Pengukuran kedalaman air dengan biaya rendah dan cukup akurat

10

tl; dr: Setelah percakapan panjang dengan orang tua, saya menyadari beberapa hal:

  1. Pengukuran tunggal paling berharga bagi sebagian besar orang adalah kedalaman air.
  2. Yang paling berharga kedua adalah aliran air dari sumur.
  3. Solusi "bubbler" yang dibahas di bawah ini memiliki kelemahan utama lainnya (selain kelemahan pompa udara): pemasukan oksigen ke dalam air sumur akan menyebabkan pembentukan oksida, yang mengarah pada mineral encrustation tidak hanya pada pembukaan tubing, tetapi memperluas semua jalan di dalam ke mana pun tingkat normalnya. Dia tahu karena dia harus berurusan dengan sesuatu yang hampir persis analog dan itu merupakan rintangan besar. Tubing ukuran yang lebih besar akan memperlambat proses, tetapi akhirnya tubing akan terhalang.
  4. Kami sedang menguji kembali solusi yang menggunakan bladder-in-tank dengan sensor tekanan diferensial. Dia punya ide spesifik tentang bagaimana melakukan ini yang terdengar bisa dilakukan (tetapi masih ada beberapa detail yang harus ditangani).
  5. Oh, dan dia memecahkan masalah tangki sekitar 10 detik. Pasang sensor tekanan pada pipa dari tangki ke pompa tekanan. Abaikan lonjakan yang terjadi ketika pompa menendang, dan kami memiliki pembacaan tekanan yang kami inginkan dengan sensor yang murah dan dipahami dengan baik. Sheesh! Itu sangat jelas begitu dia mengatakannya, aku hampir menendang diriku sendiri.

Saya berterima kasih kepada Anda semua atas ide dan analisis Anda. Jika ada orang yang tertarik melihat bagaimana proyek ini berkembang, awasi waterunderground.net . Ini cukup kosong saat ini, tetapi seharusnya memiliki lebih banyak konten dalam sebulan atau lebih.

Backstory

Saya merancang sistem pemantauan penggunaan air sumur & sumber terbuka untuk orang-orang di California Utara. Tujuannya adalah untuk dapat mengukur aliran air dari sumur ke tangki, tangki ke rumah, dan tangki ke irigasi, ditambah memantau kedalaman air di dalam tangki dan sumur. Biaya suku cadang target kami saat ini adalah di bawah $ 200 untuk suatu sistem termasuk CPU, 3 sensor aliran, dan 2 sensor tekanan, meskipun kami pikir kami mungkin bisa membuatnya lebih dekat hingga $ 100 setelah beberapa iterasi desain.

Kami tampaknya memiliki bagian sensor aliran diselesaikan sekarang bahwa kami akhirnya memiliki pemasok Female G1 => US 1 "slip adapter untuk mengintegrasikan sensor efek Hall murah ke lingkungan perpipaan AS standar. Solusi pengukuran kedalaman tidak begitu mudah.

Saya meminta cek kewarasan tentang alasan saya di sini sebelum saya pergi dan mulai membeli barang yang salah, baik dalam ukuran, jenis, atau sama sekali.

Pernyataan masalah

Saya membutuhkan cara murah untuk mengukur kedalaman 2 kolom air dengan akurasi yang cukup baik, misalnya +/- 5%. Meskipun properti kami sendiri adalah situs Alpha 1, kami menginginkan solusi yang meningkatkan, atau menurunkan, untuk properti lain dengan kebutuhan serupa.

Kita punya:

  1. Tangki penyimpanan 3.000 gal yang merupakan perkiraan. 8.5 'air saat penuh. Tank lainnya memiliki ketinggian yang sama +/- 5 '.
  2. Sumur air. Sumur kita sendiri adalah 75 'dalam w / 37' air. Sumur-sumur lain di daerah itu adalah sedalam 30 'w / 15' air, atau sedalam 300 'w / 70+' air.

