Kostengünstige, mäßig genaue Wassertiefenmessung

tl; dr: Nach einem ausgiebigen Gespräch mit einem Oldtimer habe ich ein paar Dinge realisiert:

1. Die wertvollste Einzelmessung für die Mehrheit der Menschen wird die Wassertiefe sein.
2. Das zweitwichtigste ist der Wasserfluss aus dem Brunnen.
3. Die nachstehend diskutierte "Bubbler" -Lösung weist eine weitere große Schwäche auf (zusätzlich zu der Schwäche von Luftpumpen): Das Einbringen von Sauerstoff in das Brunnenwasser führt zur Oxidbildung, was nicht nur zu einer Verkrustung der Öffnung des Schlauchs, sondern auch zu dessen Ausdehnung führt den ganzen Weg nach innen, wo immer sein normales Niveau sein würde. Er weiß es, weil er sich mit etwas fast genau Analogem auseinandersetzen musste und es eine große Hürde war. Größere Schläuche verlangsamen den Prozess, verstopfen jedoch möglicherweise die Schläuche.
4. Wir prüfen die Lösung, die einen Blase-in-Tank mit Differenzdrucksensor verwendet, erneut. Er hatte konkrete Vorstellungen, wie man das machen könnte (aber es gibt noch einige Details, mit denen man sich befassen muss).
5. Oh, und er hat das Panzerproblem in ungefähr 10 Sekunden gelöst. Stecken Sie einen Drucksensor in die Leitung vom Tank zur Druckpumpe. Ignorieren Sie die Spannungsspitzen, die auftreten, wenn die Pumpe anspringt, und wir haben genau den gewünschten Druckwert mit billigen, gut verständlichen Sensoren. Meine Güte! Es war so offensichtlich, als er es sagte, dass ich mich fast selbst getreten hätte.

Ich danke Ihnen allen für Ihre Ideen und Ihre Analyse. Wenn jemand daran interessiert ist, wie sich das Projekt entwickelt, sollte er waterunderground.net im Auge behalten . Es ist im Moment ziemlich leer, sollte aber in ungefähr einem Monat mehr Inhalt haben.

Hintergrundgeschichte

Ich entwerfe ein Open-Source-System zur Überwachung des Brunnen- und Wasserverbrauchs für Menschen in Nordkalifornien. Ziel ist es, den Wasserfluss von Brunnen zu Tank, von Tank zu Haus und von Tank zu Bewässerung zu messen sowie die Wassertiefe im Tank und im Brunnen zu überwachen. Unsere derzeitigen Kosten für Teile liegen unter 200 USD für ein System mit CPU, 3 Durchflusssensoren und 2 Drucksensoren, obwohl wir glauben, dass wir es nach ein paar Konstruktionsiterationen näher an 100 USD bringen können .

Wir scheinen den Durchflusssensorteil gelöst zu haben, jetzt, da wir endlich einen Lieferanten für G1 => US 1 "-Schlupfadapter haben, um billige Hall-Effekt-Sensoren in eine Standard-US-Rohrleitungsumgebung zu integrieren. Die Tiefenmesslösung ist nicht so einfach.

Ich bitte um eine Überprüfung meiner Argumentation, bevor ich anfange, Dinge zu kaufen, die entweder in Größe, Typ oder insgesamt falsch sind.

Problemstellung

Ich brauche eine kostengünstige Methode, um die Tiefe von 2 Wassersäulen mit mäßig guter Genauigkeit zu messen, z. B. +/- 5%. Obwohl es sich bei unserem Eigentum um Standort Alpha 1 handelt, möchten wir eine Lösung, die für andere Objekte mit ähnlichen Anforderungen nach oben oder unten skaliert werden kann.

Wir haben:

1. Ein 3.000 Gallonen Lagertank, der ca. ist. 8,5 'Wasser, wenn voll. Andere Tanks haben eine ähnliche Höhe von +/- 5 Fuß.
2. Ein Wasserbrunnen. Unser eigener Brunnen ist 75 'tief mit 37' Wasser. Andere Brunnen in der Gegend sind so flach wie 30 'w / 15' Wasser oder so tief wie 300 'w / 70+' Wasser.

Wir haben folgende Kriterien:

1. Nicht mehr als 30 USD für den Tank und (hoffentlich) nicht mehr als 50 USD für den Brunnen. Niedrigere Kosten wären großartig.
2. Die Lösung muss in irgendeiner Weise (Handwelle) mit einem Arduino, BeagleBone Black oder einem ähnlichen kostengünstigen Controller integriert werden.
3. Ein kontinuierliches Auslesen ist wünschenswert, aber etwas, das alle 15, 30 oder <was auch immer> Minuten ausgelöst wird, wäre akzeptabel.
4. Keine Elektronik / Elektrik im Brunnen oder Tank.
5. Kein Metall im Brunnen oder im Tank, mit der möglichen Ausnahme von Material, das zum Beschweren der ins Wasser geführten Schläuche verwendet wird.
6. Die Lösung sollte für Brunnen von 35 'tief mit 15' Wasser bis zu 300 'tief mit 60 +' Wasser einigermaßen gut funktionieren (kein Wortspiel vorgesehen).

