Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY)

[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 1

Obwohl in letzter Zeit zwei Projekt-Anfragen zum Thema "Füllstandsmessung" (in Wasser) mehr oder weniger im Sande verlaufen sind, ist das Thema doch immerhin so interessant, dass man untersuchen sollte, ob es ganz allgemein möglich ist im Eigenbau (DIY) ein Füllstandsmeßgerät zusammenzubauen.

Dieses Experiment, das mit dem Wissen aus dem Technik-Unterricht an Schulen lösbar sein sollte,
kann sicher auch von Einsteigern in die Welt der Elektronik nachvollzogen werden.

Das (zu entwickelnde) Gerät soll die Füllstandsmessung mittels Elektroden in mit Wasser gefüllten Behältern ermöglichen, wie zum Beispiel in Aquarien, Zisternen und Teichen.

Die Schaltung für den Prototyp wird in ihrer Grundausführung so konzipiert,
dass zwei Elektroden-Paare angeschlossen werden können.
Dadurch schafft man die Möglichkeit geräteintern ein "Nachfüllung EIN" -Signal zu erzeugen,
welches über einen potenzialfreien Kontakt extern zur Verfügung gestellt werden kann.

Da beabsichtigt ist die Schaltung modular aufzubauen, wird es bei Nachbauten,
die andersartig gelagerte Aufgaben erfüllen sollen,
ein Leichtes sein entsprechende Erweiterungen vorzunehmen.
Ein Beispiel wäre die Erweiterung zur Abfrage von 6 Elektroden-Paaren.

An dieser Stelle muss angemerkt werden, dass der Eigenbau von Elektroden hier nicht behandelt werden wird.

Da die Beschreibung des Nachbau-Experiments ziemlich umfangreich werden wird,
erscheint es sinnvoll auch sie modular aufzuteilen.
So wird zum Beispiel das Modul "Frequenz-Generator" eine Teilbeschreibung sein.

Nach so viel Text folgt hier ein Schaltbild des noch nicht ganz ausgereiften Prototyps:

http://s11.postimg.org/wxty7y3v3/Prototyp_02_x1.jpg

Diese Abbildung zeigt nur das Grundprinzip des angedachten Gerätes.

Teil 2 der Beschreibung wird dem Modul "Frequenz-Generator" gewidmet sein.
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[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 2

Ein MODUL namens "Frequenz-Generator"

Den Empfehlungen der Fachliteratur folgend, wird das Füllstandsmeßgerät für die Elektroden nicht
eine Gleichspannung bereitstellen, sondern hierfür mittels eines AMV eine Rechteckspannung im
Frequenzbereich zwischen 1500 und 2000 Hz erzeugen.

Aus den vielen Möglichkeiten, wie eine Rechteckspannung erzeugt werden kann, wird für das Meßgerät
eine bewährte AMV-Schaltung ausgewählt, deren Mittelpunkt ein "TIMER 555" bildet.

Für den Prototyp des Meßgeräts genügt eine einfache Version, da hiermit nur zwei Elektroden-Paare
versorgt werden sollen. Diese erste Version des Frequenz-Generators erhält die Bezeichnung "FG-1".

Die folgende Abbildung zeigt das Schaltbild des "FG-1"

http://s27.postimg.org/puv2rlkov/FG_1.jpg

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Für Anwendungen, die den Einsatz einer größeren Anzahl von Elektroden-Paaren erforderlich machen,
wird man einen um eine Verstärkerstufe erweiterten AMV einsetzen, welchem hiermit
die Bezeichnung "FG-2" zugeordnet wird:

http://s28.postimg.org/iplp8dknd/FG_2.jpg

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[bigdie]

Im Ausgang fehlt noch ein Kondensator (Elko) sonst bekommst du keinen Wechselstrom sondern nur pulierenden Gleichstrom.
Sinn der Sache ist ja eine einseitige verkrustung oder Abtragung der Elektrode möglichst zu verhindern.
Andere Möglichkeit wäre Rechteck aber mit ungleichem Tasstverhältnis. Also z.B. 1s Pause 1/100 s Spannung Das würde die Elektrode auch schonen.

 

[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 3

Die Meßstelle in Elektro-Symbolen dargestellt.

Um die Wirkungsweise der als Meßfühler eingesetzten Elektroden-Paare in die Schaltungssimulation
realistisch, -wenn auch ein wenig populär-wissenschaftlich -, einbringen zu können, wurde eine
hoffentlich hilfreiche Analogie eingeführt, die in der folgenden Abbildung dargestellt ist:

http://s27.postimg.org/by1rce8qn/Me_stelle_01.jpg

"Elektroden trocken" bedeutet für die Simulation der Schaltung dasselbe wie ein geöffneter Schalter.
In dieser Konstellation nimmt der zum "Schalter" in Reihe geschaltete Rheostat keinen Einfluß auf
die Funktionsweise der Schaltung.

"Elektroden naß" bedeutet für die Simulation der Schaltung dasselbe wie ein geschlossener Schalter.
Bei dieser Konstellation muss allerdings berücksichtigt werden, dass die zwischen den Elektroden
befindliche Strecke (Teich-) Wasser dem Stromfluß einen gewissen Widerstand entgegensetzt.
Dieser von der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers abhängige Widerstand wird in der Simulation
mit Hilfe des zum "Schalter" in Reihe geschalteten Rheostats berücksichtigt.

Nachdem hier die Leitfähigkeit des Wassers angesprochen wurde, muss darauf hingewiesen werden,
dass mit dem vorliegenden Projekt nicht beabsichtigt ist die elektrische Leitfähigkeit
eines Fluids quantitativ zu erfassen.

Das behandelte Thema lautet immer noch "Füllstandsmessung".

Das Fernziel ist eine "Füllstandssteuerung".

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[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 4

Umpolung des Meßstromes für die Meßstelle.

Im folgenden Text soll anhand der Analogie "Schalter & Rheostat" aufgezeigt werden,
was es mit 'Umpolung des Meßstromes', bzw. der Meßspannung, auf sich hat.

Auf den ersten Blick, wenn man die stark vereinfachte Darstellung betrachtet,
erscheint die Forderung nicht allzuschwer zu erfüllen zu sein.

Unter Berücksichtigung des Umstandes, dass die Kombination "Schalter & Rheostat"
zwei Zustände annehmen kann, ergeben sich die abgebildeten 4 Konstellationen:

http://s29.postimg.org/4yr3qfmyb/Me_stelle_02.jpg

Man pickt nun eine einzige Analogie "Schalter & Rheostat" heraus und zeigt an
diesem Beispiel verschiedene Möglichkeiten der Umpoltechnik auf.

Hier ein Beispiel mit Handschalter, der die Umpolung bewirkt.
Dieses Beispiel soll das Grundprinzip der Umpolung verdeutlichen,
so dass sich die weiteren Methoden jedermann erschließen dürften.

http://s29.postimg.org/9q05zxuk3/Me_stelle_03.jpg

Die automatische Umpolung mittels Relais-Kontakten soll jetzt zeichnerisch
umgestaltet werden, damit man leichter erkennen kann, dass es sich hierbei
im Grunde genommen um eine H-Brücken-Schaltung handelt.
Da eine kontaktbehaftete Umpolschaltung nun nicht gerade das Gelbe vom Ei ist,
soll der Versuch gemacht werden eine elektronische Umpolschaltung zu verwirklichen.

In einem ersten Schritt soll versucht werden den linken Relais-Kontakt der H-Brücke
durch ein elektronisches Bauteil zu ersetzen. Nach einigem Überlegen stellt man fest,
dass man den Ausgang des bereits vorgestellten Frequenz-Generators hierfür heranziehen
kann, was in der folgenden Abbildung dargestellt wird.

http://s17.postimg.org/tsvcu93cr/Me_stelle_04.jpg

Wie die H-Brücke auch auf der rechten Seite mit elektronischen Bauteilen verwirklicht
werden kann, wird in Teil 5 der DIY-Beschreibung aufgezeigt.

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[bigdie]

Um Wechselstrom durch das Wasser zu schicken brauchst du aber keine H-Brücke.
Ein Rechteckgenerator ( z.B bistabiler Multivibrator mit einem 555) und am Ausgang ein Kondensator reicht.
Alternativ geht auch eine symetrische Betribsspannung.
Deshalb schrieb ich oben, das du am Generator noch einen Kondensator nachschalten musst.
http://s11.postimg.org/ouan5mtlr/F_llstand.jpg

 

[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 5

Meßstelle in der H-Brücke

Moderne Bauteile ermöglichen neue, fortschrittliche Problemlösungen. So wurde der zweite
Brückenzweig nach reiflicher Überlegung mittels Optokoppler verwirklicht. Wie sich später
zeigen wird, können mit diesen Bauelementen auch an anderer Stelle noch gute Problemlösungen
erreicht werden.

Nachdem in Teil 3 und Teil 4 der Beschreibung sehr ausführlich die Überlegungen dargelegt
wurden, die zur Gestaltung der H-Brückenschaltung führten, wird es für den aufmerksamen
Leser ein Leichtes sein die in nachfolgender Abbildung gezeigte Schaltung zu verstehen.

http://s4.postimg.org/3ns1rjrm1/Me_stelle_05.jpg

Was jetzt noch fehlt ist die Auswertung des Zustandes der als Meßfühler agierenden Elektroden.

Diese Auswertung soll in Teil 6 der Beschreibung besprochen werden.

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[bigdie]

Mit der H-Brücke schaffst du dir nur unnötig Probleme mit Funkstörungen, weil du 2 "heiße Leitungen hast.
Wenn du mit dem Kondensator arbeitest, hast du nur eine Leitung mit Rechtecksignal, dieses wird durch den kondensator schon verschliffen, und wenn das nicht reicht, kannst du auch noch ein LC- Glied nachschalten. Der Behälter bzw. die längste Elektrode liegt auf Masse.

 

[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 6

Auswertung des Zustandes der als Meßfühler agierenden Elektroden.

Für die Beurteilung des Füllzustandes der zu beobachtenden Anlage soll das Füllstandsmeßgerät
den Zustand "naß" oder "trocken" eines jeden Elektroden-Paares auswerten und in Form einer
digitalen JA/NEIN - oder AUF/ZU - Aussage zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stellen,
welche Forderung im Allgemeinen durch die Bereitstellung eines potentialfreien Kontaktes
(pro Elektroden-Paar) erfüllt sein dürfte.

Um die Darstellung übersichtlich zu halten, wird die Zustandsabfrage zuerst für eine Meßstelle,
also ein Elektroden-Paar, in die im Teil 5 beschriebene H-Bückenschaltung integriert.

Durch die wechselnde Stromflußrichtung bietet sich eine interessante Möglichkeit zur
Gestaltung einer ziemlich ausgefallenen Auswerte-Schaltung nach eigenen Vorstellungen.

"Naß/trocken" - Auswertung nur durch LED angezeigt:

http://s15.postimg.org/ugvgz32g7/Me_stelle_06a.jpg

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"Naß/trocken" - Auswertung über potenzialfreien Relais-Kontakt:

http://s27.postimg.org/kdjkbsdrz/Me_stelle_06b.jpg

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[bigdie]

Auch wenn es dich nicht interessiert, ich muss ja wenigstens die anderen warnen.
1. Die Schaltung funktioniert nur einmal. will ich 2 Füllstände messen, was man in der Regel ja immer macht (hysterese) funktioniert das Ganze nicht mehr.
2. solltest du mal deine Symbolbibliothek überarbeiten, damit man weis was für ein Feldeffekttransistor das sein soll
3. über den Funkstörsender sprach ich weiter oben schon.
4. Die Eingänge sind so empfindlich, das sie auf jeden Mittelwellensender, oder auch einen Blitzschlag in 5km Entfernung reagieren werden. In Verbindung mit dem eigenen Sender und parallelen Adern, wird das Relais wahrscheinlich nie abschalten.
5. warum der Transistor vor dem Relais? Gängige Optokoppler bringen 70mA im Ausgang, selbst ein 16A Relais z.B. Finder 12V braucht nur 54mA.
Und selbst den Optokoppler kann man weg lassen bei Eisatz der richtigen Transistoren davor.
Fazit:
So wird es nichts.

 

[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 7

Kombinatorik der Relais-Kontakte des Prototyps.

In diesem Abschnitt soll gezeigt werden, wie der Prototyp durch äußere Beschaltung
unterschiedlichen Verwendungszwecken angepaßt werden kann. Da das Innenschaltbild
aus Teil 1 der Beschreibung bekannt ist, wird der besseren Übersichtlichkeit wegen
der Prototyp nur noch als Black-Box dargestellt, mit der Bezeichnung "FMG1-M2".

Als Sinnbild für die Darstellung des Zustandes der Meßstelle(n) wird aus einem
Simulationsprogramm das "Schwimmerschalter"-Symbol verwendet, welche Vereinfachung
in dieser populär-wissenschaftlichen Beschreibung eines Geräte-Eigenbaus durchaus
angemessen erscheint.

Während der Erprobungsphase des Prototyps kann das Gerät tatsächlich auch an realen
Schwimmerschaltern [1] getestet werden, so dass die Verwendung dieses Sinnbildes
als Ersatz für ein Elektroden-Paar durchaus nicht zu wirklichkeitsfremd ist.
Allerdings müssen die Fühler-Eingänge bei einer derartigen Anwendung geräte-intern
mit geeigneten Schutzwiderständen beschaltet werden!

Da der Prototyp mit zwei Ausgängen ausgerüstet ist, ergeben sich gemäß Kombinatorik-
Theorie 2² Kombinationsmöglichkeiten, die man als Steuerbefehle nutzen kann.

Da ein Bild mehr als tausend Worte sagt, folgt eine ausführliche Darstellung der
Kombinationsmöglichkeiten, wobei davon auszugehen ist, dass die meisten Leser
diese extreme Ausführlichkeit nicht benötigen würden ... :wink:

http://s14.postimg.org/o8pmnp531/Me_stelle_07.jpg

... und welche gute Nachricht folgt aus dem Black-Box Beispiel?

Man kann das Gerät nachbauen und einsetzen ohne den Inhalt der Black-Box zu verstehen!

Im nächsten Abschnitt wird ein Anwendungsbeispiel beschrieben ...
_________
Fußnote [1] Float Switch LSAZ-85-P

 

[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 8

Externe Verdrahtung der Relais-Kontakte des Prototyps.

"Man kann das Gerät nachbauen und einsetzen ohne den Inhalt der Black-Box zu verstehen!"

Diese im vorhergehenden Abschnitt getätigte Aussage sollte man nun doch etwas relativieren.
Außer von Elektronik war bisher nur ganz allgemein von "potenzialfreien Relais-Kontakten"
die Rede. Da diese Kontakte aber von grundlegender Bedeutung bei der Gestaltung von
Schaltungen für bestimmte Anwendungsfälle sind, sollte jetzt explizit darauf hingewiesen
werden, dass zur Erreichung einer gewissen Universalität der Prototyp bereits mit dem
Kontakttyp "Umschalter" (Wechsler) ausgerüstet wurde, was mit voller Absicht auch in der
sogenannten Black-Box noch deutlich sichtbar dargestellt wird.

Entwirft man nun um die Black-Box herum für eine bestimmte Anwendung eine Schaltung, so
ermöglichen die sichtbar (und nicht nur als Klemmen) dargestellten Umschalter-Kontakte
das einfache, übersichtliche Verständnis der Funktionsweise der Gesamtschaltung.

Als Beispiel wird in der folgenden Abbildung eine Pumpensteuerung gezeigt:

http://s29.postimg.org/lq7owwwcz/Messstelle_08.jpg

Verwendungszweck: Pumpen-Steuerung zum Nachfüllen des Inhalts, beispielsweise eines Gartenteichs.

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Es wird in dieser Beschreibung davon Abstand genommen auf die Bezeichnungen aus der Regelungstechnik usw. einzugehen,
wie da wären: unstetige Regeleinrichtung, Zweipunktregler, Dreipunktregelung und ähnliches.

 

[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 9

Universalität des Prototyps.

"Man kann das Gerät nachbauen und einsetzen ohne den Inhalt der Black-Box zu verstehen!"

Nun soll überprüft werden, wie flexibel man mit dem Gerät auf hier im Forum real gestellte
Anfragen reagieren kann. Jeder kann nachlesen, was der User "Groecamp" fordert, nämlich
die Ansteuerung eines Magnet-Ventils: http://www.elektrikforum.de/ftopic22550-0-asc-0.html

Bei dieser Anfrage kommt noch erschwerend hinzu, dass eine zusätzliche manuelle Ansteuerung
des Magnet-Ventils gefordert wird.

Wie die folgende Abbildung zeigt, kann diese Kombination von Füllstandsmeßgerät und
Handsteuerbetrieb vollkommen unproblematisch verwirklicht werden:

http://s11.postimg.org/g7gbh5uxb/Me_stelle_09.jpg

Im nächsten Abschnitt der Beschreibung soll untersucht werden, ob das Füllstandsmeßgerät
mit vertretbarem Aufwand zur "Füllstands-Steuerung" erweitert werden kann.

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[bigdie]

Das Problem ist nur, das deine Blackbox nicht funktioniert, schon gar nicht, wenn du sie 2mal verwendest.

 

[patois]

:lol:

Liebe Mitleser,

das Problem ist nur, dass meine Black-Box in Form des Prototyps funktioniert,

trotz aller Zweifel, die hier im Forum immer wieder von einer Person vorgetragen werden.

Da aber der "Nürnberger Trichter" noch nicht erfunden wurde, können wir niemandem "Wissen" eintrichtern.

Wie sagte schon Graf Eberhard, der mit dem Barte:

"Viel Feind, viel Ehr !"

Greetz
Patois

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[bigdie]

An den Prototyp glaube ich nicht, und wenn du deine Schaltung im Simulationsprogramm mal testest, in 2 facher Ausführung Elektroden im selben Wasser, und ohne galvanich getrennte Stromversorgung, dann wird dir selbst dein Simulationsprogramm den Fehler erklären.

 

[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 10

Vom Füllstandsmeßgerät zur Füllstandssteuerung.

Aufbauend auf dem bewährten Prototyp, soll das Füllstandsmeßgerät zur Füllstandssteuerung
erweitert werden. Zu diesem Zweck modifiziert man das Innenschaltbild des Prototyps.

Genau betrachtet verlegt man einen Teil der bisherigen externen Beschaltung des
Füllstandmeßgerätes ins Geräteinnere. Die so entstehende Füllstandssteuerung benötigt
eigentlich entsprechend ihrer Funktion nur einen potenzialfreien Kontakt, jedoch
könnte ein zweiter Kontakt für Meldezwecke in vielen Fällen nützlich sein.

Es bietet sich ferner an den Wahlschalter "Automatik/Halbautomatik/Handbetrieb/AUS"
in die Frontplatte des Geräts zu integrieren.

http://s7.postimg.org/6i4sfe96v/FST1_K2.jpg

Für die Füllstandssteuerung könnte man die Bezeichnung "FST1-K2" festlegen.

