Medição de profundidade de água moderadamente precisa e de baixo custo

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tl; dr: Após uma longa conversa com um veterano, percebi algumas coisas:

  1. A medida mais valiosa para a maioria das pessoas será a profundidade da água no poço.
  2. O segundo mais valioso será o fluxo de água do poço.
  3. A solução "borbulhadora" discutida abaixo tem outra grande fraqueza (além da fragilidade das bombas de ar): a introdução de oxigênio na água do poço causará a formação de óxidos, levando à incrustação mineral não apenas da abertura da tubulação, mas também aumentando a todo o caminho para dentro, onde quer que esteja o seu nível normal. Ele sabe porque teve que lidar com algo quase exatamente análogo e foi um grande obstáculo. Tubos de tamanho maior desaceleram o processo, mas eventualmente serão bloqueados.
  4. Estamos reexaminando a solução que usa uma bexiga no tanque com sensor de pressão diferencial. Ele tinha idéias específicas sobre como fazer isso que pareçam factíveis (mas ainda há alguns detalhes a serem tratados).
  5. Ah, e ele resolveu o problema do tanque em cerca de 10 segundos. Coloque um sensor de pressão no tubo do tanque para a bomba de pressão. Ignore os picos que ocorrem quando a bomba entra em ação e temos exatamente a pressão que queremos com sensores baratos e bem compreendidos. Sheesh! Era tão óbvio quando ele disse que eu quase me chutei.

Agradeço a todos por suas idéias e suas análises. Se alguém for interessante para ver como o projeto se desenrola, fique de olho em waterunderground.net . Está bastante vazio no momento, mas deve ter mais conteúdo em um mês ou mais.

História de fundo

Estou projetando um sistema de fonte aberta de poço e monitoramento de uso de água para pessoas no norte da Califórnia. O objetivo é medir o fluxo de água de poço para tanque, tanque para casa e tanque para irrigação, além de monitorar a profundidade da água no tanque e no poço. Nosso custo-alvo atual de peças é inferior a US $ 200 para um sistema que inclui CPU, 3 sensores de fluxo e 2 sensores de pressão, embora pensemos que podemos chegar mais perto de US $ 100 após algumas iterações de design.

Parece que resolvemos a parte do sensor de fluxo agora que finalmente temos um fornecedor de adaptadores de deslizamento fêmea G1 => US 1 "para integrar sensores de efeito Hall baratos em um ambiente de tubulação padrão nos EUA. A solução de medição de profundidade não é tão direta.

Estou pedindo uma verificação de sanidade do meu raciocínio aqui antes de sair e começar a comprar coisas que estão erradas, em tamanho, tipo ou totalmente.

Declaração do problema

Preciso de uma maneira de baixo custo para medir a profundidade de 2 colunas de água com precisão moderadamente decente, digamos +/- 5%. Embora nossa propriedade seja o site Alpha 1, gostaríamos de uma solução escalável para cima ou para baixo, para outras propriedades com necessidades semelhantes.

Nós temos:

  1. Um tanque de armazenamento de 3.000 galões que é de aprox. 8,5 pés de água quando cheia. Outros tanques têm altura semelhante +/- 5 '.
  2. Um poço de água. Nosso próprio poço é de 75 'de profundidade w / 37' de água. Outros poços na área são tão rasos quanto 30 'w / 15' de água, ou tão profundos quanto 300 'w / 70+' de água.

Temos os seguintes critérios:

  1. Não mais que US $ 30 para o tanque e (espero) não mais que US $ 50 para o poço. Custos mais baixos seriam ótimos.
  2. A solução deve integrar-se de alguma maneira (onda manual) a um controlador Arduino, BeagleBone Black ou similar de baixo custo.
  3. Uma leitura contínua é desejável, mas algo que dispara a cada 15, 30 ou <qualquer que seja> minutos seria aceitável.
  4. Não há sistemas eletrônicos / elétricos no poço ou no tanque.
  5. Não há metal no poço ou tanque, com a possível exceção do material usado para pesar o tubo que entra na água.
  6. A solução deve funcionar razoavelmente bem (sem trocadilhos) para poços de 35 'de profundidade p / 15' de água, até poços de 300 'de profundidade p / 60 +' de água.

Entre as várias soluções consideradas até agora, nosso atual líder é um "bubbler", conforme descrito neste artigo :

Um sensor de nível do tipo borbulhador é mostrado na Figura 3. Um tubo de imersão com a extremidade aberta próxima ao fundo do vaso transporta um gás de purga (normalmente ar, embora um gás inerte, como o nitrogênio seco, possa ser usado quando houver perigo de contaminação ou uma reação oxidativa com o fluido do processo) no tanque. À medida que o gás flui para a saída do tubo de imersão, a pressão no tubo aumenta até superar a pressão hidrostática produzida pelo nível de líquido na saída. Essa pressão é igual à densidade do fluido do processo multiplicada por sua profundidade desde o final do tubo de imersão até a superfície e é monitorada por um transdutor de pressão conectado ao tubo.

Estamos planejando usar:

  1. Um tubo de extremidade aberta de 1/4 "a 3/8" com peso reduzido (ou, melhor ainda, amarrado com zíper ao cano superior do poço) para ficar a uma curta distância acima do fundo (podemos nos aproximar do tanque, mas os poços tendem a assorear, de modo que fique a alguns metros). O pequeno tubo de descarga é um ponto forte a favor dessa abordagem, porque quase nada entra no próprio poço.
  2. Alguma fonte (barata) de pressão de ar suficiente (300+ kPa) para soprar toda a água para fora do tubo no poço. Uma vez que o valor dos platôs dos sensores significa que estamos soprando bolhas e podemos converter a pressão em pés de água.
  3. Na parte superior, conectamos o tubo a um sensor de pressão diferencial, como o Freescale MPX5500DP , que pode suportar até 500 kPa, o que significa aprox. 160 'de água. Eles têm um pouco mais preciso (a série 5100) para colunas mais curtas, como no tanque. Selecionamos o sensor diferencial para permitir a variação da pressão atmosférica.
  4. As especificidades do Arduino de ligar / desligar a bomba de ar ainda não foram decididas, mas acredito que será simples assim que soubermos que tipo / tamanho de bomba estamos tentando controlar.

Nota: embora possamos calibrar facilmente a leitura do sensor do tanque, o poço pode ser mais problemático. No nosso próprio caso, temos uma maneira de usar uma linha de queda para medir diretamente a profundidade do poço e a altura da coluna de água; em outros casos, isso pode ser difícil.

Questões

  • Existe algo nessa abordagem que é fundamentalmente falho?
  • As mudanças de temperatura (principalmente no tanque, não muito no poço) farão alguma diferença real aqui?
  • Além do volume de ar necessário para diferentes diâmetros de tubulação, uma bomba precisará trabalhar mais para obter uma determinada pressão se usarmos um tubo de descarga maior ou menor?

Atualize para responder a perguntas:

O usuário nulo perguntou se havia redundância desnecessária no sistema; não seria suficiente apenas a profundidade do tanque? Na verdade não. Cada uma das medidas nos fornece algumas informações que as outras não. Embora exista alguma sobreposição no que está sendo medido, vejo isso como uma oportunidade para uma verificação de sanidade do sistema.

Por exemplo, se o fluxo medido a partir do poço não tiver uma correlação bastante próxima (deslocada no tempo por causa do tanque) com os fluxos combinados para a casa e o sistema de irrigação, então algo está errado.

A combinação do gráfico de fluxo do poço com o gráfico da profundidade da água do poço pode fornecer informações críticas sobre a taxa de recarga do poço . Se a recarga estiver caindo, teremos alguns problemas sérios vindo em nossa direção.