Unter mehreren bisher in Betracht gezogenen Lösungen ist unser derzeitiger Spitzenreiter ein "Bubbler", wie in diesem Artikel beschrieben :

Ein Füllstandssensor vom Bubbler-Typ ist in 3 gezeigt. Ein Tauchrohr, dessen offenes Ende sich in der Nähe des Behälterbodens befindet, führt ein Spülgas (typischerweise Luft), obwohl ein Inertgas wie trockener Stickstoff verwendet werden kann, wenn die Gefahr einer Kontamination von oder besteht eine oxidative Reaktion mit der Prozessflüssigkeit) in den Tank. Wenn Gas zum Auslass des Tauchrohrs hinunterströmt, steigt der Druck im Rohr an, bis er den hydrostatischen Druck übersteigt, der durch den Flüssigkeitsstand am Auslass erzeugt wird. Dieser Druck entspricht der Dichte des Prozessmediums multipliziert mit seiner Tiefe vom Ende des Tauchrohrs bis zur Oberfläche und wird von einem Druckwandler überwacht, der mit dem Rohr verbunden ist.

Wir planen die Verwendung von:

1. Ein 1/4 "bis 3/8" Rohr mit offenem Ende, beschwert (oder noch besser, mit einem Reißverschluss am oberen Rohr des Bohrlochs verbunden), um ein kurzes Stück über dem Boden zu hängen (wir können näher an den Tank herangehen, aber an die Bohrlöcher neigen dazu, sich zu verschlammen, so dass es innerhalb von ein paar Metern liegt). Das kleine Unterrohr ist ein starkes Argument für diesen Ansatz, da fast nichts in den Brunnen selbst fließt.
2. Eine (billige) Luftdruckquelle, die ausreicht (300+ kPa), um das gesamte Wasser aus dem Rohr im Brunnen zu blasen. Sobald der Wert von den Sensorplateaus abweicht, bedeutet dies, dass wir Blasen blasen und den Druck in Fuß Wasser umwandeln können.
3. Oben schlagen wir das Rohr in einen Differenzdrucksensor wie den Freescale MPX5500DP , der bis zu 500 kPa verarbeiten kann. 160 'Wasser. Sie haben eine etwas genauere (die 5100-Serie) für kürzere Säulen, wie im Tank. Wir haben den Differentialsensor ausgewählt, um den atmosphärischen Druck zu variieren.
4. Die Einzelheiten des Arduino zum Ein- und Ausschalten der Luftpumpe wurden noch nicht festgelegt, aber ich glaube, es wird unkompliziert, sobald wir wissen, welche Art / Größe von Pumpe wir steuern möchten.

Hinweis: Obwohl wir den Messwert vom Tanksensor leicht kalibrieren können, ist der Brunnen möglicherweise problematischer. In unserem Fall haben wir die Möglichkeit, mithilfe einer Stichleitung die Bohrlochtiefe und die Wassersäulenhöhe direkt zu messen. In anderen Fällen kann dies schwierig sein.

Fragen

• Gibt es irgendetwas an diesem Ansatz, das grundlegend fehlerhaft ist?
• Werden Temperaturänderungen (hauptsächlich im Tank, weniger im Brunnen) hier einen wirklichen Unterschied bewirken?
• Muss eine Pumpe, abgesehen von der Luftmenge, die für verschiedene Schlauchdurchmesser benötigt wird, härter arbeiten, um einen bestimmten Druck zu erreichen, wenn wir ein größeres oder kleineres Unterrohr verwenden?

Aktualisieren, um Fragen zu beantworten:

Der Benutzer null hat gefragt, ob im System unnötige Redundanz vorhanden ist. würde nicht gerade die tiefe im tank ausreichen? Nicht wirklich. Jede der Messungen gibt uns einige Informationen, die andere nicht. Obwohl es einige Überschneidungen bei den gemessenen Werten gibt, sehe ich dies als Gelegenheit für eine Überprüfung der Gesundheit des Systems.

Wenn zum Beispiel der gemessene Fluss aus dem Brunnen keine ziemlich enge Korrelation (zeitlich verschoben aufgrund des Tanks) mit den kombinierten Flüssen zum Haus- und Bewässerungssystem aufweist, ist etwas nicht in Ordnung.

Die Kombination der Fluss-aus-Brunnen-Tabelle mit der Brunnenwassertiefen-Tabelle kann wichtige Informationen über die Wiederaufladungsrate des Brunnens liefern . Wenn der Ladevorgang unterbrochen wird, treten ernsthafte Probleme auf uns zu.

Wenn unsere Brunnenwassertiefe sinkt und wir nicht mehr so ​​viel Wasser verbrauchen, könnte es schließlich bedeuten, dass einer unserer Nachbarn, etwa der 300-Morgen-Weinberg etwa eine halbe Meile den Hügel hinauf, überfüllt ist. Leider ist Kalifornien der einzige Staat, in dem es keine Regelung für unterirdisches Wasser gibt. Deshalb können wir sie nicht aufhalten. Bereiten Sie sich nur darauf vor, eine Ladung Wasser für 175 US-Dollar pro Einwohner zu bestellen.

