Низкая стоимость, умеренно точное измерение глубины воды

10

tl; dr: После продолжительного разговора со старожилом я понял несколько вещей:

  1. Самым ценным измерением для большинства людей будет глубина воды в колодце.
  2. Вторым наиболее ценным будет поток воды из скважины.
  3. Рассматриваемое ниже «барботажное» решение имеет еще один существенный недостаток (в дополнение к хрупкости воздушных насосов): введение кислорода в воду из скважины приведет к образованию оксида, что приведет к минеральной инкрустации не только отверстия трубки, но и расширения вплоть до того места, где был бы его нормальный уровень. Он знает, потому что ему приходилось иметь дело с чем-то почти точно аналогичным, и это было серьезным препятствием. Трубки большего размера замедляют процесс, но в конечном итоге они будут заблокированы.
  4. Мы пересматриваем решение, в котором используется баллон с датчиком перепада давления. У него были конкретные идеи о том, как сделать это, что звучит выполнимо (но есть еще некоторые детали, которые необходимо рассмотреть).
  5. О, и он решил проблему с танком примерно за 10 секунд. Поместите датчик давления на трубу от резервуара к насосу давления. Не обращайте внимания на всплески, возникающие при включении насоса, и мы получаем именно те показания давления, которые нам нужны, с дешевыми, хорошо понятными датчиками. Sheesh! Это было так очевидно, когда он сказал это, я чуть не ударил себя ногой.

Я благодарю всех вас за ваши идеи и ваш анализ. Если кому-то интересно узнать, как разворачивается проект, следите за waterunderground.net . В данный момент он довольно пустой, но через месяц должно быть больше контента.

Предыстория

Я разрабатываю систему мониторинга скважин и водопользования с открытым исходным кодом для жителей Северной Калифорнии. Цель состоит в том, чтобы иметь возможность измерять расход воды из скважины в резервуар, из резервуара в дом и из резервуара в полив, а также контролировать глубину воды в резервуаре и скважине. Наша текущая целевая стоимость деталей составляет менее 200 долларов США для системы, включающей ЦП, 3 датчика потока и 2 датчика давления, хотя мы думаем, что сможем приблизить ее к 100 долларам после нескольких итераций проектирования.

Похоже, мы решили проблему с датчиками потока, поскольку теперь у нас наконец-то есть поставщик адаптеров скольжения G1 => US 1 "для интеграции дешевых датчиков с эффектом Холла в стандартную среду трубопроводов в США. Решение для измерения глубины не так просто.

Я прошу проверить здравомыслие моих рассуждений здесь, прежде чем я уйду и начну покупать вещи, которые неправильны, ни по размеру, ни по типу, ни вообще.

Постановка задачи

Мне нужен недорогой способ измерения глубины 2 столба воды с умеренно приличной точностью, скажем +/- 5%. Хотя наше собственное свойство - это сайт Alpha 1, мы бы хотели, чтобы решение было расширено или уменьшено для других объектов со схожими потребностями.

У нас есть:

  1. Резервуар на 3000 галлонов, который составляет ок. 8,5 'воды, когда полный. Другие танки имеют аналогичную высоту +/- 5 '.
  2. Колодец воды. Наш собственный колодец - это 75 футов глубины и 37 футов воды. Другие скважины в этом районе мелкие, как 30 футов / 15 футов воды, или так же глубоко, как 300 футов / 70+ 'воды.

У нас есть следующие критерии:

  1. Не более 30 долларов за аквариум и (надеюсь) не более 50 долларов за колодец. Снижение затрат было бы здорово.
  2. Решение должно каким-то образом интегрироваться (ручная волна) с Arduino, BeagleBone Black или аналогичным недорогим контроллером.
  3. Желательно непрерывное считывание, но то, что срабатывает каждые 15, 30 или <все> минуты, будет приемлемым.
  4. Нет электроники / электрических систем в колодце или резервуаре.
  5. В колодце или резервуаре нет металла, за исключением, возможно, материала, используемого для утяжеления трубки, попадающей в воду.
  6. Раствор должен работать достаточно хорошо (без каламбура) для скважин с глубиной 35 футов / 15 футов до скважин глубиной 300 футов с 60 + воды.

