Pomiar poziomu lustra wody w studni

Witam, stanąłem przed problemem pomiaru poziomu lustra wody w studni głębinowej (450m). Średnica tej studni to 15cm, pomiar ma być wykonywany w sposób ciągły z dokładnością 2%. Urządzenie ma być na tyