Niski koszt, umiarkowanie dokładny pomiar głębokości wody

10

tl; dr: Po dłuższej rozmowie ze staruszkiem zdałem sobie sprawę z kilku rzeczy:

  1. Najcenniejszym pomiarem dla większości ludzi będzie głębokość w studni.
  2. Drugim najcenniejszym będzie przepływ wody ze studni.
  3. Omówione poniżej rozwiązanie „barbotera” ma jeszcze jedną poważną słabość (oprócz słabości pomp powietrza): wprowadzenie tlenu do wody w studni spowoduje tworzenie się tlenków, prowadząc do inkrustacji mineralnej nie tylko otwarcia rurki, ale przedłużenia aż do środka, gdziekolwiek byłby jego normalny poziom. Wie, bo musiał poradzić sobie z czymś prawie dokładnie analogicznym, co stanowiło poważną przeszkodę. Rurki o większych rozmiarach spowolnią proces, ale ostatecznie rurki zostaną zablokowane.
  4. Sprawdzamy ponownie rozwiązanie wykorzystujące pęcherz w zbiorniku z czujnikiem różnicy ciśnień. Miał konkretne pomysły, jak to zrobić, które brzmią wykonalnie (ale wciąż pozostaje kilka szczegółów do rozwiązania).
  5. Aha, a on rozwiązał problem ze zbiornikiem w około 10 sekund. Umieść czujnik ciśnienia na rurze od zbiornika do pompy ciśnieniowej. Zignoruj ​​kolce, które pojawiają się, gdy pompa się uruchamia, a my mamy dokładnie taki odczyt ciśnienia, jaki chcemy za pomocą tanich, dobrze zrozumiałych czujników. Do licha! To było takie oczywiste, kiedy powiedział, że prawie się kopnąłem.

Dziękuję wam wszystkim za wasze pomysły i analizę. Jeśli ktoś jest ciekawy, jak rozwija się projekt, miej oko na waterunderground.net . W tej chwili jest dość pusta, ale powinna zawierać więcej treści w ciągu około miesiąca.

Historia

Projektuję system monitorowania studni i zużycia wody dla osób z Północnej Kalifornii. Celem jest mierzenie przepływu wody ze studni do zbiornika, zbiornika do domu i zbiornika do nawadniania, a także monitorowanie głębokości wody w zbiorniku i studni. Nasz obecny docelowy koszt części wynosi poniżej 200 USD za system, w tym procesor, 3 czujniki przepływu i 2 czujniki ciśnienia, chociaż naszym zdaniem możemy być w stanie zbliżyć się do 100 USD po kilku iteracjach projektowych.

Wygląda na to, że część czujnika przepływu została rozwiązana teraz, kiedy w końcu mamy dostawcę żeńskich adapterów poślizgowych G1 => US 1 "do integracji tanich czujników efektu Halla ze standardowym amerykańskim środowiskiem rurowym. Rozwiązanie pomiaru głębokości nie jest tak proste.

Proszę o sprawdzenie rozsądku mojego rozumowania, zanim pójdę i zacznę kupować rzeczy, które są niewłaściwe, zarówno pod względem wielkości, typu, jak i całości.

Opis problemu

Potrzebuję taniego sposobu pomiaru głębokości 2 kolumn wody z umiarkowanie przyzwoitą dokładnością, powiedzmy +/- 5%. Chociaż naszą własną własnością jest witryna Alpha 1, chcielibyśmy rozwiązania, które skaluje się w górę lub w dół, dla innych nieruchomości o podobnych potrzebach.

Mamy:

  1. Zbiornik magazynowy o pojemności 3000 galonów, około 8,5 'wody po napełnieniu. Inne zbiorniki mają podobną wysokość +/- 5 '.
  2. Studnia Nasza własna studnia ma 75 stóp głębokości w / 37 stóp wody. Inne studnie w okolicy są tak płytkie, jak 30 'w / 15' wody lub głębokie jak 300 'w / 70+' wody.