Finalmente, se a profundidade da água do poço está caindo e não estamos usando tanta água , isso pode significar que um de nossos vizinhos, digamos o vinhedo de 300 acres a cerca de meia milha acima da colina, está bombeando demais. Infelizmente, a Califórnia é o único estado sem regulamentação das águas subterrâneas, por isso não podemos detê-las, apenas prepare-se para pedir uma carga de 3.500 galões de água por US $ 175 por pop.

civil-engineering fluid-mechanics sensors pumps water-resources Peter Rowell
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Relacionado: Posso usar um sensor de ultrassom para medir o nível da água? e Como posso medir a espessura de uma camada de sedimentação em um tanque fechado?
Chris Mueller
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Obrigado pelo comentário, mas ambos os métodos quebram um de nossos critérios, nada de metal / elétrico no tanque ou no poço, e o custo de um localizador de profundidade quebraria nosso orçamento. Parte da razão para nada no tanque / poço é que os poços rasos (como o nosso) geralmente são bastante ácidos. Nosso poço é de aprox. pH 5,6, que pode comer através do metal, por exemplo, tubos de cobre em casa. O fato de termos baixos sólidos dissolvidos torna nossa água ainda mais "agressiva" contra os metais do que o pH 5,6 indicaria.
Peter Rowell
Você realmente precisa da redundância de sensores de fluxo no tubo e sensor de profundidade no tanque? Se você está sentindo mais água no tanque, isso não seria suficiente?
null
Resposta curta: não, não é. Eu adicionei a resposta mais longa ao final da minha pergunta.
Peter Rowell
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A ideia da medição diferencial é sólida, mas a bomba / compressor de ar é o seu ponto fraco. Barato ou confiável, escolha um. Se funcionar constantemente, ele morrerá em alguns meses. Se for ligado apenas quando necessário, você precisará de um circuito de relé e ainda um ano ou dois de vida é otimista, a menos que gaste bons US $ 300 em equipamentos industriais. Se você deseja que isso permaneça robusto, você deve perder as peças móveis.
SF.

Respostas:

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Uma alternativa poderia ser um chip barométrico fechado em um recipiente à prova d'água com uma membrana, pesado para descansar no fundo.

Um circuito barométrico para o Arduino está disponível na Adafruit por menos de US $ 10. Se você optar pelo chip independente, poderá reduzir ainda mais o preço. Ele se comunica pelo I2C, para que você também possa anexá-lo ao BeagleBone. Sua pior dor de cabeça agora é um invólucro totalmente à prova d'água, mas que não isola o interior das mudanças de pressão - algum tipo de membrana flexível seria necessária.

A precisão seria afetada pelo clima (pressão do ar) com cerca de +/- 0,5 m de imprecisão, embora possa ser anulada por um segundo barômetro na superfície, medindo a pressão do ar.

Como normalmente, o dispositivo precisaria ser calibrado em software, individualmente, submergindo-o em duas profundidades conhecidas e registrando as leituras como pontos fixos, permitindo extrapolar a partir daí.

SF.
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A calibração é uma necessidade em todas as nossas abordagens até agora. Consideramos o seu "sensor na parte inferior do poço" desde o início, mas a parte "impermeabilização que transmite a pressão com precisão" nos surpreendeu. Uma alternativa era usar uma bexiga (talvez ligeiramente pressurizada) na parte inferior do poço, que se conecta por tubulação ao sensor diferencial na parte superior. As preocupações eram perda de pressão na bexiga e obstrução de "material" na carcaça do poço - não é um lugar fácil de se chegar se houver problemas.
Peter Rowell
@ PeterRowell: Com a calibração, a transmissão da pressão não precisa ser precisa, apenas "um pouco proporcional". Acredito que uma caixa de plástico selada seria suficiente. Uma abordagem mais barata e fácil é um tubo com um ímã flutuante e contactrons amarrados ao exterior.
SF.
Marquei isso como aceito. Não é exatamente o que vamos fazer (pelo menos acho que não), mas está próximo. Além disso, seu conselho sobre bombas de ar baratas foi enfatizado em espadas pelo meu velho, que possui sistemas que precisam manter 6psi 24/7 por 5 a 10 anos por vez.
Peter Rowell 23/05
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Medir a água em canais abertos é um elemento básico da conservação da água. Com a crescente demanda por técnicas aprimoradas de gerenciamento de água, existe uma séria necessidade de dispositivos de medição de água precisos e de baixo custo, como medidores de vazão e sensores de nível de líquido.

