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Automatische Dosierung für den Pool (Teil 3: ph und Redox mit Arduino messen)

Zu einer automatischen Pool-Dosierung fehlten mir noch die Mess-Elektroden und vor allem das, womit ich sie auslesen und die Werte zu FHEM übertragen kann. In FHEM kann dann die ganze Dosierlogik stattfinden und die Dosierpumpen entsprechend geschaltet werden. Das Auslesen von feinen elektrischen Spannungen auf den ph-/Redox-Elektroden ist nicht trivial. Es gibt auf dem Markt kaum fertige Geräte mit Netzanbindung, um ph/ORP-Werte auszulesen. Ich habe mich daher für einen Eigenbau mit Arduino entschieden und in den Wintermonaten wochenlang dran geschraubt.

Arduino-Uno-Clones und passende Erweiterungsmodule dazu bekommt man bei Aliexpress für sehr kleines Geld. Es gibt im Angebot auch ein ph-Verstärker-Modul mit einer BNC-Buchse für ca. 16 USD inkl. Versand, was ich letztendlich auch genommen habe. In diesem Modul werden die paar Millivolt, die eine Sonde produziert, in eine am Arduino-Analogeingang messbare Spannung von 0 bis 5 Volt umgewandelt (Anschlusspin Po). In dem Modul ist vermutlich auch etwas für eine Temperatur-Bereinigung des ph-Wertes verbaut (Pins To und Do). Wie das genau funktioniert, konnte ich jedoch nicht rausfinden. Es gibt auch andere  ph-Module für Arduino, die etwas mehr kosten, z.B. von Atlas Scientific, von Phidgets oder von Dfrobot.  Alle haben ohne weitere Zusätze wahrscheinlich ein Problem: Die fehlende galvanische Trennung. Spätestens sobald man zwei Elektroden an einem Arduino anschließt und im gleichen Wasser hält, liefern sie beide Schrottwerte, da die Ströme zwischen den Elektroden fließen. (Wobei ein Blogger aus Frankreich mit Phidgets-Modulen das irgendwie geschafft hat, ph- und ORP-Elektrode an einem Arduino zu betreiben.)

Ein fertiges Verstärker-Modul mit galvanischer Trennung habe ich nicht gefunden. Es gibt ein-zwei Projekte im Internet, aber nichts lieferbares. Einen Messverstärker selbst zusammenzulöten, erschien mir zu aufwändig, zumal ich nur rudimentäre Kenntnisse der Elektronik habe. Deswegen habe ich die galvanische Trennung so hergestellt, dass ich pro Elektrode einen eigenen Arduino Uno nehme und diesen über einen eigenen linearen Stromwandler auf AMS1117-5.0 Basis und einen isolierenden DC-DC-Wandler mit Strom versorge (ich habe die Murata-Module NME0505SC mit 1 Watt genommen). Somit wird jeder Arduino Uno als Ganzes schon in der Stromversorgung galvanisch entkoppelt. Die Versorgungsspannung muss übrigens auch sehr stabil sein, da sonst die analogen Readings des Arduino, die die Versorgungsspannung als Referenz nehmen, driften. Deswegen ist jeweils ein eigener linearer Regler vorgeschaltet.

Die beiden Arduinos mit Verstärker-Modulen machen bei mir wenig anderes als die analogen Eingänge zu lesen, die Werte zu glätten und mit den eigenen sehr günstigen 433MHz-Radio-Modulen rauszufunken. So bleibt die galvanische Trennung intakt. Eine Temperatur-Kompensation habe ich gar nicht implementiert, denn diese ist im ph-Bereich um 7.0 eh kleiner als jede Messtoleranz. In den Mess-Arduinos habe ich auch die Kalibrierungslogik für die Elektroden einprogrammiert. Für den eigentlichen Kalibrierungsvorgang haben diese Module zwei Taster (für Kalibrierpunkte ph 7.0 und ph 4.0 – man kann natürlich beliebige andere Werte einprogrammieren) bzw. einen Taster (Kalibrierpunkt ORP 465 mV) bekommen. Somit ist die Kalibrierung super einfach: Die Elektrode in die Pufferlösung reinhalten, bis sich der Wert stabilisiert, und einmal drücken. Einen Redox-Verstärker habe ich übrigens mit einer kleinen Modifikation aus einem ph-Verstärker gemacht. Die ph-/ORP-Sonden liefern ja beide Millivolts, nur in etwas unterschiedlichen Ranges.