Mamy następujące kryteria:

  1. Nie więcej niż 30 $ za czołg i (miejmy nadzieję) nie więcej niż 50 $ za studnię. Niższe koszty byłyby świetne.
  2. Rozwiązanie musi być w jakiś sposób zintegrowane (falowanie ręczne) z Arduino, BeagleBone Black lub podobnym, niedrogim kontrolerem.
  3. Ciągły odczyt jest pożądany, ale coś, co uruchamia się co 15, 30 lub <jakikolwiek> minut, byłoby dopuszczalne.
  4. Brak elektroniki / układów elektrycznych w studni lub zbiorniku.
  5. Brak metalu w studni lub zbiorniku, z możliwym wyjątkiem materiału użytego do zważenia rurki, która wchodzi do wody.
  6. Rozwiązanie powinno działać dość dobrze (bez zamierzonego stempla) dla studni o głębokości 35 '/ 15' wody, aż do studni o głębokości 300 '/ 60 +' wody.

Spośród kilku rozważanych do tej pory rozwiązań, naszym obecnym liderem jest „bubbler”, jak opisano w tym artykule :

Czujnik poziomu typu barbotażowego pokazano na ryc. 3. Rurka zanurzeniowa mająca swój otwarty koniec w pobliżu dna naczynia przenosi gaz płuczący (zwykle powietrze, chociaż gaz obojętny, taki jak suchy azot, można zastosować, gdy istnieje niebezpieczeństwo zanieczyszczenia lub reakcja utleniająca z płynem procesowym) do zbiornika. Gdy gaz przepływa w dół do wylotu rurki zanurzeniowej, ciśnienie w rurce wzrasta, aż przezwycięży ciśnienie hydrostatyczne wytwarzane przez poziom cieczy na wylocie. Ciśnienie to jest równe gęstości płynu procesowego pomnożonej przez jego głębokość od końca rurki zanurzeniowej do powierzchni i jest monitorowane przez przetwornik ciśnienia podłączony do rurki.

Planujemy użyć:

  1. Otwarta rurka od 1/4 "do 3/8" obciążona (lub jeszcze lepiej, zapinana na suwak na rurze wydobywczej studni) do zawieszenia na niewielkiej odległości nad dnem (możemy zbliżyć się do zbiornika, ale studnie mają tendencję do zamulania, aby znajdowało się w odległości kilku stóp). Mała rura opadowa jest mocną stroną tego podejścia, ponieważ prawie nic nie wchodzi do samej studni.
  2. Niektóre (tanie) źródło ciśnienia powietrza wystarczające (300+ kPa), aby wydmuchać całą wodę z rurki w studni. Gdy wartość z płaskowyżu czujnika oznacza, że ​​dmuchamy bąbelki i możemy przeliczyć ciśnienie na stopy wody.
  3. Na górze łączymy rurkę z czujnikiem różnicy ciśnienia, takim jak Freescale MPX5500DP , który może obsłużyć do 500 kPa, co przekłada się na ok. 160 'wody. Mają nieco dokładniejszą (seria 5100) dla krótszych kolumn, na przykład w zbiorniku. Wybraliśmy czujnik różnicowy, aby umożliwić zmianę ciśnienia atmosferycznego.
  4. Specyfika Arduino włączania / wyłączania pompy powietrza nie została ustalona, ​​ale wierzę, że będzie to proste, gdy będziemy wiedzieć, jakiego rodzaju / wielkości pompy próbujemy kontrolować.