Desde o desenvolvimento do canal Parshall, foram feitas tentativas para simplificar a construção e melhorar a precisão dos dispositivos de medição de água em canais abertos.

A calha circular é um dispositivo apropriado para medir o fluxo através dos sulcos, porque sua forma circular se ajusta à forma natural de um sulco, reduzindo a possibilidade de fluxo lateral ao redor da calha. O dispositivo também foi utilizado com sucesso em canais revestidos e não revestidos.

Os altos custos impediram o uso de calhas de medição de água pelos produtores. No entanto, recentemente foi desenvolvido um prático dispositivo de medição de água que pode ser usado pelos produtores a baixo custo: o canal circular.

Esta é apenas a minha informação bruta que compartilhei com você. Além disso, você também pode estudar sobre ela

Kyla peter
fonte
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Dependendo da precisão e da pureza sustentada da água (não precisa ser particularmente pura ou suja, apenas mantenha o mesmo nível de pureza), um sistema muito barato seria dois fios expostos à água (por exemplo, um fio duplo com isolamento despido em um lado), imerso no poço / recipiente.

Tudo que você precisa é medir a resistência entre os dois fios; aplique tensão fixa através de um resistor, meça a queda de tensão entre os fios.

esquemático

A água, permitindo o fluxo de corrente entre os fios a uma distância variada, cria uma resistência variada, dependendo da distância em que estão imersos. Calibre o sistema fazendo medições para profundidades específicas. Tanto o Arduino quanto o BeagleBone possuem ADC a bordo, e os componentes (além das placas) ficarão abaixo de US $ 3. Isso irá falhar, porém, se a pureza da água mudar, pois a mudança na resistência da água impedirá totalmente as leituras finas das resistências dos fios.

Isso pode ser contornado com um circuito semelhante a este, mas mantendo os fios isolados (incluindo as pontas imersas; um pouco de cola quente, talvez?) E a uma distância maior uns dos outros (por exemplo, um fio de fio duplo da Ladder Line ) - mas neste caso, você precisa de um circuito um pouco mais complexo - um gerador de frequência LC com os dois fios atuando como capacitor. O nível da água atuará como dielétrico, alterando a capacitância da linha, e você precisará medir as alterações de frequência no software. Ainda assim, a placa de circuito não deve ultrapassar US $ 15.

SF.
fonte
Isso pode ser interessante para o tanque, tenho menos certeza sobre o poço. Como eu disse em outro comentário, grande parte da água do poço por aqui é de pH moderadamente baixo; portanto, qualquer coisa menos que aço inoxidável de qualidade terá uma vida útil reduzida. O ambiente do tanque é geralmente estável, embora possa mudar drasticamente se o poço começar a assorear e a bomba estiver fornecendo água cada vez mais turva. Quase não temos ferro, mas alguns de nossos vizinhos têm muito. Além disso, temos um borbulhador de ozônio no poço, que pode degradar o cobre. Pensamentos?
22815 Peter Rowell
@ PeterRowell: Em seguida, escolha a solução capacitiva; a composição da água precisaria mudar drasticamente para afetá-la de qualquer maneira perceptível, além de ser totalmente imune a preocupações ambientais (sem contato com a água). É um pouco mais envolvido eletronicamente e um grande desafio em software (definitivamente um trabalho do Arduino, não para um ambiente de sistema operacional que teria problemas em amostrar a entrada em vários kHz), mas os componentes eletrônicos necessários não seriam muito caros (~ 30USD se fabricado em quantidades unitárias, muito menos se fabricado a granel, sendo o PCB uma grande parte do custo).
SF.
@ PeterRowell Funcionaria pior em ambientes poluídos por EM (perto de grandes antenas, etc.), mas em áreas rurais, tudo bem.
SF.
OK, isso é mais interessante. Não sou casada com o BBB, principalmente se o uso de um Arduino nos afastar de um grande problema. Eu me pergunto sobre o EMI da própria bomba. Temos um submersível de 1/2 HP cabeado para 230 @ 30, mas alguns vizinhos com poços mais profundos têm muito mais HP na parte inferior do revestimento. Esta é uma preocupação razoável? (Lembre-se, eu não sou um EE.)
Peter Rowell
@ PeterRowell: Provavelmente não, o caso seria diferente se o sensor fosse uma bobina, mas a bomba deveria, na pior das hipóteses, introduzir um deslocamento constante quando ligado, ou algum ruído que você precisaria filtrar no software.
SF.
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Eu acho que seu objetivo real é medir o volume de água no tanque.

