Medición de profundidad de agua moderadamente precisa y de bajo costo

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TL; DR: Después de una larga conversación con un veterano, me di cuenta de algunas cosas:

  1. La medida más valiosa para la mayoría de las personas será la profundidad del agua en el pozo.
  2. El segundo más valioso será el flujo de agua del pozo.
  3. La solución de "burbujeador" que se discute a continuación tiene otra debilidad importante (además de la fragilidad de las bombas de aire): la introducción de oxígeno en el agua del pozo causará la formación de óxido, lo que provocará la incrustación de minerales no solo en la abertura de la tubería, sino que se extenderá todo el camino hacia adentro, donde sea que esté su nivel normal. Lo sabe porque ha tenido que lidiar con algo casi exactamente análogo y fue un obstáculo importante. Los tubos de mayor tamaño retrasarán el proceso, pero eventualmente los tubos se bloquearán.
  4. Estamos reexaminando la solución que utiliza una vejiga en el tanque con sensor de presión diferencial. Tenía ideas específicas sobre cómo hacer esto que suena factible (pero todavía hay algunos detalles que deben abordarse).
  5. Ah, y resolvió el problema del tanque en unos 10 segundos. Coloque un sensor de presión en la tubería desde el tanque a la bomba de presión. Ignore los picos que suceden cuando la bomba arranca, y tenemos exactamente la lectura de presión que queremos con sensores baratos y bien entendidos. Sheesh! Era tan obvio una vez que lo dijo que casi me pateé.

Les agradezco a todos por sus ideas y su análisis. Si alguien está interesado en ver cómo se desarrolla el proyecto, vigile waterunderground.net . Está bastante vacío en este momento, pero debería tener más contenido en aproximadamente un mes.

Trasfondo

Estoy diseñando un sistema de monitoreo de pozo abierto y uso del agua para personas en el norte de California. El objetivo es poder medir el flujo de agua de pozo a tanque, de tanque a casa y de tanque a riego, además de monitorear la profundidad del agua en el tanque y el pozo. Nuestro costo actual de piezas objetivo es inferior a $ 200 para un sistema que incluye CPU, 3 sensores de flujo y 2 sensores de presión, aunque creemos que podríamos acercarlo a $ 100 después de algunas iteraciones de diseño.

Parece que tenemos resuelta la parte del sensor de flujo ahora que finalmente tenemos un proveedor de adaptadores de deslizamiento hembra G1 => US 1 "para integrar sensores de efecto Hall baratos en un entorno estándar de tuberías de EE. UU. La solución de medición de profundidad no es tan sencilla.

Estoy pidiendo un control de cordura en mi razonamiento aquí antes de irme y comenzar a comprar cosas que están mal, ya sea en tamaño, tipo o en conjunto.

Planteamiento del problema

Necesito una forma de bajo costo para medir la profundidad de 2 columnas de agua con una precisión moderadamente decente, digamos +/- 5%. Aunque nuestra propiedad es el sitio Alpha 1, nos gustaría una solución que se amplíe o disminuya para otras propiedades con necesidades similares.

Tenemos:

  1. Un tanque de almacenamiento de 3,000 galones que tiene aprox. 8.5 'de agua cuando está lleno. Otros tanques son de altura similar +/- 5 '.
  2. Un pozo de agua. Nuestro propio pozo tiene 75 'de profundidad con 37' de agua. Otros pozos en el área son tan poco profundos como 30 'w / 15' de agua, o tan profundos como 300 'w / 70+' de agua.

Tenemos los siguientes criterios:

  1. No más de $ 30 por el tanque y (con suerte) no más de $ 50 por el pozo. Los costos más bajos serían geniales.
  2. La solución debe integrarse de alguna manera (handwave) con un Arduino, BeagleBone Black o un controlador similar de bajo costo.
  3. Es deseable una lectura continua, pero sería aceptable algo que se dispare cada 15, 30 o <lo que sea> minutos.
  4. No hay sistemas electrónicos / eléctricos en el pozo o tanque.
  5. No hay metal en el pozo o tanque, con la posible excepción del material utilizado para pesar el tubo que entra al agua.
  6. La solución debería funcionar razonablemente bien (sin juego de palabras) para pozos de 35 'de profundidad con 15' de agua, hasta pozos de 300 'de profundidad con 60 +' de agua.

