Salzwasser-Neigungssensor

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Ziel & Lerninhalt

Ein einfacher Neigungssensor aus einem geschlossenen Gefäß mit Salzwasser und mehreren Elektroden – ohne mechanische Teile, nur über Ionenleitung.

  • Ionenleitung im Salzwasser verstehen.
  • Elektroden-Anordnung für Neigungserkennung planen.
  • Wechselbetrieb gegen Elektrolyse-Korrosion programmieren.

Erklärung & Wissen

Basic

Reines Wasser leitet kaum Strom. Sobald du Kochsalz hinzufügst, zerfällt es in Natrium- und Chlorid-Ionen – die Flüssigkeit leitet jetzt richtig gut. Wenn du in ein halbvolles Gefäß mehrere Drähte unterschiedlich tief hängst, ändert sich beim Neigen, welche Drähte gerade ins Wasser eintauchen. Daraus liest das Mainboard ab: 'Ich liege schief.' Im einfachsten Fall reichen zwei Drähte: Steht das Gefäß aufrecht, tauchen beide ins Wasser → leitend. Wird es gekippt, taucht einer ins Trockene → kein Strom mehr.

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Die Salzwasserstrecke verhält sich wie ein Widerstand, dessen Größe von der eingetauchten Fläche und Distanz der Elektroden abhängt: $R \approx \rho \cdot d / A$. In der Praxis liegen die Widerstände im Bereich einiger kΩ – ideal für einen einfachen Spannungsteiler an A0. Damit beim Dauer-Anschalten nicht ein Draht 'aufgelöst' wird (Elektrolyse zersetzt das Metall an der Anode), polt man die Spannung in kurzen Intervallen um: mal Pin A HIGH und Pin B LOW, dann andersrum. Das hält das System lange korrosionsfrei. Edelstahl- oder Graphitstift-Elektroden sind ohnehin langlebiger als blanke Stahl- oder Kupferdrähte.

Expert

Der Sensor ist ein gradüller Sensor, kein Binär-Sensor: Über mehrere Elektroden in unterschiedlicher Höhe ergibt sich ein Profil 'wieviel Fläche ist gerade benetzt'. Das eignet sich für einfache Winkel-Klassen (0°, 15°, 30°, 45°…), nicht aber für hohe Auflösung – dafür ist die Kontaktwinkel-Hysterese am Metallrand zu groß (das Wasser bleibt beim Zurückkippen länger an Meniskus-Strukturen hängen). Für präzise Winkelmessungen nutzt man eine echte Wasserwaage-Optik oder einen MEMS-Beschleunigungssensor. Der Salzwasser-Aufbau ist dafür mechanisch fast unkaputtbar – ideal für 'wurde gekippt'-Alarmlogik bei z.B. Vasen, Werkzeugkoffern oder Werkstückträgern.

Fun Fact

Ähnliche Quecksilber-Schalter wurden noch bis in die 90er in Klima-Anlagen und Heizungs-Thermostaten verbaut. Bei Schieflage rollte eine Quecksilberkugel auf zwei Kontaktstifte – heute aus Umweltgründen verboten, aber Salzwasser tut es ungiftig fast genauso.

Ionenleitung
Strom fließt im Salzwasser nicht durch Elektronen, sondern durch geladene Ionen — das macht es leitfähig. Kochsalz (NaCl) löst sich in Wasser zu Na⁺- und Cl⁻-Ionen. Unter Spannung wandern Na⁺ zur Minusseite, Cl⁻ zur Plusseite. Je mehr Salz, desto mehr Ionen, desto besser die Leitung. Widerstand sinkt mit mehr Salz. Destilliertes Wasser leitet kaum: fast keine Ionen vorhanden.
Elektrolyse
Dauerhafter Gleichstrom durch Salzwasser zersetzt die Elektroden — der Sensor altert schnell. An der Anode verliert das Metall Elektronen → Metallatome gehen als Ionen in Lösung → Draht korrodiert. An der Kathode entsteht Wasserstoffgas. Lösung: Polarität alle 100–500 ms im Code umschalten — kein dauerhafter Stromfluss in eine Richtung → kaum Materialverlust. Graphit- oder Edelstahldrähte halten länger als Kupfer.
Spannungsteiler (flüssig)
Das Salzwasser zwischen den Elektroden wirkt wie ein Widerstand — dessen Größe ändert sich je nachdem wie viel Fläche eingetaucht ist. Mit dem Salzwasserwiderstand und einem Festwiderstand (z.B. 10 kΩ) bildet man einen Spannungsteiler. Der ADC-Wert steigt mit mehr eingetauchter Fläche. Wenn das Gefäß kippt, tauchen weniger Elektroden ein → Widerstand steigt → ADC-Wert sinkt. So erkennt der Mikrocontroller die Neigung.
Hysterese (Sensor)
Der Sensor reagiert beim Kippen und beim Zurückneigen an leicht unterschiedlichen Winkeln — Wasser 'klebt' an der Elektrode. Adhäsionskräfte halten das Wasser am Metalldraht. Beim Eintauchen benetzt die Elektrode sofort; beim Auftauchen bleibt ein Wasserfilm länger hängen (Kontaktwinkel-Hysterese). Praktische Folge: Schwellwert beim Kippen ≠ Schwellwert beim Zurückneigen. Im Code: Verschiedene Schwellwerte für 'gekippt' und 'aufrecht' einbauen — sonst flattert der Ausgang.