Kami memiliki kriteria berikut:

  1. Tidak lebih dari $ 30 untuk tangki dan (semoga) tidak lebih dari $ 50 untuk sumur. Biaya yang lebih rendah akan lebih baik.
  2. Solusi harus berintegrasi dalam beberapa cara (gelombang tangan) dengan Arduino, BeagleBone Black, atau pengontrol berbiaya rendah serupa.
  3. Pembacaan berkelanjutan diinginkan, tetapi sesuatu yang memicu setiap 15, 30, atau <wh Apapun> menit akan diterima.
  4. Tidak ada sistem elektronik / listrik di dalam sumur atau tangki.
  5. Tidak ada logam di sumur atau tangki, dengan kemungkinan pengecualian dari bahan yang digunakan untuk menimbang tabung yang masuk ke dalam air.
  6. Solusinya harus bekerja dengan cukup baik (tidak ada kata pun dimaksudkan) untuk sumur dari 35 'w / 15' air, hingga sumur 300 'w / 60 + air.

Di antara beberapa solusi yang dipertimbangkan sejauh ini, pelari terdepan kami saat ini adalah "bubbler", seperti yang dijelaskan dalam artikel ini :

Sensor level tipe bubbler ditunjukkan pada Gambar 3. Sebuah tabung celup yang ujungnya terbuka dekat dasar kapal membawa gas pembersih (biasanya udara, meskipun gas lembam seperti nitrogen kering dapat digunakan ketika ada bahaya kontaminasi atau reaksi oksidatif dengan cairan proses) ke dalam tangki. Ketika gas mengalir ke outlet tabung celup, tekanan dalam tabung naik hingga mengatasi tekanan hidrostatik yang dihasilkan oleh tingkat cairan di saluran keluar. Tekanan itu sama dengan densitas fluida proses dikalikan dengan kedalamannya dari ujung tabung celup ke permukaan dan dimonitor oleh transduser tekanan yang terhubung ke tabung.

Kami berencana menggunakan:

  1. Tabung terbuka 1/4 "sampai 3/8" berbobot ke bawah (atau lebih baik lagi, diikat ke pipa sumur) untuk menggantungkan jarak pendek di atas bagian bawah (kita bisa lebih dekat di dalam tangki, tetapi sumur cenderung lanau sehingga akan berada dalam beberapa kaki). Down-tube kecil adalah titik kuat yang mendukung pendekatan ini karena hampir tidak ada yang masuk ke sumur itu sendiri.
  2. Beberapa sumber tekanan udara (murah) cukup (300+ kPa) untuk meniup semua air keluar dari tabung di dalam sumur. Setelah nilai dari sensor dataran tinggi itu berarti kita meniup gelembung dan kita dapat mengubah tekanan menjadi kaki air.
  3. Di atas kami menempatkan tabung ke sensor tekanan diferensial, seperti MPX5500DP Freescale , yang dapat menangani hingga 500 kPa, yang diterjemahkan menjadi sekitar. 160 'air. Mereka memiliki yang sedikit lebih akurat (seri 5100) untuk kolom yang lebih pendek, seperti di tangki. Kami memilih sensor diferensial untuk memungkinkan berbagai tekanan atmosfer.
  4. Spesifikasi dari Arduino yang menghidupkan / mematikan pompa udara belum diputuskan, tetapi saya percaya itu akan langsung setelah kita tahu apa jenis / ukuran pompa yang kita coba kendalikan.

Catatan: meskipun kita dapat dengan mudah mengkalibrasi pembacaan dari sensor tangki, sumur mungkin lebih bermasalah. Dalam kasus kami sendiri, kami memiliki cara untuk menggunakan drop-line untuk secara langsung mengukur kedalaman sumur dan tinggi kolom air, dalam kasus lain ini mungkin sulit.

Pertanyaan

  • Apakah ada sesuatu tentang pendekatan ini yang secara fundamental cacat?
  • Apakah perubahan suhu (terutama di tangki, tidak terlalu banyak di sumur) akan membuat perbedaan nyata di sini?
  • Selain volume udara yang dibutuhkan untuk diameter tabung yang berbeda, apakah pompa harus bekerja lebih keras untuk mencapai tekanan tertentu jika kita menggunakan tabung bawah yang lebih besar atau lebih kecil?

Perbarui untuk menjawab pertanyaan:

Pengguna null bertanya apakah ada redundansi yang tidak perlu dalam sistem; bukankah kedalaman di tangki saja sudah cukup? Tidak juga. Masing-masing pengukuran memberi kita beberapa informasi yang lainnya tidak. Meskipun ada beberapa tumpang tindih dalam apa yang diukur, saya melihat itu sebagai kesempatan untuk pemeriksaan kewarasan pada sistem.

Misalnya, jika aliran yang diukur dari sumur tidak memiliki korelasi yang cukup dekat (bergeser pada waktunya karena tangki) dengan aliran gabungan ke rumah dan sistem irigasi, maka ada sesuatu yang rusak.

Menggabungkan diagram aliran-dari-sumur dengan grafik kedalaman air dapat memberikan informasi penting tentang laju pengisian ulang sumur . Jika pengisian ulang menurun, maka kami memiliki masalah serius yang menghampiri kami.

Akhirnya, jika kedalaman air sumur kita turun dan kita tidak menggunakan air sebanyak itu maka itu bisa berarti bahwa salah satu tetangga kita, katakanlah kebun anggur seluas 300 acre sekitar 1/2 mil di atas bukit, terlalu memompa. Sayangnya, California adalah satu-satunya negara bagian tanpa peraturan air di bawah tanah, jadi kami tidak dapat menghentikannya, hanya bersiap-siap untuk memesan 3.500 galon air seharga $ 175 per pop.

civil-engineering fluid-mechanics sensors pumps water-resources Peter Rowell
sumber
Terkait: Dapatkah saya menggunakan sensor ultrasonik untuk mengukur ketinggian air? dan Bagaimana saya bisa mengukur ketebalan lapisan sedimentasi di tangki tertutup?
Chris Mueller
2
Terima kasih atas komentarnya, tetapi kedua metode tersebut melanggar salah satu kriteria kami, tidak ada logam / listrik di dalam tangki atau sumur, dan biaya pencari kedalaman akan merusak anggaran kami. Bagian dari alasan tidak ada dalam tangki / sumur adalah bahwa sumur dangkal (seperti milik kita) seringkali cukup asam. Sumur kami kira-kira. pH 5,6, yang bisa dimakan melalui logam, misalnya pipa tembaga di rumah. Fakta bahwa kita memiliki padatan terlarut yang rendah sebenarnya membuat air kita bahkan lebih "agresif" terhadap logam daripada yang ditunjukkan pH 5,6.
Peter Rowell
Apakah Anda benar-benar membutuhkan redundansi sensor aliran di pipa dan sensor kedalaman di tangki? Jika Anda merasakan lebih banyak air di dalam tangki, bukankah itu cukup?
null
Jawaban singkat: tidak, tidak. Saya menambahkan jawaban yang lebih panjang ke akhir pertanyaan saya.
Peter Rowell
1
Gagasan pengukuran diferensial adalah suara, tetapi pompa udara / kompresor adalah titik lemah Anda. Murah atau dapat diandalkan, pilih satu. Jika itu bekerja terus-menerus, itu akan mati dalam beberapa bulan, Jika itu hanya dihidupkan ketika dibutuhkan, Anda memerlukan sirkuit relay dan masih satu atau dua tahun seumur hidup optimis kecuali Anda menghabiskan $ 300 untuk peralatan industri. Jika Anda ingin ini tetap kuat, Anda harus kehilangan bagian yang bergerak.
SF.

Jawaban:

2

Alternatifnya bisa berupa chip barometrik tertutup dalam wadah tahan air dengan membran, ditimbang untuk beristirahat di bagian bawah.

Sebuah sirkuit barometer untuk Arduino tersedia dari Adafruit untuk di bawah $ 10. Jika Anda menggunakan chip mandiri, Anda dapat mengurangi harganya lebih banyak lagi. Ini berkomunikasi melalui I2C, sehingga Anda dapat melampirkannya ke BeagleBone juga. Sakit kepala terburuk Anda sekarang adalah penutup yang sepenuhnya tahan air tetapi tidak mengisolasi bagian dalam dari perubahan tekanan - beberapa jenis membran fleksibel akan diperlukan.

Akurasi akan agak dipengaruhi oleh cuaca (tekanan udara) dengan sekitar +/- 0,5 m ketidaktepatan meskipun mungkin dibatalkan oleh barometer kedua di permukaan, mengukur tekanan udara.

Seperti biasanya, perangkat perlu dikalibrasi dalam perangkat lunak, secara individual, dengan merendamnya ke dua kedalaman yang diketahui dan merekam pembacaan sebagai titik tetap, membiarkannya memperkirakan dari sana.

SF.
sumber
Kalibrasi adalah suatu keharusan dengan semua pendekatan kami sejauh ini. Kami menganggap "sensor Anda di bagian bawah sumur" sejak awal, tetapi bagian "waterproofing yang mentransmisikan tekanan secara akurat" membuat kami bingung. Alternatifnya adalah dengan menggunakan kandung kemih (mungkin sedikit bertekanan) di bagian bawah sumur yang terhubung dengan tabung ke sensor diferensial di bagian atas. Kekhawatiran adalah hilangnya tekanan di kandung kemih, dan kemacetan "barang" di casing sumur - bukan tempat yang mudah untuk mendapatkan jika ada masalah.
Peter Rowell
@PeterRowell: Dengan kalibrasi, transmisi tekanan tidak perlu akurat, hanya "agak proporsional". Saya percaya kotak plastik tertutup akan cukup. Satu lagi pendekatan murah & mudah adalah pipa dengan magnet mengambang dan kontaktor diikat ke luar.
SF.
Saya menandai ini sebagai diterima. Ini tidak persis apa yang akan kita lakukan (setidaknya saya pikir tidak), tapi sudah dekat. Juga, saran Anda tentang pompa udara murah ditekankan dalam sekop oleh Orang Tua saya yang memiliki sistem yang harus mempertahankan 6psi 24/7 selama 5-10 tahun sekaligus.
Peter Rowell
2

Mengukur air di saluran terbuka adalah elemen dasar konservasi air. Dengan meningkatnya permintaan untuk teknik pengelolaan air yang ditingkatkan, ada kebutuhan serius untuk perangkat pengukur air yang murah dan akurat seperti flow meter & sensor Level Cairan.

Sejak pengembangan cerutu Parshall, upaya telah dilakukan untuk menyederhanakan konstruksi dan meningkatkan akurasi perangkat pengukur air di saluran terbuka.

Flume bundar adalah alat yang tepat untuk mengukur aliran melalui alur-alur karena bentuknya yang bundar cocok dengan bentuk alami alur, mengurangi kemungkinan aliran lateral di sekitar flume. Perangkat ini juga telah berhasil digunakan di kanal berjalur dan tidak bergaris.

Biaya tinggi telah mencegah penggunaan cerobong pengukur air oleh petani. Namun, baru-baru ini alat ukur air praktis telah dirancang yang dapat digunakan oleh petani dengan biaya rendah: flume bundar.

Ini hanya informasi mentah saya yang telah saya bagikan kepada Anda, lebih lanjut Anda juga dapat mempelajarinya

Kyla peter
sumber
1

Tergantung akurasi dan berkelanjutan kemurnian air yang (tidak harus murni atau kotor, jaga tingkat kemurnian yang sama), sistem yang sangat murah adalah dua kabel yang terpapar air (mis. Kawat ganda dengan isolasi dilucuti pada satu sisi), direndam dalam sumur / wadah.