Pelo menos para o tanque, você pode aplicar extensômetros na base do tanque. Mais água no tanque significa mais peso, o que, por sua vez, significa uma quantidade diferente de tensão. O relacionamento exato depende da base e de como você aplica o medidor.

A vantagem é que você não precisa colocar nada dentro do tanque. As desvantagens são que isso não funcionará para o poço.

nulo
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Não entendo como os extensômetros seriam aplicados ao tanque, por isso não tenho certeza de como isso simplifica o problema. Eu também estaria preocupado com a exposição aos elementos, algo que não é um problema com o tubo do tanque entrando na casa do poço. Além disso, dado que sabemos exatamente o tamanho do tanque, saber a profundidade se converte diretamente em volume.
Peter Rowell
@ PeterRowell Da mesma forma que a massa converte diretamente em volume. A massa adicional da água faz com que a base se deforme. Os extensômetros medem isso. Como uma balança. O que sugeri ajuda a manter tudo fora da água, que você descreveu como "agressivo". Não sei se o uso de um tubo de plástico / borracha ao sol da Califórnia por um longo período de tempo é um "problema". Não sei como o sistema pressurizado aguentará a pressão ao longo do tempo, o que significa fazer a manutenção regular do sistema para verificar a pressão.
null
Entendo que o peso pode ser convertido em água. Mas, como temos 3.000 galões a 8,3 libras / gal, são mais de 24 mil libras. Temos um bloco de concreto com mais de um metro de espessura embaixo do filhote. Ajude-me a entender as especificidades da aplicação de extensômetros em um tanque já cheio ... porque ninguém em sã consciência vai despejar tanta água durante uma seca. O ataque de UV ao tubo não é um problema. A única tubulação que mostra alguma degradação está acima da linha de água no tanque, onde é exposta ao O3 concentrado. Lá usamos o Norprene.
Peter Rowell
@ PeterRowell: Novamente, você não precisa despejar toda a água. Com strain gages, você precisará de uma função de extrapolação mais flexível do que linear, mas acredito que a aproximação quadrática seria suficiente. Meça a tensão para três níveis de água conhecidos, extrapole "cheio" e "vazio" a partir daí.
SF.
OK, eu sou densa. "Meça a tensão para três níveis de água conhecidos" Como faço isso? O tanque é feito de plástico muito grosso e a diferença entre ter água / não ter água é muito pequena.
Peter Rowell
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RE: para o seu poço:

Em geotecnologia, os piezômetros medem a profundidade da água no monitoramento de poços.

Aqui está um sensor profissional: https://www.geokon.com/4500-Series

Aqui estão possíveis discussões de bricolage:

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

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

DavidJ
fonte
Obrigado pelos links. Não vejo nenhum preço na maioria das coisas (escrevi para algumas delas), portanto não sei se esses dispositivos estão dentro do orçamento.
Peter Rowell