Entre varias soluciones consideradas hasta ahora, nuestro favorito actual es un "burbujeador", como se describe en este artículo :

En la Figura 3 se muestra un sensor de nivel tipo burbuja. Un tubo de inmersión que tiene su extremo abierto cerca del fondo del recipiente transporta un gas de purga (típicamente aire, aunque puede usarse un gas inerte como el nitrógeno seco cuando existe peligro de contaminación o una reacción oxidativa con el fluido del proceso) en el tanque. A medida que el gas fluye hacia la salida del tubo de inmersión, la presión en el tubo aumenta hasta que supera la presión hidrostática producida por el nivel del líquido en la salida. Esa presión es igual a la densidad del fluido del proceso multiplicada por su profundidad desde el extremo del tubo de inmersión hasta la superficie y es monitoreada por un transductor de presión conectado al tubo.

Estamos planeando usar:

  1. Un tubo de extremo abierto de 1/4 "a 3/8" cargado hacia abajo (o mejor aún, sujeto con cremallera al tubo ascendente del pozo) para colgar una corta distancia por encima del fondo (podemos acercarnos al tanque, pero los pozos tienden a enlodarse de modo que quede a unos pocos pies El pequeño tubo descendente es un punto fuerte a favor de este enfoque porque casi nada entra en el pozo.
  2. Alguna fuente (barata) de presión de aire suficiente (más de 300 kPa) para expulsar toda el agua del tubo en el pozo. Una vez que el valor de las mesetas del sensor significa que estamos soplando burbujas y podemos convertir la presión en pies de agua.
  3. En la parte superior colocamos el tubo en un sensor de presión diferencial, como el Freescale MPX5500DP , que puede manejar hasta 500 kPa, lo que se traduce en aprox. 160 'de agua. Tienen uno un poco más preciso (la serie 5100) para columnas más cortas, como en el tanque. Seleccionamos el sensor diferencial para permitir una presión atmosférica variable.
  4. No se han decidido los detalles del Arduino que enciende / apaga la bomba de aire, pero creo que será sencillo una vez que sepamos qué tipo / tamaño de bomba estamos tratando de controlar.

Nota: aunque podemos calibrar fácilmente la lectura del sensor del tanque, el pozo puede ser más problemático. En nuestro propio caso, tenemos una forma de usar una línea de caída para medir directamente la profundidad del pozo y la altura de la columna de agua, en otros casos esto puede ser difícil.

Preguntas

  • ¿Hay algo en este enfoque que sea fundamentalmente defectuoso?
  • ¿Los cambios de temperatura (principalmente en el tanque, no tanto en el pozo) harán alguna diferencia real aquí?
  • Además del volumen de aire necesario para diferentes diámetros de tubería, ¿tendrá que trabajar más una bomba para lograr una presión dada si usamos un tubo descendente más grande o más pequeño?

Actualización para responder preguntas:

El usuario nulo preguntó si había redundancia innecesaria en el sistema; ¿No sería suficiente la profundidad en el tanque? Realmente no. Cada una de las mediciones nos proporciona información que las demás no. Aunque hay cierta superposición en lo que se está midiendo, lo veo como una oportunidad para un control de cordura en el sistema.

Por ejemplo, si el flujo medido desde el pozo no tiene una correlación bastante estrecha (desplazada en el tiempo debido al tanque) con los flujos combinados hacia la casa y el sistema de riego, entonces algo está fuera de control.

La combinación del gráfico de flujo desde el pozo con el gráfico de profundidad del agua del pozo puede proporcionar información crítica sobre la tasa de recarga del pozo . Si la recarga está disminuyendo, entonces tenemos algunos problemas serios que se nos acercan.

Finalmente, si la profundidad del agua de nuestro pozo está cayendo y no estamos usando tanta agua, entonces podría significar que uno de nuestros vecinos, digamos el viñedo de 300 acres a media milla de la colina, está bombeando en exceso. Desafortunadamente, California es el único estado sin ninguna regulación del agua subterránea, por lo que no podemos detenerlos, solo prepárate para pedir una carga de agua de 3,500 galones por $ 175 por pop.

civil-engineering fluid-mechanics sensors pumps water-resources Peter Rowell
fuente
Relacionado: ¿Puedo usar un sensor de ultrasonido para medir el nivel del agua? y ¿Cómo puedo medir el grosor de una capa de sedimentación en un tanque cerrado?
Chris Mueller
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Gracias por el comentario, pero ambos métodos rompen uno de nuestros criterios, nada de metal / eléctrico en el tanque o pozo, y el costo de un buscador de profundidad rompería nuestro presupuesto. Parte de la razón de que nada en el tanque / pozo es que los pozos poco profundos (como el nuestro) a menudo son bastante ácidos. Nuestro pozo es de aprox. pH 5.6, que puede comer a través del metal, por ejemplo, tuberías de cobre en la casa. El hecho de que tengamos bajos sólidos disueltos en realidad hace que nuestra agua sea aún más "agresiva" contra los metales de lo que indicaría ese pH 5.6.
Peter Rowell
¿Realmente necesita la redundancia de los sensores de flujo en la tubería y el sensor de profundidad en el tanque? Si está sintiendo más agua en el tanque, ¿no debería ser suficiente?
nulo
Respuesta corta: no, no lo es. Agregué la respuesta más larga al final de mi pregunta.
Peter Rowell
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La idea de la medición diferencial es sólida, pero la bomba de aire / compresor es su punto débil. Barato o confiable, elige uno. Si va a funcionar constantemente, morirá en unos meses. Si solo se enciende cuando sea necesario, necesita un circuito de relé y aún uno o dos años de vida útil es optimista a menos que gaste buenos $ 300 en equipos industriales. Si desea que esto siga siendo robusto, debe perder las piezas móviles.
SF.

Respuestas:

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Una alternativa podría ser un chip barométrico encerrado en un recipiente a prueba de agua con una membrana, pesado para descansar en el fondo.

Adafruit ofrece un circuito de barómetro para Arduino por menos de $ 10. Si opta por un chip independiente, puede reducir el precio aún más. Se comunica a través de I2C, por lo que también puede adjuntarlo a BeagleBone. Su peor dolor de cabeza ahora es un recinto que es completamente resistente al agua pero que no aísla el interior de los cambios de presión; sería necesario algún tipo de membrana flexible.

La precisión se vería algo afectada por el clima (presión del aire) con una imprecisión de aproximadamente +/- 0.5 m, aunque puede ser anulada por un segundo barómetro en la superficie, que mide la presión del aire.

Como de costumbre, el dispositivo necesitaría ser calibrado en software, individualmente, sumergiéndolo en dos profundidades conocidas y registrando las lecturas como puntos fijos, dejándolo extrapolar desde allí.

SF.
fuente
La calibración es una necesidad con todos nuestros enfoques hasta ahora. Consideramos su enfoque de "sensor en el fondo del pozo" desde el principio, pero la parte de "impermeabilización que transmite la presión con precisión" nos dejó perplejos. Una alternativa era usar una vejiga (tal vez ligeramente presurizada) en el fondo del pozo que se conecta por tubos al sensor diferencial en la parte superior. Las preocupaciones fueron la pérdida de presión en la vejiga y el atasco de "cosas" en la cubierta del pozo, no es un lugar fácil de encontrar si hay problemas.
Peter Rowell
@PeterRowell: Con la calibración, la transmisión de presión no necesita ser precisa, solo "algo proporcional". Creo que una caja de plástico sellada sería suficiente. Un enfoque más barato y fácil es una tubería con un imán flotante y contactrones amarrados al exterior.
SF.
Marqué esto como aceptado. No es exactamente lo que vamos a hacer (al menos creo que no), pero está cerca. Además, su consejo sobre las bombas de aire baratas fue enfatizado en picas por mi Old Guy, que tiene sistemas que tienen que mantener 6psi 24/7 durante 5-10 años a la vez.
Peter Rowell
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La medición del agua en canales abiertos es un elemento básico de la conservación del agua. Con la creciente demanda de mejores técnicas de gestión del agua, existe una gran necesidad de dispositivos de medición de agua precisos y de bajo costo, como medidores de flujo y sensores de nivel de líquido.

Desde el desarrollo del canal Parshall, se han realizado intentos para simplificar la construcción y mejorar la precisión de los dispositivos de medición de agua en canales abiertos.

El canal circular es un dispositivo apropiado para medir el flujo a través de surcos porque su forma circular se ajusta a la forma natural de un surco, reduciendo la posibilidad de flujo lateral alrededor del canal. El dispositivo también se ha utilizado con éxito en canales con y sin revestimiento.

Los altos costos han impedido el uso de canales de medición de agua por parte de los productores. Sin embargo, recientemente se ha diseñado un práctico dispositivo de medición de agua que puede ser utilizado por los productores a bajo costo: el canal circular.

Esta es solo mi información en bruto que he compartido con usted, además, también puede estudiar al respecto

Kyla peter
fuente
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Dependiendo de la precisión y la pureza sostenida del agua (no necesita ser particularmente pura o sucia, solo mantener el mismo nivel de pureza), un sistema muy barato sería dos cables expuestos al agua (por ejemplo, un cable doble con aislamiento pelado en uno lado), sumergido en el pozo / contenedor.

Todo lo que necesitas es medir la resistencia entre los dos cables; aplique voltaje fijo a través de una resistencia, mida la caída de voltaje entre los cables.

esquemático

El agua, que permite el flujo de corriente entre los cables a una distancia variada, les hace crear una resistencia variada dependiendo de qué tan lejos estén sumergidos. Calibre el sistema haciendo mediciones para profundidades específicas. Tanto Arduino como BeagleBone tienen ADC a bordo, y los componentes (que no sean las placas) estarán por debajo de $ 3. Este será fallar aunque si la pureza del agua cambia como el cambio en la resistencia al agua será completamente frustrar las lecturas finas de resistencias de alambre.

Esto se puede omitir con un circuito similar a este, pero manteniendo los cables aislados (incluidas las puntas sumergidas; ¿algún pegamento caliente, tal vez?) Y a una distancia mayor entre sí (por ejemplo, un cable de doble cable Ladder Line ), pero en este caso necesita un circuito algo más complejo: un generador de frecuencia LC con los dos cables actuando como un condensador. El nivel del agua actuará como dieléctrico cambiando la capacitancia de la línea, y debe medir los cambios de frecuencia en el software. Aún así, la placa de circuito no debería ser más de $ 15 más o menos.

SF.
fuente
Esto puede ser interesante para el tanque, estoy menos seguro sobre el pozo. Como dije en otro comentario, gran parte del agua de pozo por aquí tiene un pH moderadamente bajo, por lo que cualquier cosa que no sea de calidad inoxidable tendrá una vida útil más corta. El ambiente del tanque es generalmente estable, aunque podría cambiar drásticamente si el pozo comienza a sedimentarse y la bomba está suministrando agua cada vez más turbia. Casi no tenemos hierro, pero algunos de nuestros vecinos tienen mucho. Además, tenemos un burbujeador de ozono en el pozo, que podría degradar el cobre. Pensamientos?
Peter Rowell
@PeterRowell: Entonces ve por la solución capacitiva; la composición del agua tendría que cambiar drásticamente para afectarla de manera notable, además es completamente inmune a las preocupaciones ambientales (sin contacto con el agua). Está algo más involucrado electrónicamente y es un gran desafío en software (definitivamente un trabajo de Arduino, no para un entorno de SO que tendría problemas para probar la entrada a varios kHz), pero la electrónica necesaria no sería muy costosa (~ 30USD si se hace en cantidades unitarias, mucho menos si se fabrica a granel, siendo el PCB una parte importante del costo).
SF.
@PeterRowell Funcionaría peor en entornos contaminados con EM (cerca de antenas grandes, etc.) pero en áreas rurales estaría bastante bien.
SF.
OK, esto es más interesante. No estoy casado con el BBB, particularmente si usar un Arduino nos aleja de un problema mayor. Me pregunto acerca de EMI de la bomba en sí. Tenemos un cable sumergible de 1/2 HP para 230 @ 30, pero algunos vecinos con pozos más profundos tienen muchos más HP en la parte inferior de la carcasa. ¿Es esta una preocupación razonable? (Recuerde, no soy un EE.)
Peter Rowell
@PeterRowell: Probablemente no, el caso sería diferente si el sensor fuera una bobina, pero la bomba debería, en el peor de los casos, introducir un desplazamiento constante cuando se enciende, o algún ruido que necesite filtrar en el software.
SF.
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Creo que su objetivo real es medir el volumen de agua en el tanque.

