Wasserpegel im Tank messen: Ultraschall-Sensor am ESP8266

Wasserpegel im Tank messen ist ein typisches Problem in Haus, Garten und Werkstatt: Regenwasserzisterne, IBC-Container, Brunnenbehälter, Vorratstank oder Heizungs-Nachspeisung – überall möchte man den Füllstand kennen, ohne den Deckel zu öffnen oder einen Schwimmer mechanisch zu warten. Ein Ultraschall-Sensor am ESP8266 ist dafür eine sehr beliebte DIY-Lösung, weil sie kontaktlos arbeitet: Der Sensor misst den Abstand zur Wasseroberfläche, der ESP8266 sendet die Werte per WLAN ins Smart Home, und Sie sehen den Pegel im Dashboard oder erhalten Benachrichtigungen bei „fast leer“ bzw. „fast voll“. Damit das in der Praxis zuverlässig funktioniert, braucht es allerdings mehr als „Sensor anschließen und fertig“. Ultraschall reagiert empfindlich auf Einbauwinkel, Kondenswasser, Temperatur, Echos von Tankwänden und auf unruhige Wasseroberflächen. Außerdem ist die Umrechnung von Abstand in Füllstand und Volumen nur dann sinnvoll, wenn Tankgeometrie, Messpunkt und Referenzen sauber definiert sind. In diesem Artikel lernen Sie, welche Ultraschallsensoren sich eignen, wie Sie Montage und Schutz im Tankbereich lösen, wie Sie Messwerte glätten, korrekt umrechnen und stabil per MQTT oder ESPHome integrieren – so, dass die Pegelmessung im Alltag belastbar ist und nicht bei jedem Wetter „spinnt“.

Messprinzip: Wie Ultraschall den Pegel im Tank bestimmt

Ultraschallsensoren senden kurze Schallimpulse im Ultraschallbereich aus und messen die Zeit, bis das Echo von der Wasseroberfläche zurückkommt. Aus der Laufzeit wird die Entfernung berechnet. Für die Pegelmessung bedeutet das: Sie montieren den Sensor typischerweise oben im Tank, er „blickt“ nach unten, misst den Abstand zur Oberfläche und daraus leiten Sie den Füllstand ab. Vorteil: Der Sensor muss das Wasser nicht berühren. Nachteil: Alles, was das Echo stört (schräger Strahl, Kondensat, Echos von Wänden, Schaum, starke Wellen), kann die Messung verfälschen.

• Kontaktlos: keine Korrosion durch Wasser, keine Schwimmermechanik
• Einfach zu integrieren: digitale Trigger/Echo-Logik am Mikrocontroller
• Empfindlich gegen Einbaufehler: Ausrichtung und „Sicht“ auf die Oberfläche sind entscheidend
• Temperaturabhängig: Schallgeschwindigkeit ändert sich mit Lufttemperatur

Sensorwahl: Welche Ultraschallsensoren sich am ESP8266 bewähren

Im DIY-Bereich begegnen Ihnen häufig günstige Module wie HC-SR04 sowie robustere Varianten für Außen- und Feuchtumgebung. Für Tankmessungen im Garten (Regenwasser) oder im Technikraum ist „billig“ nicht automatisch schlecht, aber Sie sollten die Grenzen kennen: Viele Standardmodule sind nicht wasserdicht und mögen Kondensat nicht. Wenn der Sensor in einem feuchten Schacht oder Tankdeckel sitzt, sind gekapselte Sensoren oder ein geschützter Messkanal oft die bessere Wahl.

• HC-SR04: sehr verbreitet, günstig, aber nicht wasserdicht; nur mit gutem Schutz und trockener Einbausituation empfehlenswert
• JSN-SR04T (wasserdichter Kopf)
• Industriellere Ultraschallsensoren: teurer, dafür stabiler bei Feuchte und längeren Kabelwegen

Spannungspegel beachten: ESP8266 ist nicht 5V-tolerant

Viele Ultraschallsensoren arbeiten mit 5 V Logik. Der ESP8266 hingegen erwartet an seinen GPIOs typischerweise 3,3 V. Der Echo-Pin eines 5-V-Ultraschallsensors darf daher nicht direkt an einen ESP8266-GPIO angeschlossen werden, sonst drohen Instabilität oder Schäden. In der Praxis nutzt man einen Pegelwandler oder einen einfachen Spannungsteiler (z. B. zwei Widerstände), um das Echo-Signal auf 3,3 V zu begrenzen. Der Trigger-Pin vom ESP8266 zum Sensor funktioniert häufig direkt, weil 3,3 V für „High“ oft ausreichen, aber garantieren sollte man das nur nach Datenblatt.

Montage im Tank: Der wichtigste Faktor für stabile Werte

Die beste Elektronik nützt wenig, wenn der Sensor schlecht montiert ist. Idealerweise sitzt der Ultraschallsensor oben im Tank, exakt senkrecht zur Wasseroberfläche, mit freier Sicht nach unten. Bei IBC-Containern oder Zisternen ist der Einbauort oft durch Deckelöffnungen, Streben oder Einfüllstutzen begrenzt. Planen Sie so, dass der Ultraschallkegel nicht direkt auf schrägen Flächen oder Tankwände „trifft“, sonst entstehen falsche Echos.

• Senkrechte Ausrichtung: schräg montiert führt häufig zu Echoverlust oder Wandreflexionen
• Freier Messkanal: keine Kanten, Rohre oder Kabel im Schallweg
• Abstand zu Wänden: je größer der Tank, desto leichter; bei engen Schächten besonders kritisch
• Schutz gegen Kondensat: Tropfen auf der Membran oder am Schallaustritt verfälschen Messung

Messrohr als Trick gegen Echos und Wellen

In vielen praktischen Aufbauten hilft ein kurzes, senkrechtes Messrohr (z. B. ein PVC-Rohrstück) als „Schallkanal“. Es reduziert seitliche Reflexionen und glättet Wellenbewegungen an der Oberfläche, weil im Rohr weniger Wind und Bewegung ankommt. Wichtig ist, dass das Rohr nicht zu eng ist (sonst gibt es zusätzliche Echos) und dass unten kein Wasser stehen bleibt, das die Messung verfälscht.

Grundwerte definieren: Tankhöhe, Totzonen und Referenzpunkte

Damit aus „Abstand zur Oberfläche“ ein sinnvoller Füllstand wird, brauchen Sie Referenzwerte. Entscheidend ist die Distanz vom Sensor zur Tankunterkante bzw. zum Punkt „0 %“. In der Praxis gibt es oft Totzonen: Der Sensor kann sehr nahe Entfernungen nicht zuverlässig messen (Nahbereich), und ganz unten bleibt oft ein Restvolumen unterhalb des Messbereichs oder der Abnahmeleitung. Definieren Sie daher klar:

• H: effektive Tankhöhe vom Sensor-Referenzpunkt bis zum „0 %-Pegel“
• d: gemessener Abstand vom Sensor zur Wasseroberfläche
• h: Füllhöhe = H – d (mit Begrenzung)
• h_min / h_max: Grenzen wegen Nahbereich und geometrischer Besonderheiten

Umrechnung Abstand → Füllhöhe (MathML)

Die einfachste Umrechnung lautet: Füllhöhe ist die Tankhöhe minus gemessener Abstand. Mit Begrenzung auf 0 bis H sieht das so aus:

$h=H–d$
$h=\max (0,\min (H,H–d\left)\right)$

Volumen berechnen: Von der Füllhöhe zu Litern

Ein Pegel in Zentimetern ist nützlich, aber viele möchten „Liter im Tank“. Die Umrechnung hängt von der Tankform ab. Bei einem IBC-Container (nahezu quaderförmig) ist es relativ einfach: Volumen ist Grundfläche mal Füllhöhe. Bei zylindrischen Tanks oder liegenden Behältern wird es anspruchsvoller. Für den Alltag reicht oft eine Näherung oder eine Lookup-Tabelle (Kalibrierkurve), besonders wenn der Tank nicht exakt geometrisch ist.

Quaderförmiger Tank (z. B. IBC): Volumenformel (MathML)

Für einen quaderförmigen Tank mit Länge L, Breite B und Füllhöhe h gilt:

$V=L·B·h$

Wenn Sie Liter möchten, müssen Sie Einheiten beachten. Beispiel: L, B, h in Metern ergibt V in Kubikmetern. Umrechnung: 1 m³ = 1000 Liter.

$V\_L=V·1000$

Kalibrierkurve statt Formel: Praktisch bei „komplizierten“ Tanks

Bei unregelmäßigen Tanks (z. B. konisch, liegend, mit Einbauten) ist eine empirische Kalibrierung oft am zuverlässigsten: Sie messen mehrere Pegelstände und ordnen ihnen ein bekanntes Volumen zu (z. B. beim Befüllen in Stufen). Daraus entsteht eine Tabelle oder eine Interpolation. Das reduziert Fehler durch Geometrieannahmen und ist für Smart-Home-Dashboards meist völlig ausreichend.

Temperaturkompensation: Warum Schallgeschwindigkeit wichtig ist

Die Schallgeschwindigkeit in Luft hängt von der Temperatur ab. Wenn Sie sehr präzise messen wollen, sollten Sie die Geschwindigkeit anpassen, sonst können bei großen Distanzen merkliche Abweichungen entstehen. In vielen Tanks ist die Genauigkeit im Zentimeterbereich völlig ausreichend, doch gerade bei schmalen Toleranzen (z. B. „fast leer“-Alarm) kann Kompensation helfen. Eine häufig verwendete Näherung lautet: Schallgeschwindigkeit steigt ungefähr um 0,6 m/s pro °C.

Schallgeschwindigkeit in Luft (MathML)

Eine gängige Näherung für die Schallgeschwindigkeit c in m/s bei Temperatur T in °C ist:

$c\approx 331.3+0.606·T$

Die Distanz d ergibt sich aus Laufzeit t (Sekunden) durch Hin- und Rückweg:

$d=\frac{c}{·}$

Für eine praxistaugliche Umsetzung reicht es häufig, den Temperaturwert aus einem einfachen Sensor (z. B. BME280) zu nutzen oder eine konstante Raumtemperatur anzunehmen, wenn der Sensor in einem Technikraum sitzt.

Messwertaufbereitung: Glätten, Ausreißer filtern, Plausibilität prüfen

Ultraschallmessungen im Tank sind anfällig für Ausreißer: Tropfen, Schaum, starkes Plätschern beim Nachfüllen oder Reflexionen. Ohne Filter springt der Pegel im Dashboard und Alarme werden unbrauchbar. Bewährt haben sich robuste Methoden: Medianfilter über mehrere Messungen, gleitende Mittelwerte und Plausibilitätsregeln (z. B. „Pegel kann nicht in 2 Sekunden um 30 cm steigen“).

• Median aus N Messungen: sehr robust gegen einzelne Ausreißer
• Gleitender Mittelwert: glättet natürliche Schwankungen
• Sprungbegrenzung: maximal erlaubte Änderung pro Zeitfenster
• Messpausen: beim Befüllen oder Pumpenbetrieb ggf. temporär nicht bewerten

Medianfilter als Ausreißerschutz

Ein praktisches Muster ist: Nehmen Sie z. B. 7 Messungen im Abstand von 200–500 ms, sortieren Sie diese und verwenden Sie den mittleren Wert (Median). Dadurch verschwinden einzelne Fehlmessungen fast vollständig, ohne dass die Reaktionszeit im Minutenbereich leidet.

Datenübertragung per WLAN: MQTT und ESPHome als solide Basis

Damit Sie den Wasserstand überall sehen, braucht es eine zuverlässige Datenübertragung. MQTT ist im DIY-Smart-Home besonders verbreitet, weil es leichtgewichtig ist und lokale Systeme wie Home Assistant oder ioBroker gut damit arbeiten. ESPHome ist attraktiv, wenn Sie schnelle Umsetzung, OTA-Updates und klare Konfiguration bevorzugen. Für beide Wege gilt: Achten Sie auf stabile WLAN-Abdeckung am Tankstandort (Garten, Schacht, Keller) und auf eine saubere Stromversorgung.

• MQTT Standard: lokale Publish/Subscribe-Kommunikation: MQTT.org
• Broker: Mosquitto ist eine verbreitete Wahl: Eclipse Mosquitto
• ESPHome: schnelle Integration und OTA-Updates: ESPHome Dokumentation
• Home Assistant: Dashboards, Alarme, Historie: Home Assistant
• ioBroker: Datenpunkte und Logik: ioBroker

Topic-Struktur für Pegel und Volumen

Wenn Sie MQTT nutzen, lohnt eine klare Topic-Struktur. So können Sie später weitere Tanks oder Sensoren hinzufügen, ohne Chaos zu erzeugen.

• Beispiel: tank/zisterne/level_cm
• Beispiel: tank/zisterne/level_percent
• Beispiel: tank/zisterne/volume_l
• Optional: tank/zisterne/temperature_c und tank/zisterne/rssi

Alarme und Automationen: Sinnvoll benachrichtigen statt nerven

Der eigentliche Nutzen eines Tankpegels entsteht oft erst durch Automationen: Benachrichtigung, wenn Regenwasser knapp wird, automatische Umschaltung auf Leitungswasser (wo zulässig), Abschaltung einer Pumpe bei Trockenlaufgefahr oder Erinnerung vor einer längeren Abwesenheit. Wichtig ist, Alarme nicht an Momentwerten festzumachen, sondern an geglätteten Werten und Zeitkriterien, damit ein einzelner Ausreißer nicht sofort „Tank leer“ auslöst.

• Leerwarnung: wenn Volumen unter Schwelle und mindestens X Minuten stabil
• Vollwarnung: wenn Pegel nahe max, damit Überlauf verhindert wird
• Pumpenschutz: Pumpe nur erlauben, wenn Pegel über Mindesthöhe
• Trend: bei ungewöhnlich schnellem Abfall Hinweis auf Leck oder ungewöhnlichen Verbrauch

Hysterese für stabile Grenzwerte (MathML)

Um ständiges Ein/Aus zu verhindern, verwenden Sie Hysterese. Wenn S der Schwellwert und H die Hysterese ist:

$\mathrm{Alarm}=\mathrm{ein}\mathrm{wenn}\mathrm{Pegel}\le S$
$\mathrm{Alarm}=\mathrm{aus}\mathrm{wenn}\mathrm{Pegel}\ge S+H$

Robustheit im Außenbereich: Feuchte, Kondensat, Spinnen und Kabel

Tankmessungen sind oft Outdoor-Projekte. Dort schlagen nicht nur Regen und Temperaturschwankungen zu, sondern auch Kondensat im Schacht, Insekten, Spinnenweben und UV-Belastung. Eine wartungsarme Installation berücksichtigt diese Faktoren von Anfang an: wetterfestes Gehäuse, geschützte Kabeldurchführungen, Zugentlastung und eine Position, die nicht direkt Spritzwasser abbekommt. Ultraschallsensoren reagieren empfindlich auf Beläge an der Membran; ein einfacher Spritzschutz oder eine geeignete Montage kann hier viel Ärger sparen.

