Mesure de la profondeur de l'eau à faible coût et moyennement précise

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tl; dr: Après une longue conversation avec un ancien, j'ai réalisé quelques choses:

  1. La mesure la plus précieuse pour la majorité des gens sera la profondeur de l'eau dans le puits.
  2. Le deuxième plus précieux sera le débit d'eau du puits.
  3. La solution de "bulleur" discutée ci-dessous présente une autre faiblesse majeure (en plus de la fragilité des pompes à air): l'introduction d'oxygène dans l'eau du puits provoquera la formation d'oxyde, conduisant à une incrustation minérale non seulement de l'ouverture du tube, mais de l'extension tout le chemin à l'intérieur, là où serait son niveau normal. Il le sait parce qu'il a dû faire face à quelque chose de presque exactement analogue et c'était un obstacle majeur. Des tubes de plus grande taille ralentiront le processus, mais ils finiront par être bloqués.
  4. Nous réexaminons la solution qui utilise un réservoir à vessie avec capteur de pression différentielle. Il avait des idées spécifiques sur la façon de faire cela qui semblent faisables (mais il reste encore quelques détails à traiter).
  5. Oh, et il a résolu le problème du réservoir en environ 10 secondes. Mettez un capteur de pression sur le tuyau du réservoir à la pompe à pression. Ignorez les pointes qui se produisent lorsque la pompe démarre, et nous avons exactement la lecture de pression que nous voulons avec des capteurs bon marché et bien compris. Sheesh! C'était tellement évident une fois qu'il l'a dit, j'ai failli me donner un coup de pied.

Je vous remercie tous pour vos idées et votre analyse. Si quelqu'un est intéressé à voir comment le projet se déroule, gardez un œil sur waterunderground.net . Il est assez vide pour le moment, mais devrait avoir plus de contenu dans un mois environ.

Passé

Je conçois un système open source de surveillance des puits et de l'utilisation de l'eau pour les habitants du nord de la Californie. L'objectif est de pouvoir mesurer le débit d'eau du puits au réservoir, du réservoir à la maison et du réservoir à l'irrigation, ainsi que de surveiller la profondeur de l'eau dans le réservoir et le puits. Notre coût cible actuel pour les pièces est inférieur à 200 $ pour un système comprenant un processeur, 3 capteurs de débit et 2 capteurs de pression, même si nous pensons que nous pourrons le rapprocher de 100 $ après quelques itérations de conception.

Il semble que la partie capteur de débit soit résolue maintenant que nous avons enfin un fournisseur d'adaptateurs à glissement femelle G1 => US 1 "pour intégrer des capteurs à effet Hall bon marché dans un environnement de tuyauterie américain standard. La solution de mesure de la profondeur n'est pas si simple.

Je demande un examen de santé mentale sur mon raisonnement ici avant de partir et de commencer à acheter des choses qui ne vont pas, que ce soit en taille, en type ou complètement.

Énoncé du problème

J'ai besoin d'un moyen peu coûteux de mesurer la profondeur de 2 colonnes d'eau avec une précision modérément décente, disons +/- 5%. Bien que notre propre propriété soit le site Alpha 1, nous aimerions une solution qui évolue à la hausse ou à la baisse pour d'autres propriétés ayant des besoins similaires.

On a:

  1. Un réservoir de stockage de 3000 gallons qui est d'env. 8,5 'd'eau lorsqu'il est plein. D'autres réservoirs sont de hauteur similaire +/- 5 '.
  2. Un puits d'eau. Notre propre puits est de 75 'de profondeur avec 37' d'eau. D'autres puits dans la région sont aussi peu profonds que 30 'w / 15' d'eau, ou aussi profonds que 300 'w / 70+' d'eau.

Nous avons les critères suivants:

  1. Pas plus de 30 $ pour le réservoir et (espérons-le) pas plus de 50 $ pour le puits. Des coûts inférieurs seraient formidables.
  2. La solution doit s'intégrer d'une certaine manière (onde manuelle) à un contrôleur Arduino, BeagleBone Black ou similaire à faible coût.
  3. Une lecture continue est souhaitable, mais quelque chose qui se déclenche toutes les 15, 30 ou <n'importe quoi> minutes serait acceptable.
  4. Aucun système électronique / électrique dans le puits ou le réservoir.
  5. Pas de métal dans le puits ou le réservoir, à l'exception peut-être du matériau utilisé pour alourdir le tube qui entre dans l'eau.
  6. La solution devrait fonctionner raisonnablement bien (sans jeu de mots) pour des puits de 35 'de profondeur avec 15' d'eau, jusqu'à des puits de 300 'de profondeur avec 60 +' d'eau.

