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marelab IR Wasser Sensor

Der marelab IR Sensor wurde speziell für den Einsatz in Aquarien konzipiert. Dabei kam es neben einer störungsfreien Funktion vor allem auf die verwendeten Materialen an.Diese wurden nach verträglichkeit (Lebensmittel Echt) , UV Beständig sowie Meerwasser geeignet ausgesucht. Alles andere sollte man in empfindlichen Meerwasser Aquarien nicht einsetzen. Auch haben PVC Kabel nichts im Salzwasser zu suchen da dies nach kurzer Zeit spröde und brüchig werden.

 

  • IR Diode mit 940nm Wellenlänge
  • IR Empfänger mit AGC und Bandpass Filter
  • 38KHz moduliert
  • 5V Digitaler Schaltausgang
  • AVR ATTINY45 20MHz Microcontroller
  • Hoch transparenter Lebensmittel echter & Meerwasser fester Epoxy Harz
  • Kabel 2m LappKabel UNITRONIC Sensor FD Li9Y11Y 3x0.25

 

OpenSource Hardware / SourcCode 

Der Source Code der Firmeware sowie die Schaltpläne im KiCad erstellt befinden sich im  GitHub Repository unter:

https://github.com/marelab/OsmoIRSensor

Die Firmware wurde mit dem kostenlos erhältlichen ATMELSTUDIO7 erstellt.

 

Schaltpläne, GerberFiles & Sourcecode stehen unter GPLv2 Lizens zur Verfügung.

You may copy, distribute and modify the software as long as you track changes/dates in source files. Any modifications to or software including (via compiler) GPL-licensed code must also be made available under the GPL along with build & install instructions.  

 

GITHUB EVENTS

 

Wie ist der Sensor aufgebaut

Die Sensor Platine / Elektronik wird mit einem Lebensmittel echten und Seewasser festen Hochtransparenten Epoxy Harz vergossen um so 100% gegen eindringen von Wasser geschützt zu sein. Die Sensor Platine enthält den Micro Prozessor sowie IR Sender und Empfänger. Hinzu kommt eine im 3D Druck hergestellte optische Barriere zwischen IR LED und IR Empfänger. Für das Sensor Kabel wir ein PUR Umhültes Kabel verwendet. PUR ist Salzwasser und UV Fest. Der Sensor verfügt über ein 16mm Gewinde um in eine Befestigung eingeschraubt zu werden. Ebenso besitzt er eine Status LED im Klarsicht Gehäuse.

 

 

Wie funktioniert der marelab IR Sensor 

IR Sensoren sind in unserem Alltag allgegenwärtig, in Fernbedienungen und Bewegungsmeldern als Beispiel. Jeder Sensor hat eine IR Strahlenquelle (IR LED) und einen Empfänger (IR empfindlicher Transitor) fällt IR Strahlung auf den IR Transistor schaltet dieser durch. Je nach Anwendung und Zweck unterscheidet sich dieses Grundprinzip mehr oder weniger in den Details. Bei einem IR Wasser Sensor wird es noch komplizierter um eine extrem hohe Schaltsicherheit zu erreichen. Dazu habe ich Funktionen, die aus IR Fernbedienungen bekannt sind mit speziellen Eigenschaften der IR Empfänger kombiniert. Erst einmal wird das IR Signal mit einer 38kKhz Frequenz modeliert, diese Frequenz wird vom IR Empfänger ausgewertet und nur ein IR Signal mit dieser Frequenz kann den Empfänger schalten. Dies ist notwendig und Sinnvoll um zB IR Störstrahlung also bspw. den IR Anteil des Sonnenlichtes oder andere IR Quellen auszublenden. Fernbedienungen nutzen dieses Verfahren und modulieren diese Frequenz um Kommandos zu übertragen. Wir nutzen diesen Mechnaismus um eine extrem hohe Störunempfindlichkeit zu erhalten. Heutige IR Empfänger sind intergrierte Schaltungen die mehrere Funktionen integrieren dazu gehören der Filter der nur die jeweilige IR Frequenz passieren lässt, AGC Automatic Gain Control die das Signal entsprechend verstärkt oder runter regelt etc. Dies ist nicht mehr mit einen einfachen IR Photo Transistor zu Vergleichen da nun viele nützliche Funktionen in einem Bauteil von der größe eines Stecknadel Kopfes untergebracht sind.