Uwaga: chociaż możemy łatwo skalibrować odczyt z czujnika zbiornika, studnia może być bardziej problematyczna. W naszym przypadku mamy sposób na użycie kropli do bezpośredniego pomiaru głębokości studni i wysokości słupa wody, w innych przypadkach może to być trudne.

pytania

  • Czy jest coś w tym podejściu, które jest zasadniczo wadliwe?
  • Czy zmiany temperatury (przede wszystkim w zbiorniku, a nie w studni) będą miały tu jakikolwiek wpływ?
  • Czy oprócz objętości powietrza potrzebnej do rur o różnych średnicach pompa będzie musiała pracować ciężej, aby osiągnąć dane ciśnienie, jeśli użyjemy większej lub mniejszej rury dolnej?

Zaktualizuj, aby odpowiedzieć na pytania:

Użytkownik zerowy zapytał, czy w systemie nie ma zbędnej redundancji; czy nie wystarczy tylko głębokość w zbiorniku? Nie całkiem. Każdy z pomiarów daje nam pewne informacje, a inne nie. Chociaż mierzone elementy nakładają się na siebie, widzę to jako okazję do sprawdzenia stanu zdrowia systemu.

Na przykład, jeśli zmierzony przepływ ze studni nie ma dość ścisłej korelacji (przesuniętej w czasie z powodu zbiornika) ze połączonymi przepływami do domu i systemu nawadniającego, wtedy coś jest nie do zniesienia.

Połączenie wykresu przepływu ze studni z wykresem głębokości wody w studni może dostarczyć krytycznych informacji na temat szybkości ładowania studni . Jeśli ładowanie się kończy, mamy poważne problemy z nadejściem do nas.

Wreszcie, jeśli nasza głębokość studni spada, a my nie zużywamy jej tak dużo , może to oznaczać, że jeden z naszych sąsiadów, powiedzmy, winnica o powierzchni 300 akrów, położona około pół mili od wzgórza, przepompowuje. Niestety, Kalifornia jest jedynym stanem, w którym nie ma regulacji wód podziemnych, więc nie możemy ich powstrzymać, tylko przygotuj się na zamówienie 3500 galonów wody za 175 USD za pop.

civil-engineering fluid-mechanics sensors pumps water-resources Peter Rowell
źródło
Powiązane: Czy mogę użyć czujnika ultradźwiękowego do pomiaru poziomu wody? i jak mogę zmierzyć grubość warstwy sedymentacyjnej w zamkniętym zbiorniku?
Chris Mueller
2
Dzięki za komentarz, ale obie te metody łamią jedno z naszych kryteriów, nic metalowego / elektrycznego w zbiorniku ani studni, a koszt znalezienia głębokości nie złamie naszego budżetu. Jednym z powodów braku niczego w zbiorniku / studni jest to, że płytkie studnie (takie jak nasza) są często dość kwaśne. Nasza studnia ma ok. pH 5,6, które mogą jeść przez metal, np. rury miedziane w domu. Fakt, że mamy niską zawartość substancji rozpuszczonych, sprawia, że ​​nasza woda jest jeszcze bardziej „agresywna” wobec metali niż wskazywałoby to pH 5,6.
Peter Rowell,
Czy naprawdę potrzebujesz redundancji czujników przepływu w rurze i czujnika głębokości w zbiorniku? Jeśli wyczuwasz więcej wody w zbiorniku, czy to nie powinno wystarczyć?
null
Krótka odpowiedź: nie, nie jest. Dodałem dłuższą odpowiedź na końcu mojego pytania.
Peter Rowell
1
Pomysł pomiaru różnicowego jest zdrowy, ale pompa / sprężarka powietrza jest twoim słabym punktem. Tani lub niezawodny, wybierz jeden. Jeśli ma działać nieprzerwanie, umrze w ciągu kilku miesięcy. Jeśli zostanie włączony tylko w razie potrzeby, potrzebujesz obwodu przekaźnikowego, a rok lub dwa lata życia są optymistyczne, chyba że wydasz dobre 300 USD na sprzęt przemysłowy. Jeśli chcesz, aby pozostało to solidne, musisz utracić części ruchome.
SF.

Odpowiedzi:

2

Alternatywą może być chip barometryczny zamknięty w wodoodpornym pojemniku z membraną, zważony tak, aby spoczywał na dnie.