Ein dritter Arduino Uno empfängt bei mir dann auf 433MHz die ph- bzw. Redox-Werte von den beiden Mess-Arduinos. An der Nummer Drei werden drahtgebunden auch andere Sensoren angeschlossen: für Druck, Temperatur und Durchfluss. Mit einem Ethernet-Shield für Arduino wird hier auch ein minimalistischer Webserver aufgemacht und FHEM kann alle Werte ablesen. Für eine stabile Internet-Verbindung musste ich dem W5100-Chip auf dem Ethernet-Shield die Beine Nr. 64 und 65 durchschneiden. So läuft er fest auf 10 Mbit/Fullduplex und nicht im Auto-Modus, was zumindest mit meiner Fritzbox 7390 oft zu Aussetzern geführt hatte. An diesem dritten Arduino habe ich auch ein I2C 20×4-LCD-Display angeschlossen, wo die Werte permanent visialisiert werden.

Ein großes praktisches Problem schon beim Messen im Glas Wasser war das Rauschen. Vor allem die Schaltnetzteile induzieren Störungen auf die sensiblen Elektroden und hauptsächlich auf ihre Kabel. Die abgelesenen Werte zeigen im Ergebnis eine große Streuung von bis zu einigen Prozent. Ich habe dann per Zufall rausgefunden, dass die Streuung wesentlich geringer ausfällt, wenn man den Minuspol des Gleichstromausgangs vom Netzteil einfach erdet. Zum Befestigen der Komponenten im Gehäuse hat sich eine transparente 2mm-PVC-Platte als sehr praktisch erwiesen. Ein Gehäuse mit transparentem Deckel erspart Ausschnitte für LCD. Bei Fragen zu Details und Verbesserungsvorschlägen immer gern.

Die ersten Experimente mit Arduino und ph-Modul
Die ersten Experimente mit Arduino und ph-Modul
Zwischenstufe: Zwei Arduinos, zwei Elektroden und ihre galvanische Trennung mit DC-DC-Wandlern
Zwei Arduinos, zwei Sonden und galv. Trennung
Vorläufige Endausbaustufe für meinen Auslesecomputer
Vorläufige Endausbaustufe für meinen Auslesecomputer
Messverstärker für ph-Elektrode
Messverstärker für die ph-Elektrode
ph-Arduino mit eigenem Stromregler, Kalibrierbuttons und Funkmodul auf einem Proto-Shield
ph-Arduino mit Zusätzen auf einem Proto-Shield
Arduino mit galvanischer Trennung und PH-Messmodul
Arduino mit Anschluss und  PH-Messmodul
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LED-Unterwasserstrahler für den Pool

Von Anfang an wollte ich LED-Licht im Pool haben. Auch wenn der Poolbauer mir sagte, dass LED-Lichteinheiten für den Pool entweder sehr teuer oder einfach schlecht und unausgereift sind. So viel Verlust kann man dabei nicht machen, dachte ich und habe mir bei Aliexpress für 180 USD direkt aus China zwei PAR56 farbige RGB-LED mit je 18×3 Watt zuschicken lassen. Mit Zoll bin ich dann immer noch unter 80 EUR pro Strahler. Die äußerlich gleichen LED-Poolleuchten kosten im deutschen Versandhandel ca. 175 EUR. Und das ist dann immer noch die billige Chinaware. Zum Vergleich: RGB-LED mit 70 Watt von Lumiplus mit 3 Jahren Garantie (?) kosten ab 570 EUR. Pro Stück.

