Detección de nivel de agua, donde el agua está algo contaminada y tiene sales disueltas significativas

Encontré este excelente QnA aquí que ofrece varias opciones para medir o detectar el nivel del agua. Para mi caso, basta con diferenciar 4 niveles de agua (muy bajo, bajo, medio, lleno), del tanque.

Necesito hacer lo mismo, pero en mi caso, tengo que lidiar con una preocupación, que esto no es exactamente agua potable limpia. El agua, que se bombea desde un pozo entubado profundo, parece estar algo contaminada con limo (del tipo oxidado de color marrón oscuro/negruzco) y muchas sales disueltas. Mientras que el sedimento se filtra mediante un prefiltro de sedimentos a base de fieltro/microfibra de 5 micras, en la sección posterior a la bomba, está presente en el sumidero a nivel del suelo. La sal también es una gran preocupación, porque mancha (depósitos de sal) el metal, el plástico y prácticamente cualquier superficie. Cualquier pieza de metal/plástico que se deje sumergida durante el tiempo suficiente, obtiene un depósito de sal bastante importante, que debe eliminarse (con dificultad).

Dadas estas características del entorno operativo, me preguntaba cuáles de los siguientes métodos (todos de los QnA anteriores citados anteriormente) para detectar el nivel del agua se puede esperar que funcionen de manera más confiable y con un mantenimiento mínimo requerido a lo largo del tiempo.

  1. Transductor de presión diferencial en el fondo del tanque. ¿Cuál es la probabilidad de que la superficie de detección o sus bordes se ahoguen con el depósito de sal/limo y dejen de funcionar en unos meses? El depósito de sal/limo en sí mismo puede introducir errores en la lectura de la presión con el tiempo.

  2. Interruptor de flotador: como esto tiene partes móviles, me pregunto si pueden quedar inmóviles (perder la movilidad del flotador) por el depósito de sal/limo.

  3. Detección capacitiva: esto no se explica con gran detalle en el QnA citado, pero he leído en otra parte que depende de un coeficiente dieléctrico promedio de agua, donde se colocan 2 sondas aisladas a lo largo de la profundidad del tanque / sumidero, en bastante proximidad. La capacitancia de este, varía con el nivel del agua, el cual se mide. El mecanismo exacto no está claro. Además, aparentemente, la corriente alterna de bajo voltaje aparentemente se usa para esto, pero nuevamente, no está claro cómo parte. Además, no me queda claro qué papel pueden desempeñar los depósitos de sal/limo en el cambio de capacitancia a lo largo del tiempo.

  4. Prueba de conductividad en múltiples niveles: los electrodos se colocan en varios niveles, que se supone que funcionan como circuitos cerrados cuando el agua llega al circuito en particular ubicado en ciertos niveles. La corriente eléctrica (digamos algo así como 24 VCC) se pasa a través de los circuitos, periódicamente, durante un período corto para determinar qué circuitos están cerrados e inferir el nivel del agua a partir de dicha información. Ahora nuevamente, ¿la sal/limo cambia la conductividad? ¿Y pueden corroer los electrodos? ¿Puedo usar electrodo de aluminio o cobre?

  5. Detección ultrasónica de proximidad: coloque un sensor de este tipo boca abajo, es decir, mirando directamente al fondo del tanque, y utilice el mecanismo de detección de proximidad estándar para detectar los niveles de agua. Para mí, esto parece lo más prometedor, ya que el sensor rara vez (o nunca) está en contacto con el agua. Además, su instalación debería ser más fácil. De todos estos, sin embargo, este es probablemente el enfoque más costoso y posiblemente menos robusto (es decir, podría no funcionar bien bajo la variación extrema de humedad y temperatura de un tanque/sumidero de agua cerrado).

¿Qué tan grande es el tanque? Spectra Symbol tiene un producto MagnetoPot que mantiene todos los componentes electrónicos fuera del tanque; utiliza un flotador magnético en el tanque. SparkFun tiene algunos cortos, pero los sitios web de Spectra muestran tamaños de hasta 1 metro de largo.

Respuestas (5)

Dados los parámetros de trabajo, la solución Ultrasonic Ranging indica la mejor opción libre de mantenimiento. Dependiendo del MTTF deseado, tampoco tiene por qué ser una solución costosa.

El enfoque presupuestario involucra módulos como este:

Sensor ultrasónico ( De eBay, por menos de $2 )

En lugar de desplegar el módulo tal como está, el módulo se puede encapsular con compuestos de encapsulado de epoxi , cubriendo todo excepto la parte superior del transmisor y receptor de ultrasonido y las clavijas del conector. Mejor aún, se puede conectar un cableado resistente a la intemperie y la unión también se puede encapsular. Esto promete una longevidad razonable.

Con un presupuesto mayor, se pueden encontrar otros módulos de rango ultrasónico, que tienen clasificación IP67, diseñados desde cero para entornos extremos.

Gracias @Anindo. Es bueno ver que los sensores de distancia ultrasónicos están disponibles a esos precios. Creo que se utilizan módulos (o tecnología) similares en los automóviles para la orientación de marcha atrás/estacionamiento, pero esos sensores aparentemente tienen un rango de detección limitado a aproximadamente 5 pies impares. Las especificaciones del módulo de $2 parecen aludir a un rango de detección de hasta 14 pies, pero me pregunto si ese es realmente el caso. El encapsulado de epoxi es una gran idea adicional.
Es realmente el caso, pero la precisión/resolución es pobre en la máxima extensión de su rango. El alcance se ve afectado por la rigidez del objetivo. Los objetivos "más duros" son detectables a mayores distancias.
Gracias @DrFriedParts. Según lo que escribió, ¿podría inferir que, para detectar el nivel del agua, dicho sensor podría no tener un gran alcance? En mi caso, necesito algo que pueda sentir que el agua ha caído a una profundidad de hasta 10 pies.
10 pies se puede lograr fácilmente con ultrasonidos de bajo costo, suponiendo que tenga un entorno silencioso (sin ruido ultrasónico), que esté disparando contra una superficie de agua relativamente tranquila (el agua es incompresible, es muy dura). Es posible que tenga un error de +/- 1 pie o más a 10 pies. Pero si 8-12 pies es aceptable (por lo general es para fines de alarma), entonces está bien. Inventé una técnica para usar electrostática para esto, pero probablemente sea exagerada aquí.
Excelente. ¡Sería interesante leer sobre la técnica usando electrostática, solo por el bien de la iluminación! Por cierto, ¿los módulos de medición de distancia ultrasónicos como este requieren calibración?
@ icarus74: los sensores ultrasónicos casi siempre requieren una calibración cuando intenta resolver mediciones absolutas. Según el entorno de uso, es posible que la respuesta no sea lineal y, por lo tanto, puede requerir una calibración de tres puntos.
Finalmente, me puse a probar esto. Me encontré con un escenario interesante. la pregunta esta aqui
@ icarus74 Sí, acabo de duplicar sus experimentos y logré una solución repetible. La respuesta está aquí . :-)

Existen varios esquemas efectivos que podría intentar para detectar el nivel de agua en el tanque. Aquí hay dos esquemas con los que he trabajado en el pasado. Tenga en cuenta que estas son ideas tecnológicas interesantes para trabajar y requieren algo de trabajo de diseño, pero podría ser un proyecto divertido en el que trabajar.

1) Un conjunto que tiene varios termistores montados en él se cuelga en el tanque. Los termistores están conectados a algunas fuentes de corriente que hacen que cada termistor se autocaliente una cierta cantidad. Los termistores están ubicados a lo largo del ensamblaje en varios niveles. Cuando el nivel del agua sube y cubre un termistor, enfría el componente haciéndolo cambiar de resistencia. Un circuito de detección que mide la caída de voltaje en cada termistor puede determinar si un componente en particular está cubierto por agua o no.

2) Puede colocar varillas de plástico que se adhieran al tanque a diferentes profundidades. Cada varilla de plástico tiene su extremo cortado en un ángulo de 45 grados desde cada lado y luego pulido hasta obtener un acabado muy suave. Un rayo de luz brilla hacia abajo en la barra desde la parte superior (podría ser un LED visible o infrarrojo dependiendo de lo que sea adecuado para los materiales que está usando) y normalmente se refleja en los dos biseles en el extremo de la barra y se refleja hacia arriba. la parte superior de la varilla donde se usa un fotodiodo o un fototransistor para detectar la luz reflejada. Cuando el agua en el tanque sube y cubre el extremo biselado de la varilla, cambia el índice de refracción en el extremo de la varilla y la luz que baja ya no se refleja completamente hacia el detector. El surtido de varillas puede decirle dónde está el nivel del agua. La siguiente imagen muestra el concepto involucrado. Sería divertido experimentar con este concepto utilizando un módulo de puntero láser barato como fuente de luz. (Cuando trabajé con este concepto hace años, ¡no había punteros láser!)

ingrese la descripción de la imagen aquí

Gracias por sugerir alternativas. ¿Supongo que el método basado en el uso de termistores requiere que los termistores se toquen con agua? ¡Qué bien funcionarían con una capa de aislamiento como una gota de epoxi caliente! Sin embargo, me gusta este método. Además, ¿mencionó algo como 1 termistor para cada nivel en el que me gustaría medir el nivel del agua?
El método que usa las tuberías de plástico suena aún más divertido, pero estoy tratando de mantenerme alejado de algo que es demasiado astuto o que requiere mucha habilidad por parte de la persona que lo instala. Cuando menciona "pulido hasta un acabado muy suave", ¿se refiere al interior de la tubería?
@ icarus74: los termistores deberían exponerse al medio de enfriamiento del agua. Dado que se ejecutan en un modo de autocalentamiento por un poco de corriente que pasa a través de ellos, cuanto menor sea la barrera térmica entre la pieza y el medio de enfriamiento, mejor. Hice esto hace algunos años y sí, los termistores y sus cables aislados adjuntos estaban encapsulados en una fina capa de epoxi. Sí, tendría un termistor para cada nivel de detección.
@ icarus74 - Las varillas de plástico no son tuberías. Serían varillas transparentes de plástico sólido, tal vez de 0,5" a 0,75" (~12,5 mm a 20 mm) de diámetro. He agregado un pequeño gráfico a mi respuesta. El pulimento se agrega al extremo de la varilla de plástico donde se bisela.
Ojalá pudiera votar más por la buena ilustración y el método de aspecto muy creativo (y divertido). En cuanto a la varilla de plástico, creo que te referías a algo así como acrílico transparente. Extremadamente difícil de encontrar localmente, de lo contrario podría haberle dado una oportunidad.
Y casi olvido lo mala que es la calidad de mi agua y el problema de la incrustación (deposición de sal). Supongo que el segundo método es propenso a este problema.
@ icarus74 - Sí. Cualquier depósito en la superficie del extremo de la barra afectaría negativamente la sensibilidad.
He usado el enfoque de varilla de plástico/tubo de luz en una pecera de agua salada y funciona bien. Técnicamente, cuando la punta está en el agua, la luz se escapa por el fondo y no se refleja hacia el sensor. Podría haber un pequeño problema de mantenimiento con esto si se acumulan sales y depósitos minerales en el tubo.

Usted menciona un interruptor de flotador y le preocupa que los componentes mecánicos se atasquen. Sin embargo, podría construir un interruptor de flotador en el que todos los componentes críticos estén por encima del agua, al estilo de un llenador de tanque de inodoro clásico: coloque el flotador en el extremo de una varilla larga que pueda pivotar y codifique el ángulo en el pivote. (utilizando un codificador rotatorio absoluto o un potenciómetro) para determinar el nivel del agua. El pivote no necesita estar cerca del agua. A menos que la varilla sea particularmente pesada, incluso podría usar una bola de flotador de inodoro estándar.

Dado que usted dice que solo necesita 4 niveles de agua, no necesita linealidad de salida sino solo 4 valores de umbral, y el brazo flotante y el pivote se pueden moldear y colocar donde sea conveniente, siempre que el brazo esté libre para viajar un rango suficiente en el interior tu contenedor Si el contenedor es alto y angosto, por ejemplo, es posible que necesite un flotador que se mueva linealmente, que es más difícil de hacer resistente a la fricción y de medir.

Ventaja: sus contaminantes pueden cambiar ligeramente la calibración a medida que se adhieren al flotador, pero no desactivar el mecanismo hasta que dejen de flotar por completo.

Desventaja: el costo de los componentes mecánicos robustos hechos a la medida podría superar el costo de un sensor elegante.

(Esto me vino a la mente cuando leí su pregunta porque una fuente/piscina decorativa en mi ciudad natal usaba un interruptor de flotador de este tipo).

Gracias por responder a @Kevin. ¿Quiso decir algo como una válvula de flotador, solo que reemplacé el mecanismo de la válvula con una conexión/desconexión eléctrica? Probé algo así en otro proyecto, usando pelotas de tenis de mesa, pero no obtuve un movimiento predecible a lo largo del pivote. Además, dado que necesito detectar 4 niveles diferentes, que en varios momentos podrían estar bajo el agua, no tengo claro qué tan grande / largo es el brazo de la válvula flotante que podría sugerir. Podría ayudar a dibujar un gráfico para explicar.
@ icarus74 He agregado algunos detalles para cubrir sus puntos. No necesita que el movimiento se modele exactamente, solo 4 umbrales de salida del sensor para sus 4 niveles de agua que puede determinar empíricamente. En cuanto al tamaño y forma del brazo, no puedo hacer sugerencias porque no ha dicho nada sobre las dimensiones relativas del contenedor, si tiene una parte superior abierta, etc. Si proporciona un diagrama del contenedor (lado vista) Me encantaría intentar diseñar un brazo a juego.

Si usa un sensor de presión diferencial, puede construir una solución que será muy robusta porque no tiene partes móviles, no se ve afectada por la temperatura/humedad, la limpieza del agua es irrelevante (tanto en lo que respecta a las sales como a la transparencia) y no tiene sensores eléctricos. están en contacto con el fluido (así que si quieres medir el nivel en un tanque de ácido, no hay problema).

Hace algunos años (hm, desenterrar las notas revela 2008) planeé un sistema para que mis padres monitorearan el nivel del agua en un pozo de agua a 100-150 m de su casa. Lo siguiente es de la descripción del proyecto:

Mi sugerencia es usar un sensor de presión de aire diferencial montado en un tubo sellado en un extremo y lleno de aire, sumergido parcialmente en el agua para medir el nivel del agua.

Un sensor dentro de la tubería sumergido en el agua

Suponga inicialmente que la presión del aire es 1.0ATM. Entonces la presión en el agua a 1 m por debajo de la superficie será de 1,1 ATM. Al sumergir una tubería llena de aire y sellada en la parte superior 1 m en el agua, la presión del agua en la parte inferior de la tubería comprimirá el aire dentro de la tubería a 1,1 ATM.

Al montar la tubería en una posición fija, diferentes niveles de agua darán diferentes presiones dentro de la tubería. Dado que el sensor es diferencial, las variaciones en la presión del aire no afectarán al sensor. No tengo una preferencia específica sobre qué sensor usar, pero el sensor MPX2050DP parece ser utilizable.

Lo único que podría debilitar la robustez de esta solución sería si el fluido contuviera objetos grandes que potencialmente podrían bloquear y sellar la abertura inferior de la tubería, sin embargo, dado que la presión es independiente del volumen, puede usar una tubería tan ancha como desee. querer.

La mayor parte del costo de esto será el sensor (los precios de tales sensores parecen estar en el rango de 10-20 EUR). Para el resto, puede usar cualquier tubo de plástico/metal que tenga, un poco de cuerda y un palo si quiere reducir los costos.

Esta es una gran idea.

Use una pequeña fuente de aire en la parte superior y lleve la tubería hacia abajo para que el aire burbujee suavemente fuera de la tubería. Con su transductor de presión en la parte superior mirando la presión en la tubería, puede calcular la altura del agua sobre el fondo de la tubería.

Demasiada presión y la tubería está bloqueada.

Muy poca presión y algo anda mal con su fuente de aire o tubería. Por lo tanto, sería muy confiable y difícil de romper/bloquear. Mencionaste limo y esas cosas, ¿significa esto que puede que no sea solo agua allí?

Si es así, cualquier cosa que dependa de la presión puede no ser precisa debido a las diferentes densidades, sin embargo, tengo la idea de que si combina esta técnica de burbujeo y tal vez un detector de superficie ultrasónico, también podría dar una cifra de porcentaje de contaminación para el agua, particularmente cosas como aceite flotando en la parte superior.

Detección de nivel de agua, donde el agua está algo contaminada y tiene sales disueltas significativas
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