Um den Wasserkontakt messbar zu machen nutzen wir die optischen Gesetzte die für Lichtwellen gelten die die Grenzschicht von zwei unterschiedlichen Medien durchqueren. In unserem Falle wäre das Zustand

1.) Transparenter IR Sensor an Luft (siehe Grafik 2)

2.) Transparenter IR Sensor im Wasser (siehe Grafik 3)

Der Übergang zwischen diesen beiden Medien Wasser und Luft zu dem transparenten Kunststoff Gehäuse hat eine jeweils andere Lichtbrechung. Dies machen wir uns zu nutze indem wir das IR durch einen Kegel im Sensor brechen lassen. Je nach Medium das den Kegel umgibt ist die interne Reflexion des IR unterschiedlich stark. In Luft wird ein Großteil des IR Lichtes im Kegel reflektiert und trifft auf den integrierten Empfänger. Im Wasser bricht der IR Strahl und nur noch ein Teil des Lichtes wird reflektiert. Diesen unterschied könnte man mit einem einfachen IR Photo Transistor messen, dieser wäre aber leider extrem Störungsanfälligkeit gegen Umgebungseinflüsse. Daher nutzen wir die Besonderheiten der heutigen hoch integrierten IR Empfänger und dort neben der 38KHz Modulation vor allem die AGC Stufe. Ein AGC macht nichts anderes als zu versuchen das Eingangssignal immer auf einen möglichst gleichen Level zu verstärken, dazu ist aber je nach Signal Stärke mehr oder weniger Zeit nötig die er benötigt das Signal entsprechend zu verstärken. Genau diese Zeit können wir mit einem Microprozessor messen in Kombination mit der Lichtbrechung in unterschiedlichen Medien ausnutzen um zu erkennen ob der Sensor Wasser Kontakt hat oder nicht. Dies ist vereinfacht ausgedrückt die Technik die ich nutze um einen IR Sensor möglichst störungssicher zu realisieren.

Garfik 2 marelab IR Sensor über der Wasseroberfläche 

Grafik 3 marelab IR Sensor unter der Wasseroberfläche



  1. IR 940nm LED
  2. IR, AGS & Bandpass Receiver
  3. Platine mit Mikrocontroller
  4. Transparenter Linsen Kegel
  5. Wasseroberfläche

 

Wie funktioniert die Sensor Firmware

Die Software im Sensor erzeugt einen 38Khz PWM Signal das der IR Diode zugeführt wird. Der IR Empfänger triggert einen Interrupt auf dem Mikrocontroller. Die Anzahl und Zeitpunkt der Interrupts werden gezählt und  dienen damit zur Erkennung der Reflexionsstärke. Diese wird dann als ON oder OFF an einen Ausgang weitergegeben.  Dabei können der Duty Cycle des PWM Signals sowie die Zähl Schwellwerte um ein ON OFF zu erkennen angepasst werden.

Die Firmware ist unter github xxx frei erhältlich.

  1. 38 Khz IR Signal wird mit der IR LED erzeugt
  2. Die Unterschiede im Receiver bei einem starken / schwachen Signal entspricht Sensor Kegel ist von Luft umhüllt oder unter Wasser
  3. Sensor unter Wasser Signal endet kurz nach beginn obwohl der IR Sensor weiter Licht Impulse sendet
  4. Sensor an der Luft Signal besteht solange IR Led Takt anliegt
  5. Ein kompletter Messzyklus ist ca. 500ms lang und wiederholt sich endlos 
 

 