Obwód barometr dla Arduino jest dostępna od Adafruit na mocy 10 $. Jeśli zdecydujesz się na samodzielny układ, możesz jeszcze bardziej obniżyć cenę. Komunikuje się przez I2C, więc możesz dołączyć go również do BeagleBone. Twój najgorszy ból głowy to teraz obudowa całkowicie wodoodporna, ale nie izolująca wnętrza od zmian ciśnienia - niezbędny byłby rodzaj elastycznej membrany.

Na dokładność wpłynęłaby w pewnym stopniu pogoda (ciśnienie powietrza) z niedokładnością około +/- 0,5 m, chociaż może zostać unieważniona przez drugi barometr na powierzchni, mierzący ciśnienie powietrza.

Jak zwykle, urządzenie wymagałoby indywidualnej kalibracji w oprogramowaniu poprzez zanurzenie go w dwóch znanych głębokościach i zarejestrowanie odczytów jako stałych punktów, umożliwiając ekstrapolację z tego miejsca.

SF.
źródło
Kalibracja jest koniecznością w przypadku wszystkich naszych dotychczasowych podejść. Wcześniej rozważaliśmy podejście „czujnik na dnie studni”, ale część „hydroizolacji, która dokładnie przenosi ciśnienie” zaskoczyła nas. Alternatywą było użycie pęcherza moczowego (być może nieco podwyższonego ciśnienia) u dołu studzienki, który łączy się rurkami z czujnikiem różnicowym u góry. Obawy dotyczyły utraty ciśnienia w pęcherzu i zacinania się „rzeczy” w obudowie studni - nie jest to łatwe miejsce, do którego można się dostać, jeśli występują problemy.
Peter Rowell
@PeterRowell: W przypadku kalibracji przenoszenie ciśnienia nie musi być dokładne, a jedynie „nieco proporcjonalne”. Wierzę, że zamknięte plastikowe pudełko byłoby wystarczające. Jeszcze jednym tanim i łatwym podejściem jest rura z pływającym magnesem i kontaktronami przymocowanymi na zewnątrz.
SF.
Oznacziłem to jako zaakceptowane. Nie jest to dokładnie to, co zamierzamy zrobić (przynajmniej tak mi się wydaje), ale jest blisko. Również twoja rada na temat tanich pomp powietrza została podkreślona przez mojego starego faceta, który ma systemy, które muszą utrzymywać 6psi 24/7 przez 5-10 lat na raz.
Peter Rowell
2

Pomiar wody w otwartych kanałach jest podstawowym elementem ochrony wody. Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na ulepszone techniki zarządzania wodą, istnieje poważne zapotrzebowanie na tanie i dokładne urządzenia do pomiaru wody, takie jak przepływomierze i czujniki poziomu cieczy.

Od czasu opracowania kanału Parshall starano się uprościć budowę i poprawić dokładność urządzeń do pomiaru wody w otwartych kanałach.

Okrągły kanał jest odpowiednim urządzeniem do pomiaru przepływu przez bruzdy, ponieważ jego okrągły kształt pasuje do naturalnego kształtu bruzdy, zmniejszając możliwość bocznego przepływu wokół kanału. Urządzenie zostało również z powodzeniem zastosowane w kanałach wyłożonych i bez podszewki.

Wysokie koszty uniemożliwiły hodowcom korzystanie z kanałów pomiarowych do pomiaru wody. Jednak ostatnio zaprojektowano praktyczne urządzenie do pomiaru wody, które może być używane przez hodowców przy niskich kosztach: okrągły kanał.

To tylko moje nieprzetworzone informacje, które Ci udostępniłem, a ponadto możesz się o nich uczyć

Kyla Peter
źródło
1

W zależności od dokładności i trwałości czystości wody (nie musi być szczególnie czysty ani brudny, wystarczy utrzymać ten sam poziom czystości), bardzo tani system to dwa przewody narażone na działanie wody (np. Podwójny przewód z izolacją odizolowaną na jednym strona), zanurzona w studzience / pojemniku.