Eine Alternative könnte ein barometrischer Chip sein, der in einem wasserdichten Behälter mit einer Membran eingeschlossen ist, die so beschwert ist, dass sie am Boden ruht.

Eine Barometerschaltung für Arduino ist bei Adafruit für unter 10 US-Dollar erhältlich. Wenn Sie sich für einen Standalone-Chip entscheiden, können Sie den Preis noch weiter senken. Es kommuniziert über I2C, sodass Sie es auch an BeagleBone anschließen können. Ihre schlimmsten Kopfschmerzen sind jetzt ein Gehäuse, das vollständig wasserdicht ist, aber das Innere nicht vor Druckänderungen isoliert - eine Art flexible Membran wäre erforderlich.

Die Genauigkeit würde durch das Wetter (Luftdruck) mit einer Ungenauigkeit von ca. +/- 0,5 m etwas beeinträchtigt, obwohl sie durch ein zweites Barometer auf der Oberfläche, das den Luftdruck misst, aufgehoben werden könnte.

Wie gewöhnlich müsste das Gerät in der Software einzeln kalibriert werden, indem es in zwei bekannte Tiefen eingetaucht und die Messwerte als feste Punkte aufgezeichnet und von dort extrapoliert werden.

Die Messung von Wasser in offenen Kanälen ist ein grundlegendes Element des Wasserschutzes. Angesichts der zunehmenden Nachfrage nach verbesserten Wassermanagementtechniken besteht ein ernsthafter Bedarf an kostengünstigen und genauen Wassermessgeräten wie Durchflussmessern und Flüssigkeitsstandsensoren.

Seit der Entwicklung der Parshall-Rinne wurde versucht, die Konstruktion zu vereinfachen und die Genauigkeit von Wassermessgeräten in offenen Kanälen zu verbessern.

Die kreisförmige Rinne ist ein geeignetes Gerät zur Messung der Strömung durch Rinnen, da ihre kreisförmige Form der natürlichen Form einer Rinne entspricht und die Möglichkeit einer seitlichen Strömung um die Rinne verringert wird. Das Gerät wurde auch erfolgreich in ausgekleideten und nicht ausgekleideten Kanälen eingesetzt.

Hohe Kosten haben die Verwendung von Wassermessrinnen durch Züchter verhindert. In jüngster Zeit wurde jedoch ein praktisches Wassermessgerät entwickelt, das von Landwirten zu geringen Kosten verwendet werden kann: die kreisförmige Rinne.

Dies sind nur meine Rohdaten, die ich Ihnen zur Verfügung gestellt habe. Sie können sie auch studieren

Abhängig von der Genauigkeit und anhaltenden Reinheit des Wassers (es muss nicht besonders rein oder schmutzig sein, halten Sie einfach den gleichen Reinheitsgrad ein), besteht ein sehr billiges System aus zwei Drähten, die Wasser ausgesetzt sind (z. B. einem doppelten Draht mit Abisolierung an einem Seite), in den Schacht / Behälter eingetaucht.

Sie müssen lediglich den Widerstand zwischen den beiden Drähten messen. Legen Sie eine feste Spannung über einen Widerstand an und messen Sie den Spannungsabfall zwischen den Drähten.

Das Wasser, das den Stromfluss zwischen den Drähten in unterschiedlichem Abstand zulässt, bewirkt, dass sie je nach Eintauchbereich unterschiedliche Widerstände erzeugen. Kalibrieren Sie das System, indem Sie Messungen für bestimmte Tiefen durchführen. Sowohl Arduino als auch BeagleBone haben ADC an Bord und die Komponenten (außer den Boards) werden unter 3 USD liegen. Dies schlägt jedoch fehl, wenn sich die Wasserreinheit ändert, da die Änderung der Wasserbeständigkeit die Feinanzeige der Drahtwiderstände völlig vereitelt.

Dies kann mit einem ähnlichen Stromkreis umgangen werden, wobei jedoch die Drähte isoliert (einschließlich der eingetauchten Spitzen; möglicherweise etwas Heißkleber?) Und in größerem Abstand voneinander (z. B. ein Leiter -Doppelader-Draht) bleiben - aber In diesem Fall benötigen Sie eine etwas komplexere Schaltung - einen LC-Frequenzgenerator, bei dem die beiden Drähte als Kondensator fungieren. Der Wasserstand wirkt als Dielektrikum und ändert die Kapazität der Leitung. Sie müssen die Frequenzänderungen in der Software messen. Trotzdem sollte die Platine nicht mehr als 15 US-Dollar kosten.

Ich denke, Ihr eigentliches Ziel ist es, das Wasservolumen im Tank zu messen.

Zumindest für den Tank können Sie Dehnungsmessstreifen am Tankboden anbringen. Mehr Wasser im Tank bedeutet mehr Gewicht, was wiederum eine andere Belastung bedeutet. Die genaue Beziehung hängt von der Basis ab und davon, wie Sie das Messgerät anwenden.

Der Vorteil ist, dass Sie nichts in den Tank legen müssen. Die Nachteile sind, dass dies für den Brunnen nicht funktioniert.