Die Vorbereitungen für LED-Unterwasserstrahler sind die gleichen wie bei Halogenstrahlern. UWS-Töpfe für PAR56 einmauern. Gummi- oder Silikonkabel nach oben. Verteilerdosen setzen. Man muss nur schauen, dass im Kabel zum Trafo kein zu großer Spannungsabfall stattfindet und den Kabelquerschnitt entsprechen dimensionieren. Sonst kann passieren, dass die LEDs gar nicht anspringen. Ich habe 4×4 mm² Erdkabel verlegt. Bei ca. 40 Meter Kupferleitung (also je 20 m á 8 mm² hin und 8 mm² zurück) ergibt das einen Wiederstand von 0,0172 x 40 / 8 = 0,086 Ohm. Wenn beide Strahler zusammen z.B. 120 Watt geben, ergibt sich daraus ein Strom von 120 Watt / 12 Volt = 10 A. Der rechnerische Spannungsabfall in der Leitung wäre 10 A x 0,086 Ohm = 0,86 V. So viel zur Theorie.

Praktisch sieht es so aus, dass meine mit 54 Watt deklarierten LED-Strahler in Wirklichkeit bei weißem Licht (alle LEDs an) nur 30 Watt und bei einfarbigem Licht nur ca. 9 Watt verbrauchen, was man mit einem Strommessgerät leicht messen kann. Energiewunder aus China. Aber die Erfahrung im Betrieb zeigt: Das reicht bei unserem 4×8 Pool vollkommen aus. Ich habe keinen Vergleich mit den üblichen 300 Watt Halogenstrahlern, bin aber mit der Lichtausbeute mehr als zufrieden. Man sieht zwar die einzelnen LED-Strahlen auf dem Boden, das ist aber ok.

Als Trafo habe ich mir übrigens ein günstiges geregeltes 150 Watt Netzteil CLG-150-12A vom Meanwell genommen und in der Garage angeschlossen. Mit SELV-Logo ist das Netzteil für Benutzung an Pools zugelassen. Zusätzlicher Vorteil: Man könnte etwas an Kabel sparen und die Spannung einfach am Netzteil etwas höher regeln, wenn der Abfall zu groß ist. Kleiner Nachteil (?): Das Netzteil liefert Gleichstrom und mit Gleichstrom laufen die Lichteffekte bei zwei China-Strahlern schnell auseinander, weil kein Taktgeber da ist. Das ergibt aber sehr interessante Farbkombinationen im Wasser.

Insgesamt ist farbiges Licht im Pool für uns bislang das schönste und wichtigste von den „verzichtbaren“ Pool-Features. Weißes Unterwasserlicht wirkt dagegen einfach langweilig. Man kann mit der Fernbedienung auch verschiedene Farben oder Lichtwechseleffekte einstellen. Die Funkverbindung ist nicht 100% zuverlässig, aber ok. Ich schalte jetzt das Licht jeden Abend per Zeitschaltuhr einfach für ein Stündchen ein und das Wasser leuchtet in allen Farben. Der einzige Wermutstropfen: Man sieht im UWS-Licht die Foliennaht auf dem Boden mehr als deutlich. Ob das mit der Naht überhaupt besser ginge, weiß ich nicht. Unsere Spachtelarbeit an den Wänden sieht dagegen einwandfrei aus. Vielleicht hätten wir uns doch nicht so viel Mühe geben sollen. In die Zukunf gedacht: Es wäre etwas umständlich, wenn auf dem Pool irgendwann (unweigerlich) eine Solarfolie für die Nacht käme.

Die PAR56-Strahler brauchen nur ca. 30 Watt
Die PAR56-Strahler brauchen nur ca. 30 Watt
Das regelbare Meanwell-Netzteil mit SELV
Das regelbare Meanwell-Netzteil mit SELV
Das Poolwasser in Blau
Das Poolwasser in Blau sieht cool aus
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