Wystarczy zmierzyć rezystancję między dwoma przewodami; przyłożyć stałe napięcie przez rezystor, zmierzyć spadek napięcia między przewodami.

schematyczny

Woda, umożliwiająca przepływ prądu między drutami w różnej odległości, powoduje, że wytwarzają one różny opór w zależności od tego, jak daleko są zanurzone. Kalibruj system wykonując pomiary dla określonych głębokości. Zarówno Arduino, jak i BeagleBone mają ADC na pokładzie, a komponenty (inne niż płyty) będą niższe niż 3 USD. To będzie nie ale jeśli czystość wody zmienia się ze zmianą wodoodporności będzie całkowicie udaremnić odczyty drobne oporów drutu.

Można to obejść za pomocą obwodu podobnego do tego, ale utrzymując przewody w izolacji (w tym zanurzone końcówki; może jakiś gorący klej?) I w większej odległości od siebie (np. Drut dwużyłowy Ladder Line ) - ale w tym przypadku potrzebujesz nieco bardziej złożonego obwodu - generatora częstotliwości LC z dwoma przewodami działającymi jak kondensator. Poziom wody będzie działał jako dielektryk zmieniający pojemność linii i należy zmierzyć zmiany częstotliwości w oprogramowaniu. Mimo to płytka drukowana nie powinna przekraczać 15 USD.

SF.
źródło
To może być interesujące dla czołgu, nie jestem pewien co do studni. Jak powiedziałem w innym komentarzu, duża ilość wody w studni ma umiarkowanie niskie pH, więc wszystko, co nie jest jakościowe ze stali nierdzewnej, będzie miało krótszą żywotność. Środowisko zbiornika jest zasadniczo stabilne, chociaż mogłoby się drastycznie zmienić, jeśli studnia zacznie zamulać, a pompa będzie dostarczać coraz bardziej mętną wodę. Prawie nie mamy żelaza, ale niektórzy nasi sąsiedzi mają dużo. Ponadto w studni znajduje się pęcherzyk ozonu, który może degradować miedź. Myśli?
Peter Rowell,
@PeterRowell: Następnie przejdź do rozwiązania pojemnościowego; skład wody musiałby ulec drastycznej zmianie, aby wpłynąć na nią w jakikolwiek zauważalny sposób, a ponadto jest całkowicie odporny na problemy środowiskowe (brak kontaktu z wodą). Jest nieco bardziej zaangażowany elektronicznie i stanowi duże wyzwanie w oprogramowaniu (zdecydowanie praca Arduino, nie dla środowiska systemu operacyjnego, które miałoby problemy z próbkowaniem wejścia przy kilku kHz), ale potrzebna elektronika nie byłaby bardzo droga (~ 30 USD) jeżeli jest produkowany w ilościach jednostkowych, a tym bardziej w przypadku produkcji luzem, przy czym PCB stanowi znaczącą część kosztów).
SF.
@PeterRowell To działałoby gorzej w środowisku zanieczyszczonym EM (blisko dużych anten itp.), Ale na obszarach wiejskich byłoby całkiem w porządku.
SF.
OK, to jest bardziej interesujące. Nie jestem żonaty z BBB, szczególnie jeśli korzystanie z Arduino odsuwa nas od poważnego problemu. Zastanawiam się nad EMI z samej pompy. Dysponujemy kablem podwodnym 1/2 HP na 230 @ 30, ale niektórzy sąsiedzi z głębszymi studniami mają znacznie więcej HP na dole obudowy. Czy to uzasadniona obawa? (Pamiętaj, że nie jestem EE.)
Peter Rowell
@PeterRowell: Prawdopodobnie nie, sprawa byłaby inna, gdyby czujnik był cewką, ale pompa w najgorszym przypadku powinna wprowadzić stałe przesunięcie po włączeniu lub jakiś hałas, który trzeba odfiltrować w oprogramowaniu.
SF.
1

Myślę, że twoim rzeczywistym celem jest pomiar objętości wody w zbiorniku.

