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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Wasserwächter
gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2. Ein derartiger elektronischer
Wasserwächter ist aus "Funkschau", Heft 10, 1982, Seite 94 bekannt.
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Zur Einhaltung des maximalenoder minimalen Pegels von Frisch- oder
Schmutzwasser in beliebigen Behältern oder Pumpensümpfen werden üblicherweise die
Pumpen mit schwimmergesteuerten Schaltern oder druckgesteuerten Membranschaltern
zu- und abgeschaltet. Ferner werden für die Meldung, beispielsweise eine Alarmmeldung
bei der Überschreitung eines Wasserhöchststandes,oder bei Wassereinbrüchen,beispielsweise
infolge Ausfalls einer Pumpe, schwimmergesteuerte Melder allgemein verwendet. Desweiteren
werden zur feuchtigkeitsabhängigen Steuerung von Bewässerungsanlagen sog. Tensioschalter
benutzt.
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Bei schwimmergesteuerten oder druckabhängigen Schaltern läßt sich
indessen die Ansprechschwelle und die Pegeldifferenz zwischen dem Ein- und Ausschalten
(Hysterese) des betreffenden Stellgliedes nicht beliebig klein oder groß wählen,
so daß eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen bei der Steuerung praktisch
nicht möglich ist.
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Weiterhin können bei schwimmergesteuerten Schaltern mechanische Störungen,
wie beispielsweise ein Unterbruch des Schwimmerkabels, ein Verklemmen der Schwimmerhebel
oder der Seilzüge oder Undichtigkeiten der Schwimmer, auftreten.
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Schließlich läßt der relativ große Platzbedarf der Schwimmer mit der
zugehörigen Mechanik deren Einsatz oft nicht zu oder erfordert einen zusätzlichen
Aufwand. Druckabhängig gesteuerte Schalter unterliegen bezüglich der Beweglich-
keit
ihrer Membran der Alterung, wodurch sich die Ansprechpunkte unkontrolliert verändern.
Undlchtigkeiten führen auch hier zum Ausfall des Steuerkreises. Tensioschalter zur
feuchtigkeitsabhängigen Steuerung von Bewässerungsanlagen sind relativ teuer, aufgrund
ihrer physikalischen Funktion wartungsintensiv und erfordern wegen der Auslegung
für Kleinspannungen und leistungsloses Schalten etnen zusätzlichen Leistungsschalter.
Das Meßsystem des Tensioschalters ist systembedingt so träge, daß eine kontroll
ierte Bewässerung nur über ein nachgeschaltetes, zusätzliches Zeitglied möglich
Ist. Die Feuchtigkeltsmessung erfolgt darüberhinaus nur in unmittelbarer Nähe des
T-ensioschalters.
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Eine elektronische Einrichtung zur Erfassung des Wasserstandes und
zur Steuerung einer Sumpfpumpe ist in "Funkschau", 1982, Heft 10, Seite 94 beschrieben.
Bei dieser Einrichtung werden drei Fühlerkontakte im Abstand übereinander im Pumpensumpf
angebracht. Die Pumpe wird dabei erst eingeschaltet, wenn der Wasserstand den obersten
Kontaktfühler erreicht. Zur Erzielung einer Hysterese wird die Pumpe erst dann wieder
ausgeschaltet, wenn der Wasserstand unter den mittleren Kontaktfühler abgesunken
ist. Die bekannte Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem Flip-Flop, das von
dem mittleren Kontaktfühler über einen Schalttransistor mit nachgeordnetem Invertlerglied
und von dem obersten Kontaktfühler über einen weiteren Schalttransistor angesteuert
wird. Das Ausgangssignal des Flip-Flop steuert über einen dritten Schalttransistor
ein Relais. Der hierdurch bedingte, verhältnismäßig große Aufwand an elektronischen
Bauteilen begrenztdas Anwendungsgebiet der bekannten Elnrichtung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem elektronischen
Wasserwächter der eingangs erwähnten Art den bau-
lichen Aufwand
zu verringern, so daß sich ein breiter Anwendungsbereich von der wasserstandsabhängigen
Pumpensteuerung bis zur feuchtigkeitsabhängigen Steuerung von Bewässerungsanlagen
erschließen läßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2 alternativ gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Wasserwächters sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in
den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild eines
ersten, für die Steuerung eines Pumpensumpfes geeigneten Ausführungsbeispiels eines
erfingungsgemäßen Wasserwächters; Fig. 2 eine schematische Darstellung für die Anordnung
der Kontaktelemente des Wasserwächters nach Fig. 1 in einem Pumpensumpf; Fign. 3
alternative Ausführungen eines bei dem Wasser-und 4 wächter nach Fig. 1 vorgesehenen
Spannungsteilers; Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild einer zweiten, zur minimalen
Füllstandsfststellung geeigneten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wasserwächters,
und Fig. 6 eine schematische Ansicht für die
Anbringung der Kontaktfühler
des Wasserwächters nach Fig. 5 in einem Flüssigkeitsbehälter.
