Wasserstandsmessung mit RaspberryPico und Drucksensor MPX2050DP

[Tobias R. (tobir)]

:) Bin mir etwas unsicher, ob daraus lieber ein Artikel werden sollte. 
Gebt mir gerne Anmerkungen zum Projekt. Bestimmt habt Ihr Ideen, was 
verbessert werden könnte. Viel Spass beim lesen:

*Nachbau:* Leicht
*Ziel:* Messung einer Wassersäule (Brunnen) von 0-470cm mit einer 
Genauigkeit von 5 cm.
*Ergebnis:* Erreichter MaxFehler nach 5-Punkt-Kalibrierung: 2,45 cm.

*Plattform:* Raspberry Pi Pico W  MicroPython  2,9" e-Paper-Display
*Sensor:* MPX2050DP (0-50 kPa) 10V (aber betrieben mit 8,4V um Sättigung 
des Instrumentenverstärker zu verhindern)
*Zentrale Bauteile:* INA333 (Gain 38),  MCP3426 16-bit ADC,

*Funktion:*
Tief im Brunnen ist ein Messing-Endstück an einem 4mm PE Schlauch 
versenkt. Über eine kleine 70kPa Luftpumpe wird vor der Messung für 3-4 
Sek das Wasser aus dem PE Schlauch gedrückt. Sobald die Pumpe abschaltet 
der "Überdruck" der Pumpe abfällt, stellt sich am Sensor der Druck der 
Wassersäule ein, der über dem Messing-Endstück ansteht. Der Sensor mißt 
so eine Wassersäule von bis zu 4,7 Metern mit einer Auflösung von 2-5cm, 
die Daten werden stündlich automatisch erfasst, lokal auf einem 
e-Paper-Display angezeigt und über WLAN an einen Raspberry Pi (Server) 
übermittelt. Auf dem Pi läuft eine kleine Website, auf der die Daten 
dargestellt, strukturiert und gespeichert werden. Der Code wurde 
komplett mit Ki (Claude) ge-vibe-coded und von mir überprüft. :)



_*Details:*_
Die gesamte analoge Signalkette besteht aus vier Stufen:
1.  MPX2050DP: Wheatstone-Brücken-Sensor liefert 0-40 mV Differenzsignal 
bei Vcc = 10 V (ratiometrisch). Bei 8,4 V Vcc reduziert sich das auf 
0-33,6 mV Fullscale.
2.  R4/R5 (je 100 Ohm): Schutzwiderstände gegen ESD und kapazitive 
Kopplung an den INA333-Eingängen.
3.  INA333AIDGKR: Zero-Drift-Instrumentenverstärker mit Gain G = 38,04 
(R6 = 2,7 kOhm). Hebt das kleine Differenzsignal auf 0-1,28 V an. Der 
REF-Pin liegt auf VREF = 2,516 V, wodurch der Ausgang bei 0 kPa auf 
2,516 V liegt und mit steigendem Druck ansteigt.
4.  MCP3426A0: 16-bit Delta-Sigma-ADC, I2C. CH1+ wird vom INA333-Ausgang 
gespeist, CH1- liegt auf VREF. Der ADC misst differenziell - die 
Referenzspannung hebt sich heraus und das Nutzsignal wird mit vollem 
16-bit-Bereich erfasst.

_*Wichtig:*_
Der INA333 enthält intern drei Op-Amps. Die Vorverstärker A1 und A2 
berechnen intern:

$$V_{A1} = V_{CM} + \frac{G}{2} \cdot V_{diff} \leq V_{+} - 0{,}1\;\mathrm{V}$$

Bei Single-Supply-Betrieb (0-5 V) darf VA1 die Versorgung nicht 
überschreiten (Limit: ~4,92 V). Mit dem originalen 10-V-Sensor ergab 
sich VCM = 5,0 V - bereits im Ruhezustand war der Eingang übersteuert. 
Die Lösung: einen 270-Ohm-Vorwiderstand in die Sensor-Vcc-Leitung 
einbauen, um die Versorgung auf ~8,4 V zu reduzieren oder einen 9V LDO 
Spannungsregler hernehmen. In der Platine hatte ich bereits einen 10V 
LDO verbaut und musst ich mich mit einem dazwischen gefrickelten 
270-Ohm-Vorwiderstand begnügen. (nicht im aktualisierten Schaltplan) :)

_*Übersicht über Versorgungspannungen:*_
Besonderes Augenmerk wurde auf die Trennung von Analog- und Digital-GND 
gelegt. Die untere Platinenebene ist vollständige GND-Fläche. Analog- 
und Digitalbereich sind räumlich getrennt und treffen sich nur an einem 
zentralen Sternpunkt (12V).
Die Schaltung gliedert sich in vier Teilbereiche:
1.  Digital VBus: 12 V DC Eingang, 5 V Digital (LM2576T), 3,3 V Digital 
(LT1963A)
2.  Analog VBus: 10 V Analog (R1501J100B LDO), 5 V LDO (MCP1703A)
3.  Analogsignalpfad: Sensor - R4/R5 - INA333 - R7 - MCP3426
4.  Steuerung: Raspberry Pi Pico W, e-Paper SPI, Pumpe/Ventil-MOSFETs, 
Taster

*Gain-Widerstand INA333:* R6 = 2,7 kOhm ergibt G = 1 + 100 kOhm / 2,7 
kOhm = 38,04. Damit ergibt sich bei Sensor-Vcc = 8,38 V eine 
Gesamtsensitivitaet von ~26,9 mV/kPa an den ADC-Eingängen.

*MOSFET-Auslegung:* Der IRLML2502 (SOT-23) schaltet Pumpe und Ventil mit 
einem MOSFET gleichzeitig. Der zweite IRLML2502 schaltet ein zweites 
Ventil zur Entlüftung der Druckleitung vor der eigentlichen Messung um 
den Referenzdruck sicher messen zu können. Gemessener Gesamtstrom bei 12 
V: 0,06 A im Normalbetrieb, 0,74 A bei gleichzeitigem Betrieb beider 
Lasten. Die Verlustleistung im MOSFET beträgt dabei nur 25 mW - weniger 
als 2,3% des zulässigen Maximums.



_*Firmware in MicroPython und Kalibrierung:*_
1.  Inhalt der pico.zip komplett auf den Pico laden mit

mpremote connect auto fs cp DATEI.py :

3.  .env - Zugangsdaten / Environment Datei erstellen und auf den pico 
laden:

WIFI_SSID=MeinNetzwerk
WIFI_PASS=MeinPasswort
PI_HOST=192.168.X.XX
PI_PORT=5000

4.  Inhalt der pi.zip komplett auf den Pi laden und install.sh 
ausführen.

*ADC-Konfiguration:*
Der MCP3426 wird folgender Maassen konfiguriert:
ADC_CFG = 0x88   # Kanal 1, One-Shot, 16-bit, PGA x1
Jede Messung wird 32-fach gemittelt (Integer-Summation, einmalige 
Float-Konvertierung am Ende). Dies reduziert das Rauschen um Faktor 
sqrt(32) = 5,7. ADC-Auflösung: 16-bit / 62,5 uV pro LSB.

*Lineare Kalibrierung:*
Die Kalibrierprozedur nimmt 5 Messpunkte bei bekannten Referenzdrucken 
auf und berechnet per Least-Squares-Regression die Koeffizienten a und 
b:
Druck [kPa] = a * ADC [mV] + b
Referenzdrücke müssen zur Kalibrierung mit einem hochpräzisen 
mmHg-Manometer erzeugt werden (1 mmHg = 1,35951 cm H2O).



BOM folgt morgen oder übermorgen sowie Grafik und Foto vom gesamten 
Aufbau die nächsten Tage.
Ich hab noch etwa 10 Platinen an Nachbau-Interessierte zu vergeben.

[Gerhard O. (gerhard_)]

Moin,

tolles Projekt und Ausführung!

Wenn es interessiert:

Vor Jahren befaßte auch ich mich mit einem ähnlichen Projekt das ich 
hier im Forum vorstellte.

Nur in einem Punkt machte ich es anders: Ich verwendete drei Ventile, um 
den aufgebauten Druck im Messrohr wegen der Energiebilanz nicht zu 
verschwenden. Das zweite Ventil belüftet vor der Staudruckmessung den 
Sensor, um zur Nullpunkterfassung des Sensors den atmosphärischen Druck 
zu registrieren. Dann schalte ich den Sensor erst auf die Druckleitung.

Bei mir ist der Meßablauf wie folgend:

1) Sensor zur Atmosphere zwecks Sensor-Nullung schalten
2) Erstmalig die Druckleitung mit der Pumpe ausblasen und den Druck 
halten bis er sich aus-perlt. Der Sensor ist während des Pumpvorgangs 
abgekoppelt.
3) Sensor auf die Druckleitung schalten und beliebig regelmäßig messen
4) In regelmäßigen Abständen (30m) schalte ich die Pumpe ein um etwaige 
Druckänderungen und Verluste ausgleichen zu können. Während des Pumpens 
ist der Sensor abgekoppelt, um mögliche Überlastungen zu verhindern.

Bei mir ist halbstündiges Nachpumpen vollkommen ausreichend. In meinem 
Anwendungsbereich genügt an sich einmal am Tag.

Wenn es Dich interessiert, hier ist mein Bericht (Den Du bestimmt 
gesehen hast ;-) ):
Beitrag "Ein Füllstandmesser auf Einperlungsbasis"

Gerhard