Przynajmniej w przypadku zbiornika można zastosować tensometry do podstawy zbiornika. Więcej wody w zbiorniku oznacza większą wagę, co z kolei oznacza inne obciążenie. Dokładna zależność zależy od podstawy i sposobu zastosowania miernika.

Zaletą jest to, że nie musisz niczego umieszczać w zbiorniku. Wady polegają na tym, że to nie zadziała dla studni.

zero
źródło
Nie rozumiem, w jaki sposób tensometry zostałyby zastosowane do zbiornika, więc nie jestem pewien, jak to uprości problem. Byłbym również zaniepokojony ekspozycją na żywioły, czymś, co nie stanowi problemu z wejściem rurki czołgu do studni. Biorąc również pod uwagę, że wiemy dokładnie, jak duży jest zbiornik, wiedząc, że głębokość przekształca się bezpośrednio w objętość.
Peter Rowell
@PeterRowell Tak samo jak masa bezpośrednio przekształca się w objętość. Dodatkowa masa wody powoduje deformację podstawy. Tensometry zmierzą to. Jak skala ważenia. To, co zasugerowałem, pomaga utrzymać wszystko z dala od wody, co opisałeś jako „agresywne”. Nie wiem, czy używanie plastikowej / gumowej rurki w kalifornijskim słońcu przez dłuższy czas jest „niepraktyczne”. Nie wiem, jak dobrze układ ciśnieniowy utrzyma ciśnienie w czasie, co oznacza regularne serwisowanie układu w celu sprawdzenia ciśnienia.
null
Rozumiem, że wagę można przeliczyć na wodę. Ale ponieważ mamy 3000 galonów przy 8,3 funta / gal, to ponad 24 000 funtów. Pod betonowym szczeniakiem znajduje się podkładka betonowa o grubości ponad 2 stóp. Pomóż mi zrozumieć specyfikę rozmieszczania tensometrów na już napełnionym zbiorniku ... ponieważ nikt przy zdrowych zmysłach nie zrzuci tyle wody podczas suszy. Promieniowanie UV rurki nie stanowiło problemu. Jedyne przewody wykazujące jakąkolwiek degradację znajdują się powyżej linii wodnej w zbiorniku, gdzie jest on narażony na skoncentrowany O3. Tam używamy Norprene.
Peter Rowell
@PeterRowell: Ponownie nie musisz zrzucać całej wody. W przypadku tensometrów potrzebna będzie bardziej elastyczna funkcja ekstrapolacji niż liniowa, ale wierzę, że kwadratowe przybliżenie wystarczy. Zmierz obciążenie dla trzech znanych poziomów wody, stamtąd ekstrapoluj „pełny” i „pusty”.
SF.
OK, jestem gęsta. „Zmierz obciążenie dla trzech znanych poziomów wody” Jak to zrobić? Zbiornik jest wykonany z bardzo grubego plastiku, a różnica między wodą z wodą / wodą bez wody jest bardzo niewielka.
Peter Rowell,
0

RE: dla twojej studni:

W geotech piezometry mierzą głębokość wody w monitorowaniu otworów wiertniczych.

Oto profesjonalny czujnik: https://www.geokon.com/4500-Series

Oto możliwe dyskusje na temat DIY:

https://www.envirodiy.org/topic/monitoring-well-or-piezometer-water-level-sensor/

https://www.envirodiy.org/construction-of-water-level-monitoring-sensor-station/

DavidJ
źródło
Dzięki za linki. Nie widzę żadnych cen na większości rzeczy (napisałem do kilku z nich), więc nie wiem, czy te urządzenia są w granicach budżetu.
Peter Rowell,