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Der in Fig. 1 dargestellte Wasserwächter 10 weist eine Serienschaltung
aus einem Relais 11, einem Schalttransistor 18 und einer Diode 25 auf, welche zwischen
dem positiven und negativen Potential (+) bzw. (-) einer Gleichspannungsquelle 1
angeordnet ist. Als Gleichspannungsquelle 1 kommt beispielsweise ein Netzgerät oder
eine Batterie in Betracht. Zur Siebung der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle
1 ist zwischen den Potentialleitungen ein Kondensator 27 geschaltet. Parallel zu
dem Relais 11 ist eine Diode 24 vorgesehen, deren Stromdurchlaßrichtung entgegengesetzt
zu der Stromdurchlaßrichtung des Transistors 18 gewählt ist und zum Schutz des Transistors
18 gegen die beim Ausschalten des Relais 11 auftretenden Überspannungen dient. Das
Relais 11 steuert in nicht dargestellter Weise einen oder mehrere Umschaltkontakte
eines Stellgiiedes, wie beispielsweise einer Pumpe, eines Magnetventils oder dergleichen,
dasz.B. in der Wasserzuführung einer Beregnungsanlage, im Pumpensumpf einer Abwasserhebeanlage
oder im Wasserzu(ab)lauf eines Flüssigkeitsbehälters angeordnet ist. Diesen Stellgliedern
ist gemeinsam, daß ihr Ansprechkriterium ein bestimmter minimaler oder maximaler
Wasserstand oder ein bestimmter minimaler oder maximaler Feuchtigkeitsgrad ist.
Im betrachteten Beispielsfalle von Fig. 1 überwacht und steuert der dargestellte
Wasserwächter den Füllstand einer Schmutzwasserhebeanlage in einem Pumpensumpf 2
(Fig. 2). Hierzu sind in dem Pumpensumpf 2 drei Kontaktfühler 34, 35 und 36 so angebracht,
daß der Kontaktfühler 34 ein höheres Niveau als die beiden anderen, niveaugleichen
Kontaktfühler 35 und 36 aufweist. Die Kontaktfühler 34, 35 und 36 sind beispielsweise
mit Hilfe der in Fig. 2 angedeuteten Steckkontaktverbindungen mit den zugehörigen
Schaltungsteilen
in Fig. 1 verbunden. Hierauf soll im folgenden
noch näher eingegangen werden.
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Zur Steuerung des Transistors 18, dessen leitender oder nicht leitender
Zustand das Relais 11 entsprechend zum Anziehen oder Abfallen bringt, ist die Basis
des Transistors 18 mit dem Abgriff eines Spannungsteilers 21/22 verbunden, welcher
im dargestellten Beispielsfalle aus zwei ohmschen Teilerwiderständen besteht. Dabei
liegt der untere Teilerwiderstand 22 zwischen der Basis des Transistors 18 und dem
negativen Potential der Gleichspannungsquelle (Betriebsspannungsquelle) 1. Parallel
zu dem Teilerwiderstand 22 ist ein Kondensator 28 vorgesehen, um die Basis des Transistors
18 wechselstrommäßig kurzzuschließen und auf diese Weise den Transistor 18 gegen
ein unbeachsichtigtes Durchschalten infolge von überlagerten Wechselspannungsimpulsen
zu schützen. Der Spannungsteiler 21/22 liegt in Serie mit einem Transistor 17 und
einer Diode 23 zwischen den beiden Potentialen der Betriebsspannungsquelle 1. Im
dargestellten Beispielsfalle sind die Transistoren 17 und 18 komplementär, wobei
der Kollektor des Transistors 17 mit dem Teilerwiderstand 21 und der Emitter des
Transistors 17 mit der Diode 23 verbunden sind. Die Diode 23 weist die gleiche DurchlaBric-htung
wie der Transistor 17 auf und dient dazu, im gesperrten Zustand des Transistors
17 dessen Emitterspannung um eine definierte Schwellspannung gegen negatives Potential
hin abzusenken. Solange der Transistor 17 gesperrt ist, fließt kein Basisstrom in
den Transistor 18 über die Diode 23, den Transistor 17 und den Teilerwiderstand
21, so daß auch der Transistor 18 gesperrt und das Relais 11 stromlos ist. Die Ansteuerung
des Transistors 17 erfolgt über einen Spannungsteiler, welcher aus der Serienschaltung
dreier ohmscher Widerstände 12, 14, 13 und der Strecke 31 zwischen den Kontaktfühlern
36 und 34 besteht, wobei die Leitfähigkeit der Strecke 31 davon ab-
hängt,
ob beide Fühler 34, 36 oder nur der untere Fühler 36 in die Flüssigkeit im Sumpf
2eintaucht. Der Abgriff16 des Spannungsteilers zwischen den Widerständen 14 und
13 ist unmittelbar mit der Basis des Transistors 17 verbunden.