• Gehäuse: spritzwassergeschützt, aber mit sinnvoller Luftzirkulation gegen Kondensat
• Kabel: UV-beständig, mechanisch geschützt, mit Tropfschleife
• Wartungszugang: so planen, dass Reinigung möglich bleibt
• Spinnen/Staub: regelmäßige Sichtprüfung, insbesondere im Sommer

Typische Fehlerbilder und schnelle Gegenmaßnahmen

Wenn Werte „springen“ oder unplausibel werden, ist die Ursache häufig mechanisch oder umgebungsbedingt. Eine strukturierte Fehlersuche spart Zeit: Erst Montage und Luftweg prüfen, dann Stromversorgung, dann Softwarefilter und schließlich die Temperaturannahmen.

• Starke Sprünge: Echos von Wänden oder Einbauten → Sensor zentrieren, Messrohr nutzen
• Konstante Fehlwerte: Membran nass/verschmutzt → reinigen, Spritzschutz verbessern
• Aussetzer: instabile Stromversorgung oder WLAN → besseres Netzteil, Position/Access Point anpassen
• „Immer zu voll“: falsche Tankhöhe H oder Referenzpunkt → Maße neu aufnehmen
• „Immer zu leer“: Nahbereich/Totzone nicht berücksichtigt → Mindestabstand definieren, Werte begrenzen

Outbound-Links zu relevanten Informationsquellen

• MQTT.org (lokaler Kommunikationsstandard für Smart-Home-Sensoren)
• Eclipse Mosquitto (MQTT-Broker im Heimnetz)
• ESPHome Dokumentation (Sensorintegration, OTA, Stabilität)
• Home Assistant (Dashboards, Automationen, Historie)
• ioBroker (Datenpunkte, Logik, Visualisierung)
• ESP8266 Arduino Core (Plattformdetails für eigene Firmware)

FAQ: Häufige Fragen zur Tank-Pegelmessung mit Ultraschall am ESP8266

Funktioniert Ultraschall auch bei Schaum oder stark bewegter Oberfläche?

Schaum und Wellen können Echos dämpfen oder unregelmäßig machen. In solchen Fällen helfen Medianfilter, eine beruhigte Messzone (Messrohr) und Messungen in Zeitfenstern ohne starke Turbulenzen. Für sehr unruhige Oberflächen kann ein anderer Sensortyp (z. B. Drucksensor am Boden) langfristig besser passen.

Wie genau ist die Pegelmessung in der Praxis?

Bei guter Montage sind Zentimeter-genaue Werte realistisch. Die tatsächliche Genauigkeit hängt stark von Tankgeometrie, Einbauwinkel, Temperatur und Reflexionen ab. Für „leer/voll“ und Trendanzeigen ist Ultraschall meist sehr gut geeignet; für millimetergenaue Prozessmessung eher weniger.

Kann ich den Sensor direkt im Tank montieren?

Viele Standard-Ultraschallsensoren sind nicht für dauerhaft feuchte Umgebung ausgelegt. Besser ist eine Montage im Deckelbereich mit Schutz gegen Kondensat oder die Nutzung eines Sensors mit wasserdichtem Sensorkopf. Entscheidend ist, dass die Membran nicht dauerhaft nass wird.

Warum brauche ich Filter, wenn der Sensor doch „digital“ misst?

Weil die Umgebung analoge Störungen erzeugt: Echos, Tropfen, Schaum, Wind, plätscherndes Nachfüllen. Filter machen die Anzeige stabil und verhindern Fehlalarme. Ein Medianfilter ist häufig der schnellste Weg zu robusten Ergebnissen.

Ist der ESP8266 für Außeninstallationen geeignet?

Ja, wenn Stromversorgung, Gehäuse und Kabel sauber umgesetzt sind. Im Außenbereich sind Feuchtigkeitsschutz, Kondensatmanagement und stabile WLAN-Abdeckung entscheidend. Mit OTA-Updates (z. B. via ESPHome) bleibt das System außerdem wartbar, ohne den Tankbereich ständig öffnen zu müssen.

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