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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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Sonden, Telekom, Baustrom, Aufheizprogramm etc.

Heute wurden die Sondenzuleitungen bis ins Haus gelegt. Vor dem Haus wurde noch ein Schacht mit dem Sole-Verteiler gesetzt.

Telekom war wieder da und hat ein Kästchen installiert, an den später die Telefondose angeschlossen werden kann. Jetzt kann eine Anschlussschaltung beantragt werden. Da wir aber mit unserem 1&1-Komplettanschluss umziehen werden, kann das leider erst zum Umzugstag kommen.

Baustrom habe ich gestern bei evd schnell abgemeldet. Für die Demontage braucht man nicht einmal den eigenen Elektriker. Heute war der Baustromkasten schon abgeklemmt und des Zählers entledigt. Der ganze Bau hat seit Baubeginn übrigens nur 86 kWh Strom verbraucht. Das entspricht ca. 50 EUR.

Während dessen schwitzt das Haus weiter vor sich hin. Die Vorlauftemperatur im Aufheizprogramm der Wärmepumpe war heute schon bei 35°. Übermorgen erreichen wir die 45°, die dann eine Woche lang gehalten werden, bevor es wieder runter geht. Zählerstand nach 3 Tagen: ca. 400 kWh.

Das geheimnisvolle Kästchen der Telekom
Das geheimnisvolle Kästchen der Telekom
Die Soleanschlüsse im Heizungsraum
Die Soleanschlüsse im Heizungsraum
Ein Blick in den Soleverteilerschacht
Ein Blick in den Soleverteilerschacht
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Die Erdwärmesonden sind nun drin

Die Sonden für die Erdwärme sind nun endlich verlegt und mit irgendeinem wärmeleitfähigen Stoff verpresst. Die eine Sonde soll 63 m tief gehen, die andere 70 m. Warum das so geworden ist, keine Ahnung. Laut Plan sollten beide 65 m werden. Ich hoffe, die Sondentiefe hat Vaillant Geosysteme aber gut berechnet, damit die Sonden im Betrieb genug Wärme einsammeln können und nicht vereisen. Pi mal Daumen rechnet man mit 50 Watt Entzugsleistung pro Tiefenmeter bei feuchtem Sand-Kies-Untergrund und 1800 Betriebsstunden im Jahr. Mit Warmwasserzubereitung soll man aber mit mind. 2400 Betriebsstunden rechnen, also beträgt die Entzugsleistung nur ca. 37,5 W/m. Wenn wir ca. 6500 Watt Wärmeleistung brauchen, beträgt die Entzugsleistung der Wärmepumpe ca. 5000 Watt, der Rest kommt mit dem Strom aus der Steckdose. Die erforderliche Sondentiefe wäre demnach 5000/37,5 = 133 Meter. Kommt genau hin, aber ohne jegliche Reserve. Für die genauere Berechnung kommt es auf eine ganze Reihe von weiteren Einflussfaktoren an. Bei effiziente-waermepumpe.ch kann man über die verschiedenen Berechnungsmethoden genau nachlesen.

Die Doppel-U-Sonde liegt hier noch draußen
Die Doppel-U-Sonde liegt hier noch draußen
Die 2. Sonde wird verpresst
Die 2. Sonde wird verpresst
Beide Sonden drin, Haufen Dreck draußen
Beide Sonden drin, ein Haufen Dreck draußen
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Die Bohrungen gehen weiter

Nachdem Vaillant Geosysteme beim ersten Bohrversuch den Bohrkopf abgebrochen hatte und den zweiten Bohrversuch grade noch ohne Schäden abbrechen konnte, gingen die Bohrungen heute endlich mit einem anderen Bohrgerät von vorne los. Die GeoJetting-Technologie, die am Anfang verwendet wurde, erwies sich als nicht gut gegen dicke Schichten aus groben Kies, die man bei uns angeblich unerwartet ab 25 m Tiefe getroffen hat. Der zur Seite gedrängte Kies scheuert das Rohr so auf, dass es irgendwas zwangsweise bricht. Jetzt wird so gebohrt, dass der Untergrund zerkleinert und nach oben befördert wird.

Neues Bohrgerät, neues Glück
Neues Bohrgerät, neues Glück
Was fließt hier wohin?
Was fließt hier wohin? Versteh einer!
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Erdwärmebohrungen beginnen

Seit gestern sind die Kollegen von Vaillant Geosysteme mit schwerem Bohrgerät im Vorgarten und fangen an, zwei 65 m tiefe Bohrungen für Erdwärmesonden zu bohren. Gebohrt wird mit Wasser unter hohem Druck aus dem Kompressorwagen. Für den großzügigen Wasserfluss musste ich heute das Bauwasserstandrohr auf eins mit einem C-Anschluss umtauschen. Ich bin gespannt, wie viel Wasser diese Bohrungen verbrauchen. Das Bauwasser soll ja von uns bezahlt werden.

Hier ein kleines Video davon, was beim Bohren stundenlang geschieht.

Get the Flash Player to see the wordTube Media Player.

 

[Update 23.09.] Nachdem die Bohrarbeiten am Anfang relativ gut vorankamen, ging heute nach ca. 50 Metern Tiefe die Bohrmaschine kaputt und musste abtransportiert werden. Kleine Pause bei dem Bohrkommando, bis sie repariert wird. Voraussichtlich aber nur bis Freitag.

Die Straße voller Bohrtechnik
Die Straße steht voller Bohrtechnik
Schweres Bohrgerät im Vorgarten
Schweres Bohrgerät im Vorgarten

 

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