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Zwischen dem Abgrlff 16 und dem positiven Potential der Betriebsspannungsquelle
1 liegen die Widerstände 12 und 14, während zwischen dem Abgriff 16 und negativem
Potential der Betriebsspannungsquelle der Widerstand 13 und die Strecke 31 elektrisch
angeordnet sind. Sobald die Strecke 31 elektrisch leitend wird, d.h., wenn der Spiegel
des in Fig. 2 angedeuteten Wasserstandes das Niveau des oberen Kontaktfühlers 34
erreicht hat, fließt ein Strom durch den Spannungsteiler 12, 14, 13 und damit auch
ein Basisstrom von dem Abgriff 16 zum Transistor 17, worauf dieser leitend wird
und in der erwähnten Weise den Basisstrom für den Transistor 18 durchschaltet. Solange
der Wasserstand nur den Kontaktfühler 36 bedeckt und noch unterhalb des Kontaktfühlers
34 liegt, ist der Widerstand der Strecke 31 so hoch, daß kein Strom durch den Spannungsteiler
12, 14, 13 fließt und damit der Transistor 17 gesperrt bleibt.
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Zum Schutz des Transistors 17 gegen ein unerwünschtes Durchschalten
aufgrund von überlagerten Wechsel spannungen auf den Leitungen von und zu den Kontaktfühlern
34 und 36 ist parallel zu dem Spannungsteiler 12,14, 13 ein Kondensator 26 angeschlossen.
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Um dem Wasserwächter nach Fig. 1 eine Hysterese zu verleihen, d.h.,
eine größere Nlveaudlfferenz zwischen den Einschalt- und Ausschaltpunkten der vom
Relais 11 gesteuerten Pumpe zu schaffen, ist der Kollektor des Transistors 18 über
einen Entkopplungswlderstand 19 mit dem Kontaktfühler 35 verbunden. Zwischen dem
Kontaktfühler 35 und dem niveaugleichen Kontaktfühler 36 (Fig. 2) ist die Strecke
32 vorhanden, was in Fig. 1 schaltungstechnisch durch die doppelte DarstellUng des
Kontaktfühlers 36 bei
der Strecke 31 und der Strecke 32 sowie die
elektrische Leitungsverbindung zwischen den beiden eingezeichneten Kontaktfühlers
36 angedeutet ist.
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Und zwar wird im durchgeschalteten Zustand des Transistors 18 das
negative Potential der Betriebsspannungsquelle 1 über die Diode 25 (bei Vernachlässigung
der Schwellspannung), die niederohmige Kollektor-Emitterstrecke des Transistors
18 und den Entkopplungswiderstand 19 dem Kontaktfühler 35 zugeführt. Da der Kontaktfühler
35 mit dem niveaugleichen Kontaktfühler 36 bei dem betrachteten Pegelstand des Pumpensumpfes
2 über die leitende Strecke 32 elektrisch verbunden ist, wird das negative Potential
am Kontaktfühler 35 auch dem Kontaktfühler 36 zugeführt. Dies führt dazu, daß über
den Spannungsteiler 12, 14, 13 auch dann noch ein Strom und damit ein Basisstrom
für den Transistor 17 fließt, wenn die Strecke 31 zwischen den Kontaktfühlern 34
und 36 infolge des zurückgehenden Schmutzwasserpegels nicht stromleitend ist. Erst
dann, wenn der Pegelstand unter das Niveau der Kontaktfühler 35 und 36 abgesunken
ist, also das negative Potential am Kontaktfühler 35 nicht mehr dem Kontaktfühler
36 zugeführt wird, hört die Stromleitung durch den Spannungsteiler 12, 14, 13 auf,
so daß der Transistor 17 nunmehr gesperrt wird, was wiederum die Sperrung des Transistors
18 und damit Entregung des Relais 11 zur Folge hat. Infolge der Sperrung des Transistors
18 nimmt der Kontaktfühler 35 über den Widerstand 19 positives Potential an. Damit
kann bei erneutem Anstieg des Wassers kein Strom über die Strecke 32 zu dem nunmehr
potentialgleichen Kontaktfühler 36 fließen.