Среди нескольких решений, рассмотренных до сих пор, наш нынешний лидер - это «барботер», как описано в этой статье :

Датчик уровня барботерного типа показан на рис. 3. Погружная трубка, имеющая открытый конец около дна сосуда, несет продувочный газ (обычно воздух, хотя инертный газ, такой как сухой азот, может использоваться, когда существует опасность загрязнения или окислительная реакция с технологической жидкостью) в бак. Когда газ стекает вниз к выходу погружной трубки, давление в трубке повышается до тех пор, пока оно не преодолеет гидростатическое давление, создаваемое уровнем жидкости на выходе. Это давление равно плотности рабочей жидкости, умноженной на ее глубину от конца погружной трубки до поверхности, и контролируется датчиком давления, подключенным к трубке.

Мы планируем использовать:

  1. Труба с открытым концом от 1/4 "до 3/8", утяжеленная (или, что еще лучше, застегнутая молнией к верхнему трубопроводу скважины) для подвешивания на небольшом расстоянии над дном (мы можем подойти ближе к резервуару, но к скважинам как правило, ил, так что будет в пределах нескольких футов). Небольшая приставная труба является сильной стороной в пользу этого подхода, потому что почти ничего не входит в саму скважину.
  2. Некоторый (дешевый) источник давления воздуха достаточен (300+ кПа), чтобы выкачать всю воду из трубы в скважине. Как только значение на плато датчика означает, что мы пускаем пузыри и можем преобразовать давление в футы воды.
  3. Сверху мы подключаем трубку к датчику перепада давления, например, Freescale MPX5500DP , который может выдерживать до 500 кПа, что соответствует ок. 160 футов воды. У них есть немного более точный (серия 5100) для более коротких колонн, например, в баке. Мы выбрали дифференциальный датчик, чтобы учитывать изменение атмосферного давления.
  4. Особенности включения / выключения воздушного насоса в Arduino не определены, но я полагаю, что будет просто, если мы узнаем, какой тип / размер насоса мы пытаемся контролировать.

Примечание: хотя мы можем легко откалибровать показания датчика резервуара, скважина может быть более проблематичной. В нашем собственном случае у нас есть способ использовать линию снижения для непосредственного измерения глубины скважины и высоты водяного столба, в других случаях это может быть затруднительно.

Вопросов

  • Есть ли что-то в этом подходе, что в корне ошибочно?
  • Изменения температуры (в основном в резервуаре, а не в колодце) будут иметь какое-то реальное значение здесь?
  • Помимо объема воздуха, необходимого для труб различного диаметра, придется ли насосу работать усерднее, чтобы достичь заданного давления, если мы используем большую или меньшую трубу?

Обновление для ответа на вопросы:

Пользователь null спросил, существует ли ненужная избыточность в системе; Разве глубина резервуара не будет достаточной? На самом деле, нет. Каждое из измерений дает нам некоторую информацию, а другие нет. Хотя есть некоторые совпадения в том, что измеряется, я рассматриваю это как возможность для проверки работоспособности системы.

Например, если измеренный поток из скважины не имеет достаточно тесной корреляции (сдвинутой во времени из-за резервуара) с объединенными потоками в дом и ирригационную систему, то что-то не в порядке.

Сочетание графика притока из скважины с графиком глубины воды в скважине может дать важную информацию о скорости пополнения скважины . Если перезарядка прекращается, то у нас возникнут серьезные проблемы.

