Smart- and Smooth-Signalling Halb voll oder halb leer?

Große Füllstandsbereiche mit wenigen Schaltern überwachen – geht das? Ja, zum Beispiel über magnetisch betätigte Schalter mit Reedkontakt-Paaren. Aber solche Schalter können noch mehr.

In Zeiten von Industrie 4.0 ist es immer wichtiger, dass Komponenten keine Kommunikationsschwierigkeiten haben. Universelle Systeme sind deshalb herstellerspezifischen Systemen vorzuziehen. Mithilfe einfacher Techniken können Ingenieure eine größere Offenheit in der Feldebene erreichen. Das zeigen zwei Anwendungsbeispiele aus der Füllstandsmesstechnik.

Ein Beispiel ist eine Füllstandsmesssonde, die mit drei magnetisch betätigten Schaltern mit sehr großem Schaltbereich aufgebaut ist. Mit der Sonde werden über drei Lampen fünf Füllstandsbereiche angezeigt. So können in einem Vorratsbehälter für Löschwasser die Füllstände »Minimum«, »Normal« und »Maximum« erfasst und angezeigt werden. Die zwei Zwischenwerte zwischen Minimum und Normal sowie zwischen Normal und Maximum werden ebenfalls erfasst und angezeigt. Dabei überlappen sich die benachbarten Schaltbereiche, so dass die jeweiligen Anzeigeelemente (z.B. Lampen) gleichzeitig leuchten.

Eine in gleicher Weise aufgebaute Füllstandsmesssonde, die an ein batteriebetriebenes GSM- (Global System for Mobile Communications) Funk-Modul angeschlossen ist, ist ein weiteres Beispiel aus der Füllstandsmesstechnik. Die Sonde braucht keine eigene Stromversorgung, da sie ausschließlich aus elektromechanischen Kontakten besteht und beeinflusst deshalb nicht die Batterielebensdauer des Funk-Moduls. So kann die Messeinrichtung zur Funkübertragung eines Füllstandes für elektrisch leitfähige und nichtleitfähige sowie nichtbrennbare und brennbare Flüssigkeiten verwendet werden.

Die Benutzung der Weitbereichsschalter lässt weitere einfache Anschlussmöglichkeiten zu. Auch für Explosionsschutzzulassungen ist die Technik gut geeignet.

Bild 1 zeigt den Aufbau eines Bereichsschalters mit überlappenden Schaltbereichen. Manchmal genügt es vollkommen, wenn eine Leuchtdiode einen Zustand signalisiert. Für den Techniker vor Ort ist es von Vorteil, wenn der Sensor ein elektromechanischer Kontakt ist, den er zum Testen mit einem Multimeter durchmessen kann.

Ein Bereichsschalter mit Reedkontakten hat einen großen Schaltbereich, da sich die Betätigungsbereiche überlappen. Somit können auch Zwischenzustände erkannt werden, denn in den Überlappungsbereichen schalten jeweils die beiden benachbarten Bereichsschalter gleichzeitig.

Ein Reedkontakt oder zwei?

Ein Reedkontakt hat in einem Glasrohr eingeschmolzene Metallzungen, die durch magnetische Beeinflussung einen Schaltvorgang auslösen. Eine besondere Art der magnetischen Beeinflussung ist das Bewegen eines Magneten parallel zum Reedkontakt. Ist der Magnet besonders stark, schaltet der Kontakt bereits bei Annäherung an die erste Metallzunge ein und bei einer Weiter- Bewegung des Magneten wieder aus.

Befindet sich der Magnet bei fortgeführter Bewegung in derselben Richtung über beiden Metallzungen, schaltet er wieder ein und dahinter wieder aus. Ist der Magnet in der Nähe der zweiten Metallzunge, schaltet er wieder ein und dahinter bei weiterer Entfernung wieder aus. Die Längen der Betätigungsbereiche vor und hinter dem Reedkontakt lassen sich durch die Wahl der Stärke des Magneten stärker beeinflussen als der Betätigungsbereich über dem Reedkontakt. Ein dreifaches Schalten stört gewöhnlich: Üblicherweise ist die Stärke des Magneten auf die Empfindlichkeit des Reedkontaktes so abgestimmt, dass er nur einmal schaltet. Er schaltet nur dann, wenn sich der Magnet über den beiden Metallzungen befindet (Bild 2).

Bei vielen Anwendungen reicht jedoch ein Schaltkontakt nicht aus – dann werden zwei Reedkontakte versetzt zueinander angeordnet und gepaart verschaltet (Bild 3). Das Reedkontaktepaar bildet eine Schaltereinheit mit einem größeren Betätigungsbereich als zwei einzelne, unabhängige Schalter. Verfügt ein einzelner Schalter über einen Betätigungsweg des darauf abgestimmten Magneten von 2 cm, kann die gepaarte Einheit einen Betätigungsweg von beispielsweise 25 cm erreichen. Dazu wird zusätzlich ein entsprechend starker Magnet verwendet.

Smooth signalling in der Praxis

Ein Bereichsschalter aus einem Reedkontakte-Paar erzeugt ein Schaltsignal über einen großen Bereich. Um Zwischenbereiche zu erfassen, werden mehrere Bereichsschalter entsprechend angeordnet, dass sich deren Betätigungsbereiche überschneiden. Die beiden Schaltsignale benachbarter Bereichsschalter geben dann zusätzlich Aufschluss über die Position des Magneten in dem Überlappungsbereich. Die Information über die Position entspricht nicht einem digitalen Signal wie 1 und 0, sondern schafft einen weicheren Interpretationsübergang – eben »smooth signalling«. Die Bilder 4 bis 6 zeigen weitere Beispiele für Reedschalter-Kombinationen.

Für die Füllstandskontrolle einer Sprinkleranlage ist es ausreichend, über eine optische Anzeige die Füllstände von Minimum, Normal oder Maximum zu wissen. Das ist zum Beispiel mithilfe einer magnetisch gesteuerten Tauchsonde und drei Leuchtdioden zu realisieren.

Allgemein ist es von Vorteil, wenn ein Sensor direkt und ohne große Anpassungsprobleme an viele Automatisierungsgeräte angeschlossen werden kann. Zusätzlich kommen Vorteile ins Spiel, wenn der Sensor noch nicht einmal eine aktive Elektronik benötigt. Ein wichtiger Aspekt des Stromsparens sollte besonders bei batteriebetriebenen Systemen nicht vergessen werden. Der aktuelle Schaltzustand von passiven Schaltern ist immer abrufbereit und eine Zustandsänderung kann direkt eine Aktivität ganz ohne Hilfsenergie auslösen.

Betrieb mit langer Batterielebensdauer

In batteriebetriebenen Funkmodulen ist eine lange Batterielebensdauer wünschenswert. Müssen Analogwerte kontinuierlich übertragen werden, stellt das die Sensorik vor Herausforderungen. Kontinuierlich hieße dann, der Sensor benötigt ständig Strom – was die Batterie belastet. Deshalb wird einerseits der Elektronik nur zu festgelegten Zeiten die Hilfsenergie bereitgestellt. Andererseits kann das Funkmodul in den Sleep-Modus versetzt werden, um die Batterielebensdauer zu erhöhen.

Keine Standby-Leistung erforderlich

In der Praxis ist nicht ständig ein genauer Analogwert zu überwachen. Den Anwender interessiert vielmehr vor allem, ob der Analogwert sich außerhalb eines gewünschten Wertes befindet. Das Ereignis sollte dann aber sofort gemeldet werden und nicht erst dann, wenn das nächste Zeitfenster für die Funkübertragung zur Verfügung steht.

Wenn ein Reedkontakt mit einem Dauermagneten angesteuert wird, benötigt er dazu weder Elektronik noch Versorgungsenergie. Bei vielen Anwendungen, die die Vorteile eines Reedkontakt-Sensors nutzen, kann auch die hier vorgestellte Schaltertechnik verwendet werden. Ein Vorteil ist zum Beispiel die fokussierte Überwachung von Bereichen mit einem Analogwert für die Positionsbestimmung, ohne der Verwendung weiterer Geräte. Eine einzelne, solche Positionssensoreinheit ist damit ein Ereignismelder für mehrere Analogwertbereiche. Dabei wird kontinuierlich ein Signalzustand erzeugt, der dem aktuellen Positionsbereich entspricht. Auch ein Stromausfall ist kein Problem, da durch die Selbstüberwachung immer ein Signalzustand vorhanden ist. Der Techniker braucht den Positionssensor nicht anzulernen und muss keinen Referenzwert in einer Elektronik abspeichern.

Ändert sich nun der Zustand vor Ort, setzt der Sensor sofort eine Meldung ab. Aber nicht das batteriebetriebene Funkmodul weckt den Sensor, wenn es Zeit ist, ein Signal zu senden. Der Sensor ist immer wach und stellt stromlos seine Signalzustände zur Verfügung. Erst bei Änderung eines Signalzustandes weckt der Sensor das Funkmodul und sendet unverzüglich die neuen Signalzustände. Entweder zum Leitstand oder als SMS oder per E-Mail auf das Smartphone. Ansonsten ist auch ein Routineruf an ein Datenzentrum über den aktuellen Status denkbar.

Zurück zur Analogtechnik

In der Welt der Elektronik sind auch heute immer noch mechanische Schalter zuhause. Sie haben sich bewährt und bieten Vorteile in der Handhabung. Wenn die physikalischen Gegebenheiten genutzt werden können, ist es der direkte Weg, um eine Schaltfunktion auszuführen. Zuerst ein analoges Signal zu erzeugen, zu messen und zu vergleichen, um dann einen Schaltvorgang auszulösen, ist dagegen ein Umweg. Manchmal ist dieser Umweg dennoch zu bevorzugen, manchmal aber nicht erforderlich oder sogar umständlich. Der Wunsch nach Transparenz und die Nachteile der Komplexität treffen heute oft aufeinander.

Dort wo der Wunsch nach einfachen Möglichkeiten mit unkomplizierter, leicht verständlicher und leicht handhabbarer Technik wieder größer wird, können Ingenieure und Techniker mit einfachen Schaltkontakten neue Anwendungsfelder bedienen. Wo Stromsparen, Universalität und Schnittstellenproblematik aufeinander treffen, geraten mechanische Schalter wieder in den Fokus und bekommen einen neuen Stellenwert.    ts