Die Füllstandssteuerung Black-Box unterscheidet sich von der Darstellung her nur
durch die neue Bezeichnung von der Prototyp Black-Box.

Im nächsten Abschnitt soll untersucht werden, wie die Füllstandssteuerung mit
einer elektronischen Ausgangsstufe ausgerüstet werden könnte.

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[bigdie]

Eine professionelle Stabelektrode sieht aber so aus
http://www.acs-controlsystem.de/de/prod ... sonde-sat/
Und da gibt es immer einen langen Stab als einen gemeinsamen Pol und weitere für alle Höhen in denen geschalten wird.
Deine Schaltung funktioniert aber mit einer gemeinsamen Elektrode nicht.
Im Übrigen gibt es funktionierende Sondenrelais z.B. von Finder
http://www.finder-relais.net/de/finder- ... rie-72.pdf
kosten 55€ bei Conrad, bei e b a y noch 9€ billiger inklusive Versand

 

[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 11

Die Füllstandssteuerung mit einer elektronischen Ausgangsstufe ausrüsten.

Aufbauend auf dem bewährten Prototyp, soll das Füllstandsmeßgerät zur Füllstandssteuerung
erweitert werden. Zu diesem Zweck modifiziert man das Innenschaltbild des "FST1-K2".

In diesem Teil 11 der Beschreibung wird bei genauerer Betrachtung nur das RELAIS,
das in Teil 10 die Ausgangsstufe darstellte, ersetzt durch eine "elektronische" Ausgangsstufe.
Diese neue Ausgangstufe besteht im Kern aus einer Schaltung mit einem Thyristor
und dessen Ansteuerschaltung.

An der Idee den Wahlschalter "Automatik/Halbautomatik/Handbetrieb/AUS"
in die Frontplatte des Geräts zu integrieren, sollte man weiterhin festhalten.

http://s27.postimg.org/vwuftlklr/FST1_AEo_V.jpg

Für diese Variante der Füllstandssteuerung könnte man die Bezeichnung "FST1-AEoV" festlegen.

Im nächsten Abschnitt soll untersucht werden, wie die "Füllstandssteuerung mit
elektronischer Ausgangsstufe" gegen Fehlimpulse beim Einschalten der Versorgungsspannung
immun gemacht werden könnte.

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[patois]

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Füllstandsmeßgerät im Eigenbau (DIY) - Teil 12

Die elektronischen Ausgangsstufe immunisieren gegen Fehlimpulse.

In Teil 11 der Beschreibung wurde die "elektronische Ausgangsstufe" vorgestellt.
Da ihr einfacher Aufbau auch Schwächen mit sich bringt, soll ein Weg gefunden
werden, um Fehlimpulse zu unterdrücken. Dieses Vorhaben hat eine größere Komplexität
des Schaltungsteils der Endstufe zur Folge. (alles hat seinen Preis!)

An der Idee den Wahlschalter "Automatik/Halbautomatik/Handbetrieb/AUS"
in die Frontplatte des Geräts zu integrieren, sollte man auch weiterhin festhalten.

http://s27.postimg.org/ulwa8csr3/FST1_AEm_V.jpg

Für diese Variante der Füllstandssteuerung könnte man die Bezeichnung "FST1-AEmV" festlegen.

Aus gegebenem Anlaß wird folgender Hinweis, der in Teil 1 dieser Beschreibung bereits
niedergelegt wurde, nochmals wiederholt:

An dieser Stelle muss angemerkt werden, dass der
Eigenbau von Elektroden hier nicht behandelt werden wird.

Schlußbemerkung: es sind zahlreiche Abwandlungen der gezeigten Schaltung denkbar,
so dass die unterschiedlichsten Anwendungsfälle abgedeckt werden können.

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