In allen Bundesländern ist es üblich, dass im Physikunterricht das Thema Strom und Elektrizität besprochen wird. Dort lernen die Schüler wie Strom funktioniert, wie Magnetfelder, Stromstärke und Spannungsstärke sich bedingen usw. Zudem erfahren sie mehr über Widerstände und Kondensatoren. Dieses Thema ist auch ungeheuer wichtig, spielt doch Elektrizität eine große Rolle in unserer modernen Welt. Kaum etwas heute kommt ohne E-Technik, Mikrochips oder Sensoren aus. Hin und wieder bekommen dann die Schüler eine besondere Hausaufgabe.
Eine, bei der sie sich für ein Problem aus diesem Fachbereich eine Lösung ausdenken müssen. Aber! - eine Variante, bei der kein Laser oder sonstiger Computer helfen kann. Eine der am häufigsten gestellten Aufgaben ist es eine Methode zu finden, mit der sich Füllstände in Gefäßen überwachen lassen. Also ein Mechanismus, der dafür sorgt, dass ein Gefäß nicht überläuft oder einen gewissen Stand nicht unterschreitet. Wie lässt sich das schaffen? Zur Verfügung stehen nur Mittel, die es schon zu Zeiten unserer Großväter gab. Wie macht man das? Hier die Lösung für diese Aufgabe.
Lösung Physik Hausaufgabe: mechanisch-elektrische Füllstandmessung
Ja, es ist tatsächlich möglich dieses Problem zu lösen, ohne Mikroelektrik und Computer usw. Es gibt 2 gängige Varianten, um das Problem zu beheben:
- Schwimmerschalter
- Reed-Relais-Schaltung
Wir zeigen auf, wie die beiden Methoden funktionieren.
Lösung #1: Schwimmerschalter zur Füllstandmessung
Es ist ein denkbar einfaches Gerät, der Schwimmschalter bzw. Schwimmerschalter. Dabei handelt es sich um eine Konstruktion, die man schon gegen Mitte und Ende des 19. Jahrhunderts verwendete. Man bindet ein Gefäß an eine Schnur bzw. Kabel. Dieses Gefäß ist so leicht, dass es auf der Oberfläche der Flüssigkeit schwimmt. Im Innern befindet sich eine Kugel aus Metall, so dass sie Strom leitet. Sie ist fixiert in einer Rollbahn, in der sie sich hin und her bewegen kann. Wird nun Flüssigkeit in das Gefäß gelassen, dann schwimmt der Schalter an der Oberfläche. Irgendwann jedoch endet die Schnur. Diese ist genau so lang, wie der gewünschte Füllstand hoch ist. Erreicht sie das Maximum, dann gerät sie unter Zug-Spannung und das Gefäß dreht sich. Zu diesem Zeitpunkt rollt die Kugel in eine andere Position. Dort berührt sie einen Kontakt. Der wiederum löst einen Motor aus, der dafür zuständig ist, um Flüssigkeit abzupumpen. Hier im Video zu sehen:
Denkbar einfach, aber unglaublich clever. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie quasi idiotensicher ist. Hier gehen keine Chips kaputt, so dass die Technologie versagt. Sie funktioniert so gut wie immer. Ist das Kabel stabil und die Rollbahn der Kugel frei von Schmutz, dann arbeitet ein solcher Schalter sicher wie eine Bombe. Und das auch problemlos über Jahre.
Lösung #2: Reed-Relais-Technologie
Eine zweite Variante hat ebenfalls was mit Schwimmen zu tun. Allerdings ist die Methode, mit der ein Schaltkreis geschlossen wird etwas anders. Auf einer Halterung an der Gefäßwand wird ein sogenanntes Reed-Relais befestigt, welches an einer Art Schiene montiert wird. Ein solches Reed-Relais enthält in einem dünnen Glasgefäß einen Kupferschalter, der nicht geschlossen ist. Hier die Methode im Video zu sehen:
Auf der Halterung mit der Schiene wird neben dem Reed-Relais noch ein Magnet befestigt, der in einem schwimmfähigen Gehäuse untergebracht wurde. Dieser bewegt sich mit dem Füllstand an der Schiene auf und ab. Erreicht er irgendwann die Höhe des Reed-Schalters, dann wird durch den Magneten ein Magnetfeld erzeugt, welches das Relais dazu bringt sich zu schließen. Ab jetzt fließt Strom. Dieser wird dazu genutzt, um einen Motor anzutreiben. Je nach Wahl und Zweck des Schalters kann dieser Motor nun damit beginnen Flüssigkeit aus dem Behälter heraus zu pumpen. Oder welches hinein zu pumpen. Also je nach dem, ob der Nutzer etwas vor dem Überlaufen schützen möchte, oder davor dass zu wenig Flüssigkeit in einem Gefäß ist.
Fazit: mechanisch-elektronische Füllstandsmessung
Viele junge Ingenieure kennen die "guten alten Zeiten" nicht. Sie denken in Mikrochips und Software, Sie wollen smarte KI-Kameras und Sensoren einbauen. Aber im Sinne der erhöhten Sicherheit ist es manchmal zuverlässiger und vor allem auch billiger sich einiger altbewährter Trick zu bedienen.