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Zur Umschaltung der Ansprechempfindlichkeit des in Fig. 1 dargestellten
Wasserwächters und damit zu dessen Anpassung an eine unterschiedliche elektrische
Leitfähig-
keit des mittels der Kontaktfühler 34 bis 36 zu messender
Mediums, ist l)arallel zu dem Teilerwiderstand 14 ein Schalter 15 angeordnet, durch
dessen manuelle Schließung der Teilerwiderstand 14 kurzgeschlossen und damit das
für den Basisstrom des Transistors 17 wesentliche Teilerverhältnis stufenartig geändert
wird. Anstelle einer stufenartigen Änderung des Teilerverhältnisses läßt sich auch
eine kontinuierliche Veränderung dadurch erzielen, daß gemäß Fig. 4 anstelle eines
Festwiderstandes ein Potentiometer 14' als Teilerwiderstand 14 verwendet wird.
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Eine weitere Möglichkeit zur Empfindlichkeitsumschaltung besteht darin,
zusätzlich zwischen den Teilerwiderständen 12 und 14 ein Potentlometer 12' anzuordnen,
wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die letztgenannte Möglichkeit ist insbesondere bei
Verwendung des Wasserwächters zur Steuerung von Bewässerungsanlagen günstig, da
sich die Leitfähigkeit der Erde, deren Feuchtigkeitsgrad als Steuerkriterium herangezogen
wird, in Abhängigkeit von dem Düngegehalt und der Zusammensetzung ändert, so daß
mittels des Potentiometers 12' eine feine Anpassung an den jeweiligen Düngegehalt
und gewünschten Feuchtigkeitsgrad der Erde möglich ist.
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Wie aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich ist, bestimmt der
Höhenabstand zwischen dem oberen Kontaktfühler 34 und den beiden unteren, niveaugleichen
Kontaktfühlern 35 und 36 (Fig. 2) den Ein- und Ausschaltpunkt und damit die Hysterese
des Wasserwächters gemäß Fig. 1.
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Die Hysterese läßt sich somit bei der Montage der Kontaktfühler 34
bis 36 einstellen und universell an jeden beliebigen Einsatzfall anpassen.
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Falls der Wasserwächter 10 gemäß Fig. 1 zur feuchtigkeitsabhängigen
Steuerung einer Bewässerungsanlage oder als Alarmgeber für den Fall einer Überschreitung
eines
maximal zulässigen Wasserstandes verwendet werden soll, kann
auf die Hysteresefunktion und damit auf den Entkopplungswiderstand 19 und den Kontaktfühler
35 verzichtet werden. Das Alarmgerät wird eingeschaltet bzw.
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die Bewässerungsanlage wird abgeschaltet, sobald infolge des gestiegenen
Wasserstandes bzw. Feuchtigkeitsgrades die Strecke 31 leitet und damit über 12 und
14 ein Basisstrom in den Transistor 17 fließt, dessen Durchschaltung in der beschriebenen
Weise die Durchschaltung des Transistors 18 und damit die Erregung des Relais 11
auslöst.
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Im Falle einer Alarmsteuerung durch den Wasserwächter 10 wäre dann,
wenn der Wasserstand wieder unter das Niveau des Kontaktfühlers 34 absinkt, der
ausgelöste Alarm beendet, so daß u.U. der Benutzer über den aufgetretenen Störungsfall
nicht informiert würde. Um den einmal ausgelösten Alarm festzuhalten und den Benutzer
der überwachten Anlage zu zwingen, den Alarm manuell abzuschalten, kann durch eine
Leitungsverbindung zwischen den Steckkontakten der Kontaktfühler 35 und 36 bzw.
zwischen den Fußpunkten der Widerstände 19 und 13 eine Halteschleife realisiert
werden. Die manuelle Rückstellung der.Alarmanlage kann durch einen in der erwähnten
Verbindung zwischen den Fußpunkten der Widerstände 19 und 13 liegenden, öffnenden
Taster erfolgen.
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In der Bereitschaftsstellung nimmt der Wasserwächter praktisch keinen
Strom auf, wenn man einmal von äußerst geringen Leckströmen der Transistoren 17
und 18 sowie der Dioden 23 und 25 absieht. Aus diesem Grund kann als Betriebsspannungsquelle
1 ohne weiteres eine Batterie verwendet werden, welche nur in größeren Abständen
gewartet werden muß.
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Zur feuchtigkeitsabhängigen Steuerung von Bewässerungsanlagen oder
zur Ermittlung minimaler Pegel stände kann
auch eine Abwandlung
des Wasserwächters gemäß Fig. 1 verwendet werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt
ist.
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Be dieser Abwandlung sind der Entkopplungswiderstand 19 und der Kontaktfühler
35 aus der Schaltung entfernt.
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Ferner besteht der Basisspannungsteiler für den Transistor 17 nurmehr
aus der Strecke 31' zwischen den niveaugleichen Kontaktfühlern 34' und 36' (Fig.
6) sowie dem Widerstand 14' und dem Potentiometer 13'. Solange die Bodenfeuchtigkeit
so groß ist, daß die Leitfähigkeit der Strecke 3; ' zwischen den beiden Kontaktfühlern
34' und 36' einen vorbestimmten Wert. erreicht bzw. solange der Wasserstand beide
Kontaktfühler 34' und 36' bedeckt, liegt die Basis des Transistors 17 gegenüber
dessen Emitter auf einem positiven Potential. Die Emitterspannung des Transistors
17 ist durch die im dargestellten Beispielsfalle als Zenerdiod 3 ausgebildete Diode
23' weit in Richtung negatives Betriebsspannungspotential abgesenkt, so daß bei
leitender Strecke 31»der Transistor 17 mit Sicherheit gesperrt ist. Sobald die Stromleitung
der Strecke 31' aufhört, d.h., die Erdfeuchtigkeit zu gering ist, um zwischen den
Kontaktfühlern 34' und 36' eine ausreichende elektrische Leitung hervorzurufen bzw.
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der Wasserstand unter das Niveau der Kontaktfühler 34' und 36' abgesunken
ist, hat dies zurFolge,daß nunmehr ein Basisstrom über den Spannungsteiler 31'/14'/13'
fließt und den Transistor 17 durchschaltet, der in beschriebener Weise den Transistor
18 durchschaltet und damit das Relais 11 zum Ansprechen bringt. Sobald die Strecke
311 wieder ausreichend leitend ist, beispielsweise nach erfolgter Erhöhung des Feuchtigkeitsgrades
des Bodens durch den Einsatz der über das Relais 11 eingeschalteten Beregnungsanlage,
wird die Stromleitung des Transistors 17 unterbrochen und damit der Transistor 18
gesperrt sowie das Relais 11 entregt. Der Kondensator 26 dient dem Kurzschluß von
ggfs. vorhandenen Wechselspannungs-
überlagerungen an der Basis
des Transistors 17.
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Bei Verwendung des Wasserwächters gemäß Fig. 5 zur Steuerung von Bewässerungsanlagen
brauchen die Kontaktfühler 34'und 36 nicht notwendigerweise einen Abstand in vertikaler
Richtung aufweisen; vielmehr kann auch ein Abstand in horizontaler Richtung oder
in horizontaler und vertikaler Richtung geeignet sein, falls an den Anbringungsorten
der Kontaktfühler 34' und 36 unterschiedliche Feuchtigkeitsgrade auftreten können,
welche als Schaltkriterium für die Bewässerungsanlage nutzbar sind.
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Die Erregung des Relais 11 beim Durchschalten des Transistors 18 kann
entweder zum Einschalten oder zum Ausschalten eines Stellgliedes benutzt werden,
und zwar je nach Einsatzzweck. Entsprechend kann die Entregung des Relais 11 zum
Ausschalten eines zuvor eingeschalteten Stellgliedes oder zum erneuten Einschalten
eines zuvor ausgeschalteten Stellgliedes verwendet werden.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wasserwächters steht ein einfaches,
billiges, störungssicheres und gefahrloses Gerät für vielfältige Steuerungszwecke
zur Verfügung, die als Steuerkriterium einen bestimmten Flüssigkeitsstand oder Feuchtigkeitsgrad
ausnutzen. Aufgrund dieser Eigenschaften kommen für den erfindungsgemäßen Wasserwächter
Anwendungen in Betracht, bei denen bisher aus Platz- und/oder Kostengründen auf
eine wasser- oder feuchtigkeitsabhängige Steuerung verzichtet wurde.