Наконец, если глубина нашей скважины падает, и мы не используем так много воды, это может означать, что один из наших соседей, скажем, виноградник площадью 300 акров, расположенный примерно в полумиле вверх по склону, перекачивает. К сожалению, Калифорния - единственный штат без каких-либо правил в отношении подземных вод, поэтому мы не можем их остановить, только готовимся заказать 3500-галлонную загрузку воды за 175 долларов за штуку.

civil-engineering fluid-mechanics sensors pumps water-resources Питер Роуэлл
источник
Связанный: Могу ли я использовать ультразвуковой датчик для измерения уровня воды? и Как я могу измерить толщину слоя седиментации в закрытом резервуаре?
Крис Мюллер
2
Спасибо за комментарий, но оба эти метода нарушают один из наших критериев, ничего металлического / электрического в резервуаре или скважине, и стоимость искателя глубины сломает наш бюджет. Одна из причин, по которой в резервуаре / скважине ничего не происходит, заключается в том, что неглубокие скважины (такие как наша) часто бывают довольно кислыми. Наш колодец ок. рН 5,6, который может питаться через металл, например, медные трубы в доме. Тот факт, что у нас мало растворимых твердых веществ, на самом деле делает нашу воду еще более «агрессивной» по отношению к металлам, чем тот показатель pH 5,6.
Питер Роуэлл,
Вы действительно нуждаетесь в резервировании датчиков потока в трубе и датчика глубины в баке? Если вы чувствуете больше воды в резервуаре, разве этого не достаточно?
ноль
Краткий ответ: нет, это не так. Я добавил длинный ответ в конец моего вопроса.
Питер Роуэлл
1
Идея дифференциального измерения обоснована, но воздушный насос / компрессор - ваше слабое место. Дешево или надежно, выберите один. Если он будет работать постоянно, он умрет в течение нескольких месяцев. Если он будет включен только тогда, когда это необходимо, вам понадобится релейная цепь, и все равно год или два срока службы будут оптимистичными, если вы не потратите $ 300 на промышленное оборудование. Если вы хотите, чтобы это оставалось надежным, вы должны отказаться от движущихся частей.
SF.

Ответы:

2

Альтернативой может быть барометрическая микросхема, заключенная в водонепроницаемый контейнер с мембраной, отягощенной до упора внизу.

Схема барометра для Arduino доступна с Adafruit по $ 10. Если вы выберете отдельный чип, вы можете снизить цену еще больше. Он связывается через I2C, так что вы также можете подключить его к BeagleBone. Ваша самая большая головная боль сейчас - это корпус, который полностью водонепроницаем, но не изолирует внутреннюю часть от перепадов давления - понадобится какая-то гибкая мембрана.

Точность будет несколько зависеть от погоды (давления воздуха) с погрешностью около +/- 0,5 м, хотя она может быть сведена на нет вторым барометром на поверхности, измеряющим давление воздуха.

Как обычно, устройство необходимо калибровать программно, индивидуально, погружая его на две известные глубины и записывая показания в виде фиксированных точек, что позволяет ему экстраполировать оттуда.

Научная фантастика
источник
Калибровка необходима для всех наших подходов. Мы рассмотрели ваш подход «датчик на дне колодца» на ранней стадии, но «гидроизоляция, которая точно передает давление» поставила нас в тупик. Альтернативой было использование мочевого пузыря (возможно, под небольшим давлением) в нижней части скважины, который соединяется трубкой с дифференциальным датчиком в верхней части. Опасения были связаны с потерей давления в мочевом пузыре и заклиниванием «материала» в обсадной колонне скважины - не так легко добраться, если возникнут проблемы.
Питер Роуэлл
@PeterRowell: при калибровке передача давления не должна быть точной, просто «несколько пропорциональной». Я полагаю, что закрытой пластиковой коробки будет достаточно. Еще один дешевый и простой подход - это труба с плавающим магнитом и контакторами, закрепленными снаружи.
SF.
Я отметил это как принятое. Это не совсем то, что мы собираемся делать (по крайней мере, я так думаю), но это близко. Кроме того, мой совет о дешевых воздушных насосах был подчеркнут в пиках моим старым парнем, у которого есть системы, которые должны поддерживать 6psi 24/7 в течение 5-10 лет за один раз.
Питер Роуэлл
2

Измерение воды в открытых каналах является основным элементом сохранения воды. В связи с растущей потребностью в улучшенных методах управления водными ресурсами существует серьезная потребность в недорогих и точных приборах для измерения воды, таких как расходомеры и датчики уровня жидкости.