Parmi plusieurs solutions envisagées jusqu'à présent, notre leader actuel est un "bulleur", comme décrit dans cet article :

Un capteur de niveau de type barboteur est illustré à la figure 3. Un tube plongeur dont l'extrémité ouverte près du fond de la cuve transporte un gaz de purge (généralement de l'air, bien qu'un gaz inerte tel que de l'azote sec puisse être utilisé lorsqu'il existe un risque de contamination ou une réaction oxydative avec le fluide de procédé) dans le réservoir. Lorsque le gaz descend vers la sortie du tube plongeur, la pression dans le tube augmente jusqu'à ce qu'elle surmonte la pression hydrostatique produite par le niveau de liquide à la sortie. Cette pression est égale à la densité du fluide de traitement multipliée par sa profondeur depuis l'extrémité du tube plongeur jusqu'à la surface et est surveillée par un transducteur de pression connecté au tube.

Nous prévoyons d'utiliser:

  1. Un tube ouvert de 1/4 "à 3/8" lesté (ou mieux encore, attaché par zip au tuyau ascendant du puits) pour accrocher une courte distance au-dessus du fond (nous pouvons nous rapprocher dans le réservoir, mais les puits ont tendance à s’envaser de façon à être à quelques pieds près). Le petit tube diagonal est un point fort en faveur de cette approche car presque rien ne pénètre dans le puits lui-même.
  2. Une source (bon marché) de pression d'air suffisante (300+ kPa) pour souffler toute l'eau hors du tube dans le puits. Une fois que la valeur des plateaux de capteurs signifie que nous soufflons des bulles et que nous pouvons convertir la pression en pieds d'eau.
  3. En haut, nous raccordons le tube à un capteur de pression différentielle, tel que le Freescale MPX5500DP , qui peut supporter jusqu'à 500 kPa, ce qui se traduit par env. 160 'd'eau. Ils ont un peu plus précis (la série 5100) pour les colonnes plus courtes, comme dans le réservoir. Nous avons sélectionné le capteur différentiel pour permettre une variation de la pression atmosphérique.
  4. Les spécificités de l'Arduino allumant / éteignant la pompe à air n'ont pas été décidées, mais je pense que ce sera simple une fois que nous saurons quel type / taille de pompe nous essayons de contrôler.

Remarque: bien que nous puissions facilement calibrer la lecture du capteur du réservoir, le puits peut être plus problématique. Dans notre propre cas, nous avons un moyen d'utiliser une ligne de descente pour mesurer directement la profondeur du puits et la hauteur de la colonne d'eau, dans d'autres cas, cela peut être difficile.

Des questions

  • Y a-t-il quelque chose dans cette approche qui est fondamentalement défectueux?
  • Les changements de température (principalement dans le réservoir, pas tellement dans le puits) feront-ils une réelle différence ici?
  • Outre le volume d'air nécessaire pour différents diamètres de tubes, une pompe devra-t-elle travailler plus dur pour atteindre une pression donnée si nous utilisons un tube diagonal plus grand ou plus petit?

Mise à jour pour répondre aux questions:

L'utilisateur null a demandé s'il y avait une redondance inutile dans le système; la profondeur du réservoir ne serait-elle pas suffisante? Pas vraiment. Chacune des mesures nous donne des informations, les autres non. Bien qu'il y ait un certain chevauchement dans ce qui est mesuré, je vois cela comme une opportunité pour un contrôle de santé mentale sur le système.

Par exemple, si le débit mesuré à partir du puits n'a pas une corrélation assez étroite (décalée dans le temps en raison du réservoir) avec les débits combinés vers la maison et le système d'irrigation, alors quelque chose est hors de contrôle.

La combinaison du graphique du débit du puits avec le graphique de la profondeur de l'eau du puits peut fournir des informations critiques sur le taux de recharge du puits . Si la recharge diminue, nous avons de sérieux problèmes à venir vers nous.

Enfin, si la profondeur de notre puits baisse et que nous n'utilisons pas beaucoup d'eau, cela pourrait signifier qu'un de nos voisins, par exemple le vignoble de 300 acres à environ 1/2 mile en haut de la colline, surpompe. Malheureusement, la Californie est le seul État sans aucune réglementation des eaux souterraines, nous ne pouvons donc pas les arrêter, préparez-vous seulement à commander une charge d'eau de 3 500 gallons pour 175 $ la pop.

civil-engineering fluid-mechanics sensors pumps water-resources Peter Rowell
la source
Connexes: Puis-je utiliser un capteur à ultrasons pour mesurer le niveau d'eau? et comment mesurer l'épaisseur d'une couche de sédimentation dans un réservoir fermé?
Chris Mueller
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Merci pour le commentaire, mais ces deux méthodes ne respectent pas l'un de nos critères, rien de métallique / électrique dans le réservoir ou dans le puits, et le coût d'un détecteur de profondeur briserait notre budget. Une partie de la raison de rien dans le réservoir / puits est que les puits peu profonds (comme le nôtre) sont souvent assez acides. Notre puits est d'env. pH 5,6, qui peut manger à travers le métal, par exemple les tuyaux en cuivre dans la maison. Le fait que nous ayons une faible teneur en solides dissous rend notre eau encore plus "agressive" contre les métaux que ce pH 5,6 ne l'indiquerait.
Peter Rowell
Avez-vous vraiment besoin de la redondance des capteurs de débit dans le tuyau et du capteur de profondeur dans le réservoir? Si vous sentez plus d'eau dans le réservoir, cela ne devrait-il pas suffire?
null
Réponse courte: non, ce n'est pas le cas. J'ai ajouté la réponse plus longue à la fin de ma question.
Peter Rowell
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L'idée de la mesure différentielle est bonne, mais la pompe à air / compresseur est votre point faible. Bon marché ou fiable, choisissez-en un. S'il doit fonctionner en permanence, il mourra en quelques mois.Si il n'est allumé qu'en cas de besoin, vous avez besoin d'un circuit de relais et encore un an ou deux de durée de vie est optimiste, sauf si vous dépensez 300 $ pour l'équipement industriel. Si vous voulez que cela reste robuste, vous devez renoncer aux pièces mobiles.
SF.

Réponses:

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Une alternative pourrait être une puce barométrique enfermée dans un récipient étanche avec une membrane, alourdie pour reposer au fond.

Un circuit baromètre pour Arduino est disponible auprès d'Adafruit pour moins de 10 $. Si vous optez pour une puce autonome, vous pouvez réduire encore plus le prix. Il communique via I2C, vous pouvez donc également le connecter à BeagleBone. Votre pire mal de tête est maintenant une enceinte entièrement étanche mais qui n'isole pas l'intérieur des changements de pression - une sorte de membrane flexible serait nécessaire.

La précision serait quelque peu affectée par les conditions météorologiques (pression atmosphérique) avec une imprécision d'environ +/- 0,5 m, bien qu'elle puisse être annulée par un deuxième baromètre en surface, mesurant la pression atmosphérique.

Comme d'habitude, l'appareil devrait être calibré dans le logiciel, individuellement, en le submergeant à deux profondeurs connues et en enregistrant les relevés sous forme de points fixes, le laissant extrapoler à partir de là.

SF.
la source
L'étalonnage est une nécessité avec toutes nos approches jusqu'à présent. Nous avons considéré très tôt votre approche "capteur au fond du puits", mais la partie "imperméabilisation qui transmet la pression avec précision" nous a bloqué. Une alternative était d'utiliser une vessie (peut-être légèrement sous pression) au fond du puits qui se connecte par une tubulure au capteur différentiel en haut. Les inquiétudes concernaient la perte de pression dans la vessie et le blocage de "trucs" dans le tubage du puits - pas un endroit facile d'accès en cas de problème.
Peter Rowell
@PeterRowell: Avec l'étalonnage, la transmission de la pression n'a pas besoin d'être précise, juste "quelque peu proportionnelle". Je crois qu'une boîte en plastique scellée serait suffisante. Une autre approche bon marché et facile est un tuyau avec un aimant flottant et des contactrons attachés à l'extérieur.
SF.
J'ai marqué cela comme accepté. Ce n'est pas exactement ce que nous allons faire (du moins je ne pense pas), mais c'est proche. De plus, vos conseils sur les pompes à air bon marché ont été soulignés par mon vieux gars qui a des systèmes qui doivent maintenir 6psi 24/7 pendant 5-10 ans à la fois.
Peter Rowell
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La mesure de l'eau dans les canaux ouverts est un élément fondamental de la conservation de l'eau. Avec la demande croissante de techniques améliorées de gestion de l'eau, il existe un besoin sérieux d'appareils de mesure de l'eau précis et bon marché, tels que des débitmètres et des capteurs de niveau de liquide.

Depuis le développement du canal Parshall, des efforts ont été faits pour simplifier la construction et améliorer la précision des appareils de mesure de l'eau dans les canaux ouverts.

Le canal circulaire est un appareil approprié pour mesurer le débit à travers les sillons car sa forme circulaire s'adapte à la forme naturelle d'un sillon, ce qui réduit la possibilité d'un flux latéral autour du canal. L'appareil a également été utilisé avec succès dans les canaux revêtus et non revêtus.

Les coûts élevés ont empêché l'utilisation de canaux de mesure de l'eau par les producteurs. Cependant, récemment, un appareil de mesure de l'eau pratique a été conçu qui peut être utilisé par les producteurs à faible coût: le canal circulaire.

Ce ne sont que mes informations brutes que je vous ai partagées, vous pouvez également les étudier

Kyla peter
la source
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Selon la précision et la pureté durable de l'eau (n'a pas besoin d'être particulièrement pure ou sale, il suffit de garder le même niveau de pureté), un système très bon marché serait composé de deux fils exposés à l'eau (par exemple, un double fil avec isolation dénudée sur un seul). côté), immergé dans le puits / récipient.

Il vous suffit de mesurer la résistance entre les deux fils; appliquer une tension fixe à travers une résistance, mesurer la chute de tension entre les fils.

schématique

L'eau, permettant le passage du courant entre les fils à une distance variable, les fait créer une résistance variée en fonction de la distance à laquelle ils sont immergés. Callibrate le système effectuant des mesures pour des profondeurs spécifiques. Arduino et BeagleBone ont tous deux un ADC intégré, et les composants (autres que les cartes) seront inférieurs à 3 $. Cela va échouer mais si la pureté de l' eau change à mesure que le changement de résistance à l'eau va contrecarrer complètement les fines lectures de résistances de fil.

Cela peut être contourné avec un circuit similaire à celui-ci, mais en gardant les fils isolés (y compris les embouts immergés; de la colle chaude peut-être?) Et à une distance plus élevée les uns des autres (par exemple, un fil à deux fils Ladder Line ) - mais dans ce cas, vous avez besoin d'un circuit un peu plus complexe - un générateur de fréquence LC avec les deux fils agissant comme un condensateur. Le niveau d'eau agira comme diélectrique en modifiant la capacité de la ligne, et vous devez mesurer les changements de fréquence dans le logiciel. Pourtant, le circuit imprimé ne devrait pas dépasser 15 $.

SF.
la source
Cela pourrait être intéressant pour le tank, je suis moins sûr du puits. Comme je l'ai dit dans un autre commentaire, une grande partie de l'eau de puits ici a un pH modérément bas, donc tout ce qui est inférieur à l'acier inoxydable de qualité aura une durée de vie plus courte. L'environnement du réservoir est généralement stable, bien qu'il puisse changer radicalement si le puits commence à s'envaser et que la pompe délivre de l'eau de plus en plus trouble. Nous n'avons presque pas de fer, mais certains de nos voisins en ont beaucoup. De plus, nous avons un barboteur d'ozone dans le puits, ce qui pourrait dégrader le cuivre. Pensées?
Peter Rowell
@PeterRowell: Alors optez pour la solution capacitive; la composition de l'eau devrait changer très radicalement pour l'affecter de quelque manière que ce soit, et elle est entièrement immunisée contre les préoccupations environnementales (pas de contact avec l'eau). Il est un peu plus impliqué électroniquement et représente un défi pour le logiciel (certainement un travail Arduino, pas pour un environnement de système d'exploitation qui aurait du mal à échantillonner l'entrée à plusieurs kHz), mais l'électronique nécessaire ne serait pas très chère (~ 30 USD s'il est fabriqué en quantités unitaires, beaucoup moins s'il est fabriqué en vrac, le PCB étant une part du lion du coût).
SF.
@PeterRowell Cela fonctionnerait moins bien dans un environnement pollué par EM (à proximité de grandes antennes, etc.) mais dans les zones rurales, ce serait tout à fait correct.
SF.
OK, c'est plus intéressant. Je ne suis pas marié au BBB, surtout si l'utilisation d'un Arduino nous éloigne d'un problème majeur. Je me pose des questions sur EMI de la pompe elle-même. Nous avons un submersible 1/2 HP câblé pour 230 @ 30, mais certains voisins avec des puits plus profonds ont beaucoup plus de HP au bas du boîtier. Est-ce une préoccupation raisonnable? (Rappelez-vous, je ne suis pas un EE.)
Peter Rowell
@PeterRowell: Probablement pas, le cas serait différent si le capteur était une bobine, mais la pompe devrait au pire introduire un décalage constant lorsqu'elle est allumée, ou du bruit que vous auriez besoin de filtrer dans le logiciel.
SF.
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Je pense que votre objectif réel est de mesurer le volume d'eau dans le réservoir.

Au moins pour le réservoir, vous pouvez appliquer des jauges de contrainte à la base du réservoir. Plus d'eau dans le réservoir signifie plus de poids, ce qui signifie à son tour une quantité différente de pression. La relation exacte dépend de la base et de la façon dont vous appliquez la jauge.

L'avantage est que vous n'avez rien à mettre à l'intérieur du réservoir. Les inconvénients sont que cela ne fonctionnera pas pour le puits.

nul
la source
Je ne comprends pas comment les jauges de contrainte seraient appliquées au réservoir, donc je ne sais pas comment cela simplifie le problème. Je serais également préoccupé par l'exposition aux éléments, ce qui n'est pas un problème avec le tube de réservoir entrant dans la maison de puits. De plus, étant donné que nous savons précisément quelle est la taille du réservoir, sachant que la profondeur se convertit directement en volume.
Peter Rowell
@PeterRowell Tout comme la masse se convertit directement en volume. La masse supplémentaire d'eau provoque la déformation de la base. Les jauges de contrainte mesureront cela. Comme une échelle de pondération. Ce que j'ai suggéré vous aide à garder tout hors de l'eau, que vous décrivez comme «agressive». Je ne sais pas si l'utilisation d'un tube en plastique / caoutchouc sous le soleil californien sur une longue période de temps n'est pas un problème. Je ne sais pas dans quelle mesure le système sous pression maintiendra la pression au fil du temps, ce qui signifie un entretien régulier du système pour vérifier la pression.
null
Je comprends que le poids peut être converti en eau. Mais comme nous avons 3 000 gallons à 8,3 lb / gal, cela fait plus de 24 000 lb. Nous avons un socle en béton de plus de 2 pieds d'épaisseur sous ce chiot. Aidez-moi à comprendre les détails du déploiement de jauges de contrainte sur un réservoir déjà plein ... parce que personne sensé ne déversera autant d'eau pendant une sécheresse. Les UV attaquant le tube n'ont pas été un problème. Le seul tube présentant une dégradation se trouve au-dessus de la ligne d'eau dans le réservoir où il est exposé à l'O3 concentré. Là, nous utilisons Norprene.
Peter Rowell
@PeterRowell: Encore une fois, vous n'avez pas besoin de vider toute l'eau. Avec les jauges de contrainte, vous aurez besoin d'une fonction d'extrapolation plus flexible que linéaire, mais je pense qu'une approximation quadratique ferait l'affaire. Mesurer la souche pour trois niveaux d'eau connus, extrapoler "plein" et "vide" à partir de là.
SF.
OK, je suis dense. "Mesurer la tension pour trois niveaux d'eau connus" Comment faire? Le réservoir est fait de plastique très épais et la différence entre avoir de l'eau et ne pas avoir d'eau est très faible.
Peter Rowell
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RE: pour votre bien:

En géotechnique, les piézomètres mesurent la profondeur de l'eau dans la surveillance des forages.

Voici un capteur professionnel: https://www.geokon.com/4500-Series

Voici les discussions de bricolage possibles:

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

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

DavidJ
la source
Merci pour les liens. Je ne vois aucun prix sur la plupart des trucs (j'ai écrit à quelques-uns d'entre eux), donc je ne sais pas si ces appareils sont dans le budget.
Peter Rowell