt mit dem Schalter ist notwendig Nachteile: Der Magnet am Schwimmer kann sich leicht an den Badewannenrand heften, das Glasrohr an dem Schalter ist empfindlich, wenn der Wasserpegel weiter steigt, bricht der Kontakt der Magnete ab und die Schaltung wird abgeschaltet. Zusammenfassend erschienen Tilt Switch und Magnetgesteuerter Reed-Kontakt lohnenswert. der Einsatz eines Tiltschalters die beste Lösung zu sein. Ein Tilt Switch vom Typ RBS wurde für diesen Einsatz besorgt. 2.5 Gelenksensor mit Tilt Switch Um Tilt Switch zum Kippen zu bringen wurde ein Gelenk konstruiert, das durch den Auftrieb des Schwimmkörpers in die Neigung kommt (Prototyp 1-PD). Auf die Führung des Schwimmkörpers in einem Rohr wurde dabei verzichtet. Das Gelenk sollte mit einer speziellen Halterung und einem starken Magneten am Badewannenrand befestigt werden, siehe Abb. 4. Testdurchgang: Prototyp 1-PD (siehe Abb. 4) wurde in der Badewanne in 5 Durchgängen getestet. Ergebnisse: Bei dem ersten Versuch erwies sich das Gelenk als zu flexibel und klappte durch Wasserdruck auf. Nach dem Befestigen des Gelenks wurde der Alarm ausgelöst, allerdings erwies sich das System als störanfällig. 5

8 Abb.4 Prototyp 1-PD: Gelenksensor mit Tilt Switsch 1. Schwimmkörper wurde oft durch das Wasser vom Badewannenrand weggedruckt, das Gelenk dadurch in eine Schräglage versetzt. Tilt Switch funktionierte in dieser Position nicht zuverlässig. Schlussfolgerungen: Das Gelenk ist zu flexibel, um verlässlich funktionieren zu können. Man sollte zu der Führung mit einem Rohr zurückkehren. Eventuell wäre ein Reed-Kontakt verlässlicher als ein Kippschalter. 2.6 Kolbensensor mit einem magnetgesteuerten Reed-Kontakt Um den Schalter sicher an den Reed-Kontakt zu bringen und die Instabilität des 1-PD-Prototypen zu vermeiden setzte ich wieder ein Rohr ein. Der Schalt-Magnet wurde an einer Art Kolben befestigt, der sich sicher in diesem Rohr auf- und abbewegen konnte. Für den Auftrieb sorgte der Schwimmer. Über dem Kolben wurde Reed-Kontakt angebracht, der auslöste, sobald der Kolben oben war, siehe Abb. 5 Abb. 5 Prototyp 1-PE: Kolbensensor mit einem magnetischen Reed-Kontakt 6

9 3. Entwicklung des Schaltkreises 3.1 Vorläufige Modelle mit einer Lampe und einem Lautsprecher Am Anfang meiner Arbeit setzte ich einen einfachen Schaltkreis ein, der ohne elektronische Bauteile funktionierte. Dieser bestand aus drei Drähten, einer Batterie und einer Lampe. Die Lampe übernahm vorübergehend die Rolle des Alarmsignals. Beim Schließen des Stromkreises durch Wasser, leuchtete die Lampe auf. Dieser Schaltkreis wurde an die Prototypen 1-PA und 1-PB angeschlossen, die im Abschnitt 2.2 beschrieben sind (siehe auch die Abb. 2) Im Zwischenschritt wurde die Lampe durch einen Lautsprecher aus einem Kosmos -Kasten ersetzt. Dieses Modell wurde in den Prototyp 1-PC eingebaut, siehe Abb. 3, sowie Abschnitt 2.3 Testdurchgang: Alle Modelle wurden durch Druck aus Sensor, sowie im Spülbecken getestet (siehe dazu die Abschnitte 2.2 und 2.3. Die Schaltung funktionierte zuverlässig. Ergebnisse: Das Grundprinzip funktionierte, der Aufbau aus den Kosmos -Bauteilen war aber zu klobig und sollte durch gängige elektronische Elemente ersetzt werden 3.3 Wahl eines Signaltongebers Um ein Tonsignal zu erzeugen brauchte ich einen Lautsprecher, sowie eine Steuerungseinheit. Vom Betreuer wurde mir ein Piezo-Lautsprecher empfohlen, weil dieser sehr hohe und schrille Töne erzeugt, die schwer zu überhören sind. Zwei Modelle kamen in Frage: 1. Piezo-Signalgeber 5-18 V 5000 Hz 2. Piezokeramischer Schallwandler 5-18 V/DC 1.0 ± 0.3 khz Das Bauteil 2 erzeugte einen Ton, der von einer Testperson mit Hörgerät nicht wahrnehmbar war. Insgesamt war der Ton sehr leise. Es wurde sich also für den Einsatz eines Piezo-Signalgebers (5-18 V 5000 Hz) entschieden. Piezo-Signalgeber werden im Allgemeinen für die Erzeugung von Warnsignalen in Geräten eingesetzt. 3.3 Steuerung des Lautsprechers Piezo-Signalgeber brauchen einen Puls-Strom, dieser wird von der Batterie aber nicht geliefert, deswegen war der Einsatz von einem Steuerungsbauteil notwendig. Vom Betreuer wurde der Einsatz eines NE555 vorgeschlagen. NE555 ist ein aktives elektronisches Bauelement. Es wird viel in Taktgebern verwendet. Laut Wikipedia ist dieser folgendermaßen aufgebaut: Der NE555 enthält das Äquivalent von 24 Bipolartransistoren, zwei Dioden und 15 Widerständen (Small Scale Integration, SSI), die zusammen sechs Funktionsblöcke bilden: 7