С тех пор, как была разработана труба Паршалла, были предприняты попытки упростить конструкцию и повысить точность измерения воды в открытых каналах.

Круглый желоб является подходящим устройством для измерения потока через борозды, потому что его круглая форма соответствует естественной форме борозды, уменьшая возможность бокового потока вокруг желоба. Устройство также успешно использовалось в выровненных и не выровненных каналах.

Высокие затраты не позволили фермерам использовать измерительные трубы для воды. Однако недавно было разработано практичное устройство для измерения воды, которое может использоваться производителями при низких затратах: круговой желоб.

Это только моя необработанная информация, которой я поделился с вами, в дальнейшем вы также можете изучить ее

Кила Питер
источник
1

В зависимости от точности и постоянной чистоты воды (не нужно быть особенно чистым или грязным, просто сохраняйте тот же уровень чистоты), очень дешевая система будет состоять из двух проводов, подверженных воздействию воды (например, двойной провод с изоляцией, зачищенной на одном сторона), погруженный в колодец / контейнер.

Все, что вам нужно, это измерить сопротивление между двумя проводами; Подайте фиксированное напряжение через резистор, измерьте падение напряжения между проводами.

схематический

Вода, пропуская ток между проводами на разном расстоянии, заставляет их создавать различное сопротивление в зависимости от того, насколько глубоко они погружены. Откалибруйте систему, проводя измерения для определенных глубин. У Arduino и BeagleBone есть встроенный АЦП, а компоненты (кроме плат) будут стоить меньше 3 долларов. Однако это не удастся, если чистота воды изменится, так как изменение водостойкости полностью нарушит точные показания сопротивления проводов.

Это можно обойти с помощью схемы, аналогичной этой, но с сохранением изоляции проводов (включая погруженные наконечники; возможно, немного горячего клея?) И на большем расстоянии друг от друга (например, двухпроводной провод Ladder Line ) - но в этом случае вам понадобится несколько более сложная схема - генератор частоты LC с двумя проводами, выступающими в роли конденсатора. Уровень воды будет действовать как диэлектрик, изменяющий емкость линии, и вам нужно измерить изменения частоты в программном обеспечении. Тем не менее, плата не должна быть более 15 долларов или около того.

Научная фантастика
источник
Это может быть интересно для танка, я менее уверен насчет колодца. Как я уже говорил в другом комментарии, у многих колодезных вод здесь умеренно низкий уровень pH, поэтому срок службы, отличный от качества нержавеющей стали, будет сокращен. Окружающая среда резервуара, как правило, стабильна, хотя она может кардинально измениться, если скважина начнет заиливать и насос доставляет все более мутную воду. У нас почти нет железа, но у некоторых наших соседей их много. Кроме того, в скважине есть озоновый барботер, который может разрушить медь. Мысли?
Питер Роуэлл
@PeterRowell: тогда перейдите к емкостному решению; состав воды должен был бы измениться очень радикально, чтобы повлиять на него любым заметным образом, плюс он полностью невосприимчив к экологическим проблемам (нет контакта с водой). Он несколько более сложен в электронном виде и представляет собой небольшую проблему в программном обеспечении (определенно работа Arduino, а не в среде ОС, в которой возникают проблемы с дискретизацией входного сигнала на нескольких кГц), но необходимая электроника не будет очень дорогой (~ 30 долларов США). если они изготовлены в единичных количествах, то намного меньше, если они изготавливаются оптом, причем PCB составляет львиную долю расходов).
SF.
@PeterRowell Это будет работать хуже в окружающей среде, загрязненной электромагнитным излучением (рядом с большими антеннами и т. Д.), Но в сельской местности это будет вполне нормально.
SF.
ОК, это более интересно. Я не женат на BBB, особенно если использование Arduino избавит нас от основной проблемы. Я удивляюсь ЭМИ от самого насоса. У нас есть погружной проводник 1/2 HP на 230 @ 30, но у некоторых соседей с более глубокими скважинами в нижней части корпуса гораздо больше HP. Это разумная проблема? (Помните, я не EE.)
Питер Роуэлл
@PeterRowell: Вероятно, нет, случай был бы другим, если бы датчик был катушкой, но насос должен в худшем случае вводить постоянное смещение при включении, или некоторый шум, который вам нужно будет отфильтровать в программном обеспечении.
SF.
1