Update & Anpassung der Sensor Firmware 

Dier Abschnitt gilt nur bei kompletten Selbstbau des Sensors oder wenn man den marelab IR Sensor DEV erworben hat. Um den Sensor auch nach dem vergießen noch programmieren zu können kann dieser mit einem 6 poligen Kabel vergossen werden. So werden alle Anschlüsse des Sensors nach aussengeführt die es ermöglichen mit einem ISP Adapter den Sensor programmieren zu können. Ein weitere Vorteil dieser DEV Version ist es das man auch die IR LED und IR Empfänger Signale auch bei einem vergossenen Sensor noch nutzen bzw. Testen kann.

Braucht man diese Funktion nicht kann der Sensor auch mit einem 3 poligen Kabel vergossen werden, dann muss dieser aber vor dem vergießen programmiert werden!

Auf der rechten Seite der Schaltplan des Sensors. An dem J2 Header sind die ISP Schnittstelle sowie der Sensor Ausgang herausgeführt. An diesem Anschluss werden die Kapel angelötet. Die Pin Belegung ist dargestellt. 

In der IR-Sensor DEV Version sind alle sechs Anschlüsse nach aussen geführt.

In der Produktionsversion sind nur die Anschlüsse für 5V, GND und SensorOut nach aussen geführt!

 

 

 

Herstellung der Gussform & Vergießen des Sensors

 

Für eigene Selbstbau Versuche veröffentliche ich hier die Vorgehensweise und Materialien die notwendig sind um den Sensor erfolgreich nachbauen zu können. Achtung die hier angegebene Anleitung bezieht sich nur auf die hier aufgeführeten Materialien, bei abweichenden Guss Materialien können sich die Zeiten drastisch ändern. Dazu gibt es eine kleine Abhandlung über die zu verwendenden Materialien und die Guss Technik die verwendet wird. Damit der Sensor 100% gegen Wasser Eindringen von Wasser geschützt werden kann muss dieser vergossen werden. Dazu muss erstmal ein Modell des Sensors hergestellt werden. Ich stelle die Gussmodelle aus Hart PVC mit einer kleinen Drehbank her. Dieses Gussmodel dient dann zur Herstellung der Negativ Gussform. Im Internet und auf YouTube gibt es genügend Tutorials die alle möglichen Verfahren und Guss Mittel umfänglich erklären. Ich zeige hier den Weg auf den ich zur Produktion einsetze und der hervorragende reproduzierbare Ergebnisse liefert. Besitzt das Guss Modell wie das marelab IR Sensor Orginal ein Gewinde sollte der Guss in einem Zug erfolgen und nicht mit zwei negativ Halbschalen. Der Grund ist das die Gewinde sonst durch die Oberflächenspannung der Gussmasse nie wirklich Sauber an den Trennkanten abbildbar sind. Daher möglichst die Form mit einem Guss herstellen. Zum Herstellen der Gussform nutze ich Abform Silikon das bei Zahnärzten vorallem eingesetzt wird. Es hat hervorragende Eigenschaften blasenfrei Abdrücke des Modells zu erzeugen. Ebenso nutze ich Passstifte die in die Gussform eingearbeitet werden um das spätere Gießen zu vereinfachen. Wird nun die negativ Form in einem Guss hergestellt kann diese nach dem Aushärten mit einem Teppich Messer angeschnitten oder geteilt werden. Ich bevorzuge das anschneiden das bei simplen Modellen zum ausformen des Gusses vollkommen ausreichend ist.   

Das Bild zeigt den fertigen Sensor im Größen Vergleich. Sowie die Positiv Form im gelben PVC mit Gewinde mit der ich die Guss Form herstelle.