Yang Anda butuhkan hanyalah mengukur resistansi antara kedua kabel; menerapkan tegangan tetap melalui resistor, mengukur penurunan tegangan antara kabel.

skema

Air, memungkinkan aliran arus antara kabel pada jarak yang bervariasi membuat mereka menciptakan resistensi bervariasi tergantung pada seberapa jauh mereka tenggelam. Callibrate sistem melakukan pengukuran untuk kedalaman tertentu. Arduino dan BeagleBone memiliki ADC di papan, dan komponen (selain papan) akan di bawah $ 3. Ini akan gagal meskipun jika kemurnian air berubah karena perubahan resistansi air akan benar-benar menggagalkan pembacaan yang baik dari resistansi kawat.

Ini dapat dilewati dengan sirkuit yang serupa dengan yang satu ini, tetapi menjaga kabel tetap terisolasi (termasuk ujung yang direndam; beberapa lem panas mungkin?) Dan dalam jarak yang lebih tinggi satu sama lain (misalnya kawat twin-lead Ladder Line ) - tetapi dalam hal ini Anda memerlukan rangkaian yang lebih kompleks - generator frekuensi LC dengan dua kabel yang bertindak sebagai kapasitor. Permukaan air akan bertindak sebagai dielektrik mengubah kapasitansi saluran, dan Anda perlu mengukur perubahan frekuensi dalam perangkat lunak. Namun, papan sirkuit seharusnya tidak lebih dari $ 15 atau lebih.

SF.
sumber
Ini mungkin menarik untuk tangki, saya kurang yakin tentang sumur. Seperti yang saya katakan di komentar lain, banyak air sumur di sekitar sini adalah pH yang cukup rendah, sehingga apa pun yang kurang dari stainless berkualitas akan memiliki umur yang lebih pendek. Lingkungan tangki umumnya stabil, meskipun dapat berubah secara drastis jika sumur mulai mengendap dan pompa menghasilkan air yang semakin keruh. Kami hampir tidak punya besi, tetapi beberapa tetangga kami punya banyak. Selain itu, kami memiliki bubur ozon di dalam sumur, yang dapat mendegradasi tembaga. Pikiran?
Peter Rowell
@ PeterRowell: Lalu pergi untuk solusi kapasitif; komposisi air perlu diubah secara drastis untuk mempengaruhinya dengan cara apa pun yang nyata ditambah sepenuhnya kebal terhadap masalah lingkungan (tidak ada kontak dengan air). Ini agak lebih terlibat secara elektronik dan sedikit tantangan dalam perangkat lunak (pasti pekerjaan Arduino, bukan untuk lingkungan OS yang akan kesulitan mengambil sampel input pada beberapa kHz), tetapi barang elektronik yang dibutuhkan tidak akan terlalu mahal (~ 30USD jika dibuat dalam jumlah satuan, apalagi jika diproduksi dalam jumlah besar, PCB menjadi bagian terbesar dari biaya).
SF.
@ PeterRowell Ini akan bekerja lebih buruk di lingkungan yang tercemar EM (dekat dengan antena besar dll) tetapi di daerah pedesaan itu akan cukup oke.
SF.
Oke, ini lebih menarik. Saya tidak menikah dengan BBB, terutama jika menggunakan Arduino menjauhkan kita dari masalah besar. Saya bertanya-tanya tentang EMI dari pompa itu sendiri. Kami memiliki kabel submersible 1/2 HP untuk 230 @ 30, tetapi beberapa tetangga dengan sumur yang lebih dalam memiliki lebih banyak HP di bagian bawah casing. Apakah ini kekhawatiran yang wajar? (Ingat, saya bukan EE.)
Peter Rowell
@PeterRowell: Mungkin tidak, kasingnya akan berbeda jika sensornya adalah koil, tetapi pompa paling buruk harus memperkenalkan offset konstan ketika dinyalakan, atau kebisingan yang harus Anda saring dalam perangkat lunak.
SF.
1

Saya pikir tujuan Anda sebenarnya adalah untuk mengukur volume air di dalam tangki.

Setidaknya untuk tangki, Anda bisa menerapkan pengukur regangan ke dasar tangki. Lebih banyak air dalam tangki berarti lebih banyak berat, yang pada gilirannya berarti jumlah regangan yang berbeda. Hubungan yang tepat tergantung pada pangkalan dan bagaimana Anda menerapkan pengukur.

Keuntungannya adalah Anda tidak harus memasukkan apa pun ke dalam tangki. Kerugiannya adalah ini tidak akan bekerja untuk sumur.

batal
sumber
Saya tidak mengerti bagaimana strain gauge akan diterapkan ke tangki, jadi saya tidak yakin bagaimana ini menyederhanakan masalah. Saya juga akan khawatir tentang paparan elemen, sesuatu yang bukan masalah dengan tabung-tabung masuk ke rumah sumur. Juga, mengingat bahwa kita tahu persis seberapa besar tangki itu, mengetahui kedalaman mengkonversi langsung ke volume.
Peter Rowell
@PeterRowell Sama seperti massa langsung dikonversi ke volume. Massa tambahan air menyebabkan dasar berubah bentuk. Pengukur regangan akan mengukurnya. Seperti skala pembobotan. Apa yang saya sarankan membantu Anda menjaga segala sesuatu dari air, yang Anda gambarkan sebagai "agresif". Saya tidak tahu apakah menggunakan tabung plastik / karet di matahari California selama jangka waktu yang lama adalah "tidak ada masalah". Saya tidak tahu seberapa baik sistem bertekanan akan menahan tekanan dari waktu ke waktu, yang berarti secara teratur melayani sistem untuk memeriksa tekanan.
null
Saya mengerti bahwa berat badan dapat dikonversi menjadi air. Tetapi karena kita memiliki 3.000 galon @ 8.3lbs / gal, itu lebih dari 24.000lbs. Kami memiliki bantalan beton yang tebal lebih dari 2 kaki di bawah anak anjing itu. Bantu saya memahami secara spesifik penggunaan alat pengukur tekanan pada tangki yang sudah penuh ... karena tidak ada orang waras yang akan membuang banyak air selama kekeringan. UV yang menyerang tubing bukan masalah. Satu-satunya tabung yang menunjukkan degradasi adalah di atas garis air di tangki di mana ia terpapar O3 pekat. Di sana kami menggunakan Norprene.
Peter Rowell
@ PeterRowell: Sekali lagi, Anda tidak perlu membuang semua air. Dengan pengukur regangan, Anda akan memerlukan fungsi ekstrapolasi yang lebih fleksibel daripada linier, tapi saya percaya pendekatan kuadrat akan berhasil. Ukur regangan untuk tiga level air yang diketahui, perkirakan "penuh" dan "kosong" dari sana.
SF.
Oke, saya padat. "Ukur strain untuk tiga level air yang diketahui" Bagaimana saya melakukan itu? Tangki terbuat dari plastik yang sangat tebal, dan perbedaan antara memiliki-air / tidak memiliki air sangat sedikit.
Peter Rowell
0

RE: untuk sumur Anda:

Dalam geoteknologi, piezometer mengukur kedalaman air dalam memantau lubang bor.

Inilah sensor profesional: https://www.geokon.com/4500-Series

Berikut adalah kemungkinan diskusi 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
sumber
Terima kasih atas tautannya. Saya tidak melihat harga pada sebagian besar barang (saya telah menulis kepada beberapa dari mereka) jadi saya tidak tahu apakah perangkat ini sesuai anggaran.
Peter Rowell