Praktischer Versuch: Neigungssensor

Gefäß zur Hälfte mit Salzwasser füllen, mehrere Edelstahl-/Graphit-Elektroden auf unterschiedlichen Höhen, Auswertung am Analog- oder Digitalpin.

  • Kleines, dicht verschließbares Gefäß (z.B. Filmdose, Glas mit Schraubdeckel)
  • Wasser + Speisesalz
  • 2–3 Edelstahldrähte oder Bleistiftminen (Graphit) als Elektroden
  • Heißkleber/Dichtung
  • 10 kΩ Pull-Down (falls analog ausgewertet)

  1. Gefäß vorbereiten

    Mische gut 1 TL Salz in ½ Tasse Wasser. Fülle das Gefäß zur Hälfte. Mehr Salz = bessere Leitung.

    Check: Wasser bedeckt im Stand alle Elektroden, beim Kippen nicht mehr.

    Tipp: Lieber ein flaches als ein hohes Gefäß – wirkt empfindlicher beim Kippen.

  2. Elektroden einsetzen

    Steche kleine Löcher in den Deckel, schiebe die Elektroden so durch, dass eine nur knapp eintaucht (Sensorelektrode), eine immer eintaucht (Referenz/GND). Mit Heißkleber abdichten.

    Check: Drähte ragen oben aus dem Deckel, unten unterschiedlich tief.

    Tipp: Heißkleber ist wasserdicht und elektrisch isolierend – nutze ihn großzügig.

  3. Manueller Test

    Klemme das Multimeter zwischen die beiden Drähte und neige das Gefäß. Klares Umschalten?

    Check: Multimeter (Durchgang) piept im Stand, ist still beim Kippen.

    Tipp: Wenn nichts piept: zu wenig Salz, zu großer Abstand der Elektroden.

  4. Polaritätswechsel im Code

    Im Code wechselt der Sensor-Pin zwischen 'sendend' und 'lesend' alle paar 100 ms. So wird Elektrolyse minimiert.

    Check: Sensorelektrode wechselt im Programm regelmäßig zwischen LOW und HIGH.

    Tipp: Ohne Polwechsel rosten Stahl-Drähte binnen Tagen.

  5. Auswertung

    ADC mittels Mittelung lesen. Über/unter Schwellwert entscheidet, ob 'gekippt'.

    Check: Monitor zeigt klares 'AUFRECHT' / 'GEKIPPT'.

    Tipp: Für gradüllen Wert: mehrere Elektroden auf verschiedenen Höhen, einzeln auslesen.

Referenzelektrode → GND (oder Wechselpol-Pin), Sensorelektrode → A0 mit 10 kΩ Pull-Down nach GND.

// ProtoPeaks - Salzwasser-Neigungssensor mit Polwechsel
const int sensorPin = A0;
const int drivePin  = 7; // Wechselpol-Ausgang
bool polarity = false;
unsigned long lastFlip = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(drivePin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // alle 500 ms Polarität flippen (gegen Elektrolyse)
  if (millis() - lastFlip > 500) {
    polarity = !polarity;
    digitalWrite(drivePin, polarity ? HIGH : LOW);
    lastFlip = millis();
  }
  int adc = analogRead(sensorPin);
  // bei HIGH-Pol: Wasser leitet -> hoher ADC; bei LOW-Pol -> niedriger ADC
  bool wet = polarity ? (adc > 700) : (adc < 300);
  Serial.println(wet ? "AUFRECHT" : "GEKIPPT");
  delay(100);
}
  • Sensor erkennt keinen Unterschied. — Wasser leitet zu schlecht: mehr Salz hinzugeben oder Elektroden enger zueinander setzen.
  • Elektroden korrodieren stark. — Polwechsel-Intervall verkürzen oder auf Graphit (Bleistiftmine) wechseln – Graphit korrodiert in Salzwasser praktisch nicht.
  • Werte verzögert nach Kippen. — Meniskus-Hysterese. Elektroden minimal aus der Wasseroberfläche herausragen, dann wirkt der Wechsel sofort.

Kurzzusammenfassung

Aus einem Gefäß mit Salzwasser und zwei Elektroden ist ein robuster, ungiftiger Neigungssensor entstanden. Im Aufrechten leitet der Elektrolyt, beim Kippen reißt der Kontakt ab. Polaritätswechsel im Code verhindert Korrosion und macht den Sensor langlebig.

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