10 Zwischen der Versorgungsspannung V CC (+) und der Masse GND( ) befindet sich ein Spannungsteiler aus drei identischen Widerständen, der, wenn nicht von außen beschaltet, die beiden Referenzspannungen 1 / 3 V CC und 2 / 3 V CC liefert. Letztere ist am Anschluss-Pin Control Voltage verfügbar. Zwei Komparatoren sind jeweils mit einer der Referenzspannungen verbunden, während die beiden anderen Eingänge direkt auf die Anschlüsse Trigger beziehungsweise Threshold geführt sind. Ein Flipflop speichert den Zustand des Timers und wird über die beiden Komparatoren angesteuert. Über den Reset-Anschluss, der die beiden anderen Eingänge übersteuert, kann das Flipflop (und damit der gesamte Timer-Baustein) jederzeit zurückgesetzt werden. Am Ausgang des Flipflops folgt eine Ausgangsstufe mit Totem-Pole-Ausgang, die am Anschluss Output mit bis zu 200 ma belastet werden kann. Parallel zur Ausgangsstufe ist ein Transistor angeschlossen, dessen Kollektor am Anschluss Discharge liegt. Dieser Transistor ist immer dann durchgeschaltet, wenn der Ausgang Low- Pegel hat. (Wikipedia. NE ) 3.4 Grundschaltung NE555 wurde als Gleichspannungswandler in der astabilen Kippstufe geschaltet Siehe Abb. 6. Vor den Eingängen 2 und 5 schaltete man zwei Transistoren. Außerdem wurde ein Widerstand eingebaut. Dieser war mit dem Eingang 7 und mit einem weiteren Widerstand verbunden. Im Allgemeinen wird diese Schaltung immer wieder als Gleichspannungswandler eingesetzt, oder als elektronisches Signal in Blinkern, Impulsgeneratoren. Die Schaltung wurde im Prototypen 1-PD eingesetzt, in der Kombination mit dem Tilt Switch, siehe dazu den Abschnitt 2.5 und die Abb. 4. Abb. 6. NE555 Astabile Kippstufe (Bildquelle: Testdurchgang: Das Prototyp 1-PD wurde durch direkten Druck auf den Sensor, sowie in der Badewanne getestet. Beim Auslösen des Sensors wurde verlässlich ein Tonsignal erzeugt, dieser war laut genug, um Signalwirkung zu erzeugen. Ergebnisse: Der Test zeigte, dass die Schaltung gut funktionierte und einsatzfähig war. In weiteren Schritten wurde erwogen die NE555 durch NE556 zu ersetzen um unterbrochenes Tonsignal zu erzeugen (mehr Signalwirkung). Diese Lösung wäre eleganter, als zwei NE555. Es musste jedoch erst geklärt werden, wie die Bauteile in das Gerätgehäuse passen. 4. Der Aufbau des endgültigen Modells Das endgültige Modell (1-PE) besteht aus der NE-555-Schaltung und dem Schwimmer 1- PE. Der Schaltkreiß ist an einer Stelle unterbrochen, an diese führen die Kabel des Schwimmers (Siehe Abb.7 und Abb. 8) 8

11 Abb.7 Schaltplan des endgültigen Modells von Poseidon-Bot und Foto des Modells Abb. 8 Bestückungsplan des endgültigen Modells Zum Schutz vor Wasser liegt die Schaltung in einem wasserdichten Gehäuse, dieses wird mit einem Saugnapf auf dem Badewannenrand befestigt. Wenn der Wasserpegel die gewünschte Höhe erreicht hat, wird der Schwimmkörper dauerhaft nach oben gedrückt und die NE-555-Schaltung nicht mehr unterbrochen. Es fließt ein Pulsstrom an den Piezo-Signalgeber, dieser fängt an in einem von einem Kondensator vorgegebenem Tackt zu piepsen und der Besitzer der Badewanne wird an diese erinnert. Test: Poseidon-Bot wurde in drei Durchgängen in der Badewanne getestet, das Modell funktionierte zuverlässig. Der Alarm wurde immer ausgelöst, das Signal war bei geschlossener Badezimmertür, laufender Lüftung im Bad und laufendem Fernseher in dem auf der anderen Ebene in ca. 7 Metern entferntem Wohnzimmer deutlich zu hören. Die Position des Schwimmers musste bei diesem Test nachjustiert werden. Der Schwimmkörper besteht aus drei Schichten an Schaumstoff. Weder Erwarten zeigte sich, dass der Schwimmer dann stabiler ist, wenn eine Schicht zwischen dem Badewannenrand und dem Übertragungsstift liegt. 9

12 5. Diskussion und Möglichkeiten der Weiterentwicklung 5.1 Einsatzmöglichkeiten Das endgültige Modell von Poseidon-bot hat sich als einsatzfähig erwiesen und bietet eine gute Lösung als Warnsystem für Badewannen. Es lässt sich leicht einbauen, der Sensor kann dank der Magnethalterung problemlos, schnell und einfach auf die gewünschte Höhe eingestellt werden. Allerdings funktioniert es nur bei Badewannen aus Metall. Die Alarmfunktion wird zuverlässig ausgelöst und ist ausreichend laut. Auch der Einsatz beim Befüllen von Planschbecken oder Wassertonnen im Garten wäre denkbar. Da solche Behälter meistens höhere Volumen haben als eine Badewanne und entsprechend längere Zeit brauchen, um voll zu werden, kann hier das Interesse am Einsatz eines Warnsystems sogar höher sein als im Bad. Allerdings muss man die Halterung des Sensors dafür überarbeiten (siehe Punkt 4.2), da solche Behälter oft nicht ferromagnetisch sind. Als zusätzliche Option ist das Kombinieren von Poseidon-bot mit einem Babyphon möglich. Dafür wird ein Teil des Babyphon im Bad platziert. Das Signal des Poseidon-bots löst die Alarmfunktion des Babyphons aus. Es kommt zu einem Signal-Anruf auf das Empfangsgerät. Diese Funktion ist sinnvoll wenn sich der Besitzer zum Beispiel auf seinem Grundstück bewegt. 5.2 Möglichkeiten der Weiterentwicklung Sollte das Modell in Serie gehen, wären jedoch Weiterentwicklungen notwendig, zum Beispiel: Halterung am Badewannenrand erfolgt im Moment mit Hilfe eines Magneten. Dies ist bei älteren Badewannen möglich, die fast ausschließlich aus Metall bestehen. Neuere Badewannen sind häufig aus Kunststoff gefertigt, es wäre also eine Art Halterung notwendig, die materialunabhängig funktioniert. Eventuell käme ein starker Saugnapf da in Frage. Der Schaltblock wird ja schon bei dem vorliegenden Modell mit einem Saugnapf befestigt. Energieversorgung ist mit Hilfe von einem handelsüblichen E-Block gesichert. Dies reichte für Testzwecke, im Dauerbetrieb ist diese Lösung wesentlich umweltbelastender als der Einsatz von Akkus. Ich stelle mir NiMH-Akku vor, der genau wie ein E-Block 9V hat. Dieser könnte in den handelsüblichen Ladegeräten aufgeladen werden. Das Gehäuse sollte so weit umgebaut werden, dass der Akku leicht zu wechseln ist. Das Gehäuse für den elektronischen Teil sollte wasserdicht gebaut werden. 10

13 6. Danksagung. In meiner Arbeit wurde ich von meinen wissenschaftlichen Betreuern unterstützt und begleitet. Ich bedanke mich bei der DIGALOG Industrie und Elektronik GmbH, einem Entwicklungsunternehmen, welches sich auf das innovative Feld der Mikroelektronik und speziell der Maschinenelektronik für Industrieanwendungen spezialisiert. Da wurde ich mit meinem Vorhaben herzlich aufgenommen und unterstützt. Mein besonderer Dank gilt Martin Weber, Geschäftsführer der DIGALOG GmbH. Der mir half, mein Vorhaben zu strukturieren und schrittweise anzugehen. Ich danke ihm für gute Tipps und Ideen, wie man die auftretenden Schwierigkeiten professioneller und eleganter lösen kann, sowie für die Zeit und Energie, die er in mein Projekt investierte. Bei Viktor Harms, einem der Entwicklungsingeneure der DIGALOG GmbH möchte ich mich recht herzlich für die kontinuierliche Begleitung und Unterstützung beim lösen zahlreicher praktischer Probleme bedanken. 11