Al menos para el tanque, puede aplicar medidores de tensión a la base del tanque. Más agua en el tanque significa más peso, lo que a su vez significa una cantidad diferente de tensión. La relación exacta depende de la base y de cómo aplique el indicador.

La ventaja es que no tiene que poner nada dentro del tanque. Las desventajas son que esto no funcionará para el pozo.

nulo
fuente
No entiendo cómo se aplicarían los medidores de deformación al tanque, por lo que no estoy seguro de cómo esto simplifica el problema. También me preocuparía la exposición a los elementos, algo que no es un problema con el tubo del tanque que entra en la casa del pozo. Además, dado que sabemos exactamente qué tan grande es el tanque, saber que la profundidad se convierte directamente en volumen.
Peter Rowell
@PeterRowell Al igual que la masa se convierte directamente en volumen. La masa adicional del agua hace que la base se deforme. Los medidores de tensión lo medirán. Como una balanza. Lo que sugerí lo ayuda a mantener todo fuera del agua, lo que describió como "agresivo". No sé si usar un tubo de plástico / goma en el sol de California durante un período prolongado no es un "problema". No sé qué tan bien el sistema presurizado mantendrá la presión a lo largo del tiempo, lo que significa dar servicio regularmente al sistema para verificar la presión.
nulo
Entiendo que el peso se puede convertir en agua. Pero dado que tenemos 3,000 galones @ 8.3lbs / gal, eso es más de 24,000lbs. Tenemos una plataforma de concreto que tiene más de 2 pies de espesor debajo de ese cachorro. Ayúdame a comprender los detalles de desplegar galgas extensométricas en un tanque ya lleno ... porque nadie en su sano juicio vaciará tanta agua durante una sequía. Los rayos UV que atacan el tubo no han sido un problema. El único tubo que muestra degradación está por encima de la línea de agua en el tanque donde está expuesto al O3 concentrado. Allí usamos Norprene.
Peter Rowell
@PeterRowell: Nuevamente, no es necesario volcar toda el agua. Con las galgas extensiométricas necesitará una función de extrapolación más flexible que la lineal, pero creo que la aproximación cuadrática sería suficiente. Mida la tensión para tres niveles de agua conocidos, extrapole "lleno" y "vacío" desde allí.
SF.
OK, soy denso. "Mida la tensión de tres niveles de agua conocidos" ¿Cómo hago eso? El tanque está hecho de plástico muy grueso, y la diferencia entre tener agua / no tener agua es muy leve.
Peter Rowell
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RE: por tu bien:

En geotech, los piezómetros miden la profundidad del agua en el monitoreo de pozos.

Aquí hay un sensor profesional: https://www.geokon.com/4500-Series

Aquí hay posibles discusiones de bricolaje:

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

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

DavidJ
fuente
Gracias por los enlaces. No veo ningún precio en la mayoría de las cosas (he escrito a un par de ellas), así que no sé si estos dispositivos están dentro del presupuesto.
Peter Rowell