Medição de profundidade de água moderadamente precisa e de baixo custo

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.

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.

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

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.

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.

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.

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/