Я думаю, что ваша реальная цель - измерить объем воды в баке.

По крайней мере, для резервуара, вы можете применить тензодатчики к основанию резервуара. Больше воды в резервуаре означает больший вес, что, в свою очередь, означает различное количество напряжения. Точное соотношение зависит от базы и способа применения датчика.

Преимущество заключается в том, что вам не нужно ничего помещать в бак. Недостатки в том, что это не будет работать на благо.

значение NULL
источник
Я не понимаю, как тензодатчик будет применен к резервуару, поэтому я не уверен, как это упростит проблему. Я также был бы обеспокоен воздействием элементов, что не является проблемой при попадании трубки в колодец. Кроме того, учитывая, что мы точно знаем, насколько большой бак, зная, что глубина преобразуется непосредственно в объем.
Питер Роуэлл
@PeterRowell Точно так же, как масса напрямую преобразуется в объем. Дополнительная масса воды вызывает деформацию основания. Тензометры будут измерять это. Как весы. То, что я предложил, поможет вам не пускать воды в воду, которую вы назвали «агрессивной». Я не знаю, является ли использование пластиковой / резиновой трубки под калифорнийским солнцем в течение длительного периода времени «не проблемой». Я не знаю, насколько хорошо система под давлением будет удерживать давление с течением времени, что означает регулярное обслуживание системы для проверки давления.
ноль
Я понимаю, что вес можно перевести в воду. Но поскольку у нас 3000 галлонов при 8,3 фунта / галлон, это более 24 000 фунтов. У нас под щенком бетонная подушка толщиной более 2 футов. Помогите мне понять особенности развертывания тензодатчиков на уже заполненном баке ... потому что никто в здравом уме не собирается сбрасывать столько воды во время засухи. Ультрафиолетовая атака на трубки была без проблем. Единственная труба, показывающая какую-либо деградацию, находится над линией воды в резервуаре, где она подвергается воздействию концентрированного кислорода. Там мы используем Норпрен.
Питер Роуэлл
@PeterRowell: Опять же, вам не нужно сливать всю воду. При использовании тензодатчиков вам потребуется более гибкая функция экстраполяции, чем линейная, но я считаю, что квадратичное приближение поможет. Измерьте напряжение для трех известных уровней воды, экстраполируйте «полный» и «пустой» оттуда.
SF.
ОК, я плотный «Измерьте напряжение для трех известных уровней воды» Как мне это сделать? Резервуар сделан из очень толстого пластика, и разница между водой и водой очень мала.
Питер Роуэлл
0

RE: для вашего колодца:

В геотехнике пьезометры измеряют глубину воды в контрольных скважинах.

Вот профессиональный датчик: https://www.geokon.com/4500-Series

Здесь возможны самостоятельные обсуждения:

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

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

DavidJ
источник
Спасибо за ссылки. Я не вижу цен на большинство вещей (я написал пару из них), поэтому я не знаю, находятся ли эти устройства в рамках бюджета.
Питер Роуэлл