flvl - Komfortable Füllstandsmessung ohne Modifikation der originalen Einrichtung

Ein häufig gefragtes Thema insbes. im Camping-Bereich, auch bei der Wasser-Tierhaltung, Regenwasser-Reservoirs und Schüttgütern

Die hier präsentierte Lösung entstammt aus der Notwendigkeit, ein solides Ersatz-Messsystem für eine original vorhandene aber anfällige (ungenaue und häufig ausfallende) Einrichtung zu finden. Im konkreten Fall handelt es sich um die Frischwasser-Füllstandsanzeige eines '97er James Cook Mecedes Sprinter Campers, nachfolgend jc97 bezeichnet. Das Kürzel flvl steht für die englische Bezeichnung von Füllstand: fill level.

Highlights

Motivation

Die eigene, eher problematisch geprägte, Erfahrung mit dem Tankgeber des jc97 sowie die Recherche im Netz unter diversen Foren, hat mich dazu bewegt eine eigene universelle Lösung zu entwickeln. Hier eine Sammlung diverser Links, die allesamt Füllstands-Probleme behandeln (nicht nur am jc97).

Besonderen Wert habe ich auf die durchaus komfortable Möglichkeit gelegt, alleine und ohne sich zu verbiegen, den Frischwassertank mittels Gartenschlauch oder Gießkannen möglichst voll zu befüllen, ohne überzulaufen. Mit dem Mobiltelefon ist es möglich, sich aus bis zu 20 Metern Entfernung vom Fahrzeug an einer zentralen Wasserstelle zu positionieren und den Füllvorgang zu beobachten um im richtigen Moment die Wasserzufuhr zügig zu stoppen. Und das ohne hin und her und in aller Ruhe.

Darüber hinaus bestätigen sich einige Anforderungen nach der Recherche im Netz (siehe oben angegeben Links):

Funktions-Prinzip

Einen Überblick der Zusammenhänge und beteiligter Komponenten kann man sich in der System-Übersicht verschaffen. Details erhält man durch darüber halten des Maus-Zeigers über die jeweilige Komponente.

Erfassung des Füllstandes

(für Details, Maus-Zeiger über Text führen)

Die Detektion des Füllstandes im Frischwasser Tank des jc97 geschieht über einen speziell konstruierten Kondensator. Dieser besteht aus 2 Platten (Elektroden), welche jeweils aus 2 zusammen geschalteten Kupferplatten (einseitig beschichtete Platinen, je 200 mm x 300 mm) bestehen. Der gesamte Kondensator ist also mit 4 einzelnen Kupferplatten aufgebaut, wobei jede Elektrode (bestehend aus 2 Kupferplatten) eine Größe von ca. 380 mm x 300 mm aufweist.

Der Zugang zum Tank erfolgt durch Demontage der grauen Seitenwand (rechts) am Tresen hinter der Sitzbank, beim engen Durchgang von Sitzbereich zu Küche. Der Tank ist trotz der beiden darin versenkten 80Ah Akkus durchgängig, d.h. die Wassersäule im Inneren ist eben auch auf der rechten Seite vorhanden. Die Kupferplatten des Füllstandssensors (spezieller Kondensator) werden von außen an den Tank angebracht

Die Kondensator-Elektroden werden L-Förmig an einer kurzen und einer langen Seite des entleerten Tanks angebracht. Eine entlang der Längsseite (parallel zur verschiebbaren Sitzbank), die andere an der rechten Seite (direkt hinter der demontierten Seitenwand). So haben die beiden Elektroden noch eine gewisse Nähe zueinander, was die Fähigkeit der Detektion erleichtert, anstatt sie gegenüber zu stellen.

Physikalisch ist die Kapazität eines Kondensators abhängig von

Je kleiner der Plattenabstand, je größer der Flächeninhalt und je mehr Wasser als wirksames Dielektrikum vorhanden, desto größer ist die messbare Kapazität. Im Fall der aktuellen Konfiguration liegt sie bei ca. 350pF bei vollem und bei ca. 315pF bei leerem Tank. Der F-Signal Aufbereiter wertet diese variable Kapazität mittels eines Komparators aus und gibt ein sich in Frequenz und Tastverhältnis änderndes Rechtecksignal an den μC der Messeinheit zur digitalen Auswertung weiter.

An der Längsseite fixiert man die Elektrode mit Schaumstoff Stücken, welche zwischen selbiger und dem Kasten, in dem der Tank eingebaut ist, eingeschoben werden - der Zwischenraum beträgt hier nur wenige cm. Es kann sein, dass die Elektrode an der Längsseite des Tanks, aufgrund der bauchigen Ausdehnung der Tankwand, mit etwas Kraft zwischen letzterer und Kasten eingeschoben werden muss, womit deren Fixierung gleichzeitig gesichert ist. Bei entleertem Tank geht das um einiges leichter oder tritt gar nicht zu Tage.

An der kurzen Seite fixiert man die Elektroden am besten mit 2 Schrauben, welche mit einer Mutter vom Rand des Kastens (in diesem Fall die Seite des etwa 1,5 cm starken Küchenbodens) hin zu entsprechenden Unterlegstücken (Holz / Kunststoff) gegen die Elektrode gespannt werden.

Die Elektrode an der kurzen Seite wird zur negativen Elektrode und daher mit dem Akku Minus (jene versenkten i.d.R. parallel geschalteten) und zusätzlich auch mit der Fahrzeug-Masse verbunden. Hier eignet sich eine Schraube des schwarzen Metall-Rahmens nahe der Stufe zur Küche am Tresen, mit welcher man neben der ursprünglichen Verbindung der Träger-Streben, einen Ringkabelschuh mit Zahnscheibe befestigt. Dies ist zugegebenermaßen die einzige Modifikation des Originals.

Die Elektrode entlang der Längsseite wird die positive und führt auf möglichst kurzem Wege, zusammen mit der negativen Elektrode, unmittelbar in den Eingang des F-Signal Aufbereiters, der an der Strebe für die soeben hergestellte Fahrzeugmasse fixiert wird (Klebe- oder Klettband). Da 2 Platten pro Elektrode zusammen geschaltet werden, hat man es am Ende (vor dem Eingang in den F-Signal Aufbereiter) mit 4 Leitungen zu tun. Hier hilft der der Adapter für den Füllstandssensor, um nur noch 2 Leitungen in den F-Signal Aufbereiter hinein zu führen.

Erfassung von Strom und Spannung

In meinem jc97 ist eine Solar-Anlage mit Wechselrichter installiert. Aus Interesse, welche Geräte wieviel Leistung verbrauchen und wieviel Energie von den Paneelen herunter kommt, habe ich mich entschieden, ins System eine Strom- und Spannungs-Messung zu integrieren.

Im U/I-Signal-Aufbereiter, erfolgt die Anpassung der Signale zur Auswertung am μC der Messeinheit. Für den Strom benötigt man zusätzlich einen sog. Shunt. Dies ist ein 4-Leiter Widerstand mit 100 Ampere Laststrecke und 2 Sensor-Abzweigungen.

Der Messbereich wird durch den U/I-Signal-Aufbereiter auf einen Bereich zwischen -20 Ampere und +80 Ampere gebracht. So kann Ladestrom (negativ) und Entladestrom (positiv) an den Akkus gemessen werden. Dadurch ist beispielsweise die Bilanzierung der Energie möglich.

Erfassung der Temperatur

Nach aktuellem Stand (Okt. 2018), ist die Erfassung der Temperatur notwendig, um eine entsprechende Kompensation des Gesamt-Systems zu ermöglichen. Insbesondere die Erfassung der Wasser-Füllstände mit dem speziell konstruierten Kondensator ist temperaturabhängig. Um einer Entsprechenden Abweichung entgegen zu wirken, braucht das System die Information der Temperatur möglichst nah an den Wassertanks.

Generell spielt die Temperatur in der Physik eine wichtige Rolle, wenn es um sog. Arbeitspunkte geht. Etwa jene der Solar-Anlage oder auch jene der Füllstands Messung. Wenn außergewöhnliches Verhalten des Systems eintritt, ist es oft hilfreich einen Temperatur-Wert als Anhaltspunkt geliefert zu bekommen. Neben dem physikalischen Grund steht evtl. einfach auch das Interesse an der aktuellen Tagestemperatur im Raum. Genug Anlass, auch diese Größe mit ins System zu integrieren.

Ein aktiver Sensor gibt proportional zur Temperatur einen Spannungswert ab, der vom T-Signal Aufbereiter auf einen dem μC der Messeinheit gerechten Wert zur Digitalisierung gebracht wird. Der Sensor befindet sich derzeit im jc97 ganz links außen auf dem Frischwasser Tank. Dies entspricht in etwa der Außentemperatur bei Windstille (Stillstand des Fahrzeugs vorausgesetzt).

Installation (siehe auch Kabelschema)

Möchte man die optionale Strom/Spannungsmessung installieren, muss der Shunt direkt an den Minus-Pol der parallel geschalteten Akkus angeschlossen werden. Das längere Ende mit Kabelschuh ist jetzt die neue Masse für ab- und zugehende Betriebsmittel. Im Falle einer Solar-Anlage (wie bei mir) hängen dort der Wechselrichter, der Ausgang des Solar- und Netz-Ladereglers und die übrigen Bord-Verbraucher, wie Kühlschrank, Wasserpumpe, etc. Die Abgesetzte neue Masse wird z.B. mit einer etwas längeren M6 Schraubverbindung hergestellt.

Mit 2 Leitungen (+/-) von ca. 40cm Länge, am Ende zu den im Frischwassertank versenkten Akkus mit 4-8mm Ringkabelschuhen, am Ende zum flvl-Adapter mit 4mm Buchsen, wird zunächst die Stromversorgung des Systems hergestellt. Die Minus-Leitung führt am Shunt vorbei, direkt zum Minus-Pol des Akkus.

Ausgehend vom flvl-Adapter mit integrierter Glasrohrsicherung (M 500 mA), stehen 6 zweipolige Anschlüsse für die flvl Komponenten zur Verfügung.

Messeinheit, U/I-, und T-Aufbereiter finden ihren Platz am einfachsten auf den Akkus.

Bei optionaler Verwendung des Temperatursensors, wird der Sensor links zwischen festem Teil der Akku- bzw. Tankabdeckung und dem Wassertank Richtung Fahrzeugwand geschoben.

Die Kondensator Platten (Kupfer Platinen) werden wie oben Beschrieben installiert.

Der F-Signal Aufbereiter findet seinen Platz an der Strebe, wo die Fahrzeugmasse angeschlossen wird. Mit Klebe- oder Klettband kann er fixiert werden, wie ebenfalls oben erwähnt.

Wo die optionale Anzeige-Einheit (AE) ihren Platz findet, ist Geschmackssache. Ich habe sie für Testzwecke zu den Komponenten auf den Akkus gelegt und die gesamte Fläche unter dem hochklappbaren Deckel mit dünnem Schaumstoff überdeckt. Es empfiehlt sich jedoch, die AE über der Spüle mit Klettband zu befestigen, da in ihrem Gehäse der Bluetooth Sender steckt, womit eine höhere Reichweite zum Mobiltelefon erzielt werden kann.
Hierzu zieht man ein 4-poliges Kabel von den Akkus durch die Klappe des Netz-Ladereglers hoch bis über die Spüle. Durch ein kleines gebohrtes Loch führt man das Kabel heraus zur AE. Da in meinem Fall bereits eine Solar-Anlage installiert ist, habe ich schon ein passendes Loch zur Kabeldurchführung und tue mich dementsprechend leicht.

Kalibrierung

Als Teil der Inbetriebnahme ist es notwendig, das Füllstands-Teilsystem zu kalibrieren. Hierbei wird eine bestimmte Anzahl von dimensionslosen Werten eines 10bit Zählers, geliefert von der Messeinheit, in Relation zu bekannten Füllständen im Wassertank gebracht.

Im Demo-Video wird zur Übersicht der Vorgang des Kalibrierens gezeigt. Hier am Beispiel des Frischwassertanks. Die Kalibrierung ist für beide Tanks (Frisch- und Abwasser) notwendig um aussagekräftige Werte zu erhalten. Im Folgenden eine prinzipielle Darstellung der notwendigen Schritte bei der Wasserstands-Kalibrierung

Je nach Größe des Tanks, legt man Intervalle fest, wonach sich eine entsprechende Anzahl von Wertepaaren ergibt, welche im System hinterlegt und im laufenden Betrieb abgefragt werden.

Im konkreten Fall, einem Frischwasser-Tank von ca. 100 Litern, habe ich Intervalle von 5 Litern gewählt. Begonnen bei einem nicht vollständig entleertem Tank (einem Anfangsvolumen von ca. 10 - 20 Litern, einem Stand, bei dem die Wasserpumpe nicht trocken läuft), ergeben sich 85 Liter in 5 Liter Schritten, also 18 Wertepaare, bis zum abgefüllten Tank.

Man notiert sich den Messwert vom System beim Anfangsvolumen und das Volumen selbst, hier also 0 Liter. Mit einer 5 Liter Gießkanne füllt man nun einmal nach und notiert sich wiederum den Messwert des Systems und den Füllstand, jetzt 5 Liter. Nach weiteren 16 Vorgängen dieser Art, hat man die benötigte Wertetabelle ermittelt

Nach einer kubischen Interpolation kann eine einfache Text Datei dieser Wertetabelle nun zum "Füttern" der Mobil-Applikation herangezogen werden

Ein Kalibrierungs-Assistent hilft bei der Ermittlung der Wertetabelle und der entsprechenden Generierung der Daten für die Mobil-Applikation. Der Ablauf ist direkt im Demo-Video zu sehen

HINWEIS: Es können mehrfache Kalibrierungs-Läufe nötig sein. Kunststoff-Tanks haben oft die Eigenschaft, dass ihre Seitenwände nicht 100% stabil sind und sich beim Befüllen insbes. die längeren Seiten nach außen wölben und beim Entleeren nach innen wölben. Unmittelbar nach dem Einbau der Platten, was bei entleertem Tank zu empfehlen ist, müssen diese erst ihren "Platz finden", d.h. sie schmiegen sich mehr oder weniger an die entsprechende Seite des Tanks an, abhängig vom Füllstand. Diese Tatsache bringt es leider auch mit sich, dass die Messgenauigkeit darunter leidet.

Weitere Einsatzzwecke

Neben dem oben beschriebenen konkreten Anwendungsfall, gibt es eine ganze Reihe weiterer Möglichkeiten für den Einsatz von flvl. Da es sich um ein individuell erweiterbares Projekt handelt, können besondere Wünsche auf jeden Fall berücksichtigt werden.

Für andere Größen von kubischen Wassertanks kann man die Plattengröße variieren und die Platten auch anders anordnen.

Bei anderen Tank-Formen (konisch, rund) können anstatt Platten selbstklebende Alu- oder Kupferfolien verwendet werden.

Das Erfassen weiterer Größen, wie

Neben dem bloßen Erfassen von Größen ist es auch möglich Steuerbefehle vom Mobiltelefon aus zu geben um etwa

Mit der Applikation auf dem Mobiltelefon kann beliebige Arithmetik betrieben werden, etwa

flvl mobile Applikation herunter laden

flvl mobile (r83) (android only)

Für die Installation auf dem Mobil Telefon muss in den System-Einstellungen unter "Security" die Option "allow unknown sources" ausgewählt sein. Ansonsten wird die Installation verweigert. Ich arbeite daran, eine Version in Google's Play Store zu veröffentlichen.

Für den reibungslosen Betrieb von flvl mobile wird die oben beschriebene Hardware benötigt, welche hier angefragt werden kann und kostenlos (außer Versandkosten Pauschale) geliefert wird.

Eine Variante für IOS ist verfügbar. Offiziell für Anwender verfügbar gemacht werden, kann die Mobil-Anwendung flvl nur über den Apple App-Store. Ein entsprechender Zugang für Anbieter (wie mich) ist kostenpflichtig. Bei entsprechender Nachfrage gehe ich gerne diesen Weg.

Wie kann ich Tester werden?

Senden Sie mir einfach eine Anfrage ggf. schon mit Ihrer konkreten Vorstellung. Wählen Sie die Hardware-Komponenten durch anhaken, welche Ihrer Vorstellung entsprechen.

Auf Ihre Anfrge melde ich mich umgehend. Je nach Umfang Ihrer Anfrage, biete ich den telefonischen Kontakt zur Klärung der Details an.

Ich helfe Ihnen, wo es geht, nötigenfalls auch per Videokonferenz. Wir bringen die Messeinheit gemeinsam ans Laufen. Idealerweise geben Sie mir immer wieder Feedback über Ihre Erfahrung mit der Messeinheit im Betrieb. Es wird je nach Belangen, ein länger Kontakt zwischen uns entstehen.

Ihre Rückmeldung über Erfahrung und Umgang im Betrieb der flvl-Messeinrichtung ist für mich von großer Bedeutung. Selbstverständlich ist dies ein wenig mit Aufwand verbunden. Nur mit Hilfe interessierte Nutzer kann das Produkt verbessert werden.

Außer dem Versand, entstehen für Sie keinerlei Kosten, da Sie sich netter Weise die Mühe machen, die Komponenten bei sich einzubauen und in Betrieb zu nehmen.

Wenn die Messeinrichtung zu Ihrer Zufriedenheit arbeitet, behalten Sie diese natürlich mit allen Komponenten. Je nach Ihrer Wertschätzung steht es Ihnen frei, mir nach einiger Zeit eine Spende zukommen zu lassen, ist aber kein Muss.

Sollte hingegen die Messeinrichtung nicht zu Ihrer Zufriedenheit funktionieren, steht es Ihnen frei, die Komponenten auszubauen und mir zurück zu senden oder diese anderweitig zu verwenden. Auf Sie kommen dabei lediglich Versandkosten im Rahmen von 10€ zu.

Meine Idealvorstellung ist stets, dass wir gemeinsam an einer Lösung zu Ihrer Zufriedenheit arbeiten.

Demo flvl mobile Applikation

Das Demo-Video zeigt:

  • den Screen nach dem Start der flvl Applikation
  • die Aktivierung von Bluetooth auf dem Mobiltelefon und das Auflisten gefundener flvl-Meßgeräte in Reichweite, nach Tap auf das Zeiger-Instrument für den Frischwasser-Füllstand fw Ltr
  • die Verbindung mit der Anzeige-Einheit via Bluetooth durch Tap auf den Button des gefundenen flvl-Meßgerätes (BT12 | ...)
  • die Übertragung der Messdaten nach erfolgter Verbindung zur Anzeige-Einheit
  • die Simulation eines Kalibrierungs-Vorgangs für Frischwasser (nach Tap auf den Button calibration), mittels Kondensator-Dekade mit beispielhaften Werten für Tankvolumen und Füllintervallen
  • das Generiren der Datei fw.txt, welche die Kalibrations-Daten enthält
  • das Laden der Kalibrations-Daten nach Trennen und Wiederaufbau der Bluetooth-Verbindung
  • die Überprüfung der korrekten Wiedergabe des Frischwasser-Füllstandes am Zeigerinstrument fw Ltr für verschiedene mittels Kondensator-Dekade simulierte Füllstände (diskrete Entleerung des Tanks)
  • das Trennen der Bluetooth-Verbindung von der Anzeige-Einheit

Aktueller Stand (04.10.2018)

Vorrichtung zum Einsetzen einer 11 kg Propan-Gasflasche, um deren Füllstand zu überwachen. Im jc97 sind von solchen Flaschen 2 Stück an Bord, wovon eine stets als Reserve-Gasflasche dient. Die andere, im Betrieb befindliche, kann zur Überwachung des Füllstandes in die Vorrichtung eingeschoben werden. Diese Lösung basiert auf dem Prinzip der Gewichtsmessung mit Hilfe von sog. Dehnungsmessstreifen (DMS). Bilder folgen in Kürze...

Per Langzeit-Aufzeichnung von Temperatur und Frischwasser-Stand wird z. Zt. der Temperaturkoeffizient des gesamten Systems ermittelt. Die Daten können in 2 verschiedenen Diagrammen visualisiert werden. Dieser Modus ist für den "Normal-Gebrauch" ohne Bedeutung

Mit dem Kalibrierungs-Assistent können die Kalibrierungs-Daten, jeweils getrennt für Frischwasser und Abwasser, auf die Anzeige-Einheit übertragen werden

Kabelschema

Im Schema zur Verkabelung können die gelieferten Komponenten zur Übersicht identifiziert werden. Mit den beiliegenden Kabelsätzen kann der Anschluss aller Komponenten unter Zuhilfenahme des Schemas erfolgen. Letzteres ist interaktiv, d.h. wenn der Zeiger auf eine Komponente (auch Kabel) gehalten wird, erscheint das entsprechende Foto zur Steigerung des Wiedererkennungswertes

Anfragen

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