Verwendete Materialen & Werkzeuge

Materialien:

  • Guss Modell aus Hart PVC
  • Modellbau Knetmasse
  • Silikon Kautschuk Dubliersilikon Wagnersil 22NF 22 Shore 1:1 Abformsilikon
  • Passstifte 4mm Durchmesser 40mm Länge
  • Epoxidharz SKresin 3220 kristallklar
  • Sekundenkleber
  • Sichtblende Sensor
  • Sensor Platine

Werkzeug:

  • 4 x 20 ml Einwegspritzen
  • Zwei Anrühr Gefässe
  • Zwei Anrühr Stäbe
  • Teppichmesser
  • Zwei kleine Drähte 1-0,5 mm
  • OPTIONAL Vakum Austreibungs Gefäß
  • Schleifpapier 600, 800, 1000, 2000
  • ROTWEISS Acryl- und Plexiglas Polierpaste

Sensor Gussform Guss

Bevor man mit dem Gussform Guss oder dem Guss des Sensors beginnt sollte man alle Werkzeuge griff bereit an seinen Arbeitsplatz zurecht gelegt haben. Bei dem Arbeiten mit der Latex Gussmasse oder dem Epoxyd Harz ist flüssiges schnelles arbeiten notwendig. Man hat also nicht ewig Zeit nach passenden Werkzeug zu suchen.  Bei dem anrühren der Latex Abgussmasse sollten möglichst wenig Luftblasen in die Gussmasse eingerührt werden, trotzdem muss man die Mischung sehr gut durchrühren! Das eingießen in die Form sollte immer an der gleichen stelle erfolgen das hilft dabei keine Luftblasen zu erzeugen! Einem kleinen Draht kann nun in die Gussmasse eintauchen und die Gewindekontor nachkratzen. Das hilft potenzielle Luftblasen die am feinen Gewinde festsitzen zu entfernen. Für diesen Vorgang hat man max. bis 5 Min nach dem Guss Zeit da die Latex Gussmasse schnell aushärtete. Die Gussform kann nach ca. 30-45min Ausgehärtet. Zur Endfestigkeit sollte man dies vor dem Anschnitt nocheinmal 1-2 Stunden aushärten lassen. Dann kann der Anschnitt / Durchschnitt erfolgen.

 

Sensor Guss

Ist die Gussform fertiggestellt geht es an die Herstellung des Sensor Gusses. Dabei müssen wieder alle Materialien und Werkzeuge griffbereit am Arbeitsplatz liegen. Die vorbereitete Sensor Platine wird mit dem Blendschutz verklebt (Sekundenkleber) und dann in der Gussform fixiert. Möglichst auf gleichmässigen Abstand der Platine zur Gussform achten die möglichst nicht berührt werden sollte von der Platine. Dann wird der Epoxyd Harz angemischt, dabei ist auf möglichst blasenfreies anrühren zu achten. Die Epoxy Gussmasse nun langsam an der gleichen Stelle in die Gussform gießen. Nach dem Guss kann mit einem feinen Draht nochmal die Gewindeform entlang kratzen / fahren um potentiell anhaftende Luftblasen zu entfernen. Innerhalb der nächsten 20-30 min streben kleinere Luftblasen nun nach oben. Der Guss muss nun ca. 24 Stunden bis zum Ausformen ruhen. Nach dem Ausformen ist der Sensor innerhalb 72 Stunden endfest. Nachdem die Endfestigkeit erreicht wurde muss noch die Kugellinse geschliffen und poliert werden. Für das Schleifen eignet sich Schleifpapier mit 600,800,1000,2000 Körnung sowie eine Acrylglas Poliermasse. Damit schleift man dann den Prismen Kegel bis dieser vollkommen klar und transparent ist.

 

Sensor Nachbearbeitung

Nachdem die Endfestigkeit erreicht wurde muss noch die Kugellinse geschliffen und poliert werden. Für das Schleifen eignet sich Schleifpapier mit 600,800,1000,2000 Körnung sowie eine Acrylglas Poliermasse. Damit schleift und poliert man dann den Prismen Kegel bis dieser vollkommen klar und transparent ist. Dies ist notwendig damit die IR Lichtstrahlen ordentlich an der Grenzschicht gebrochen werden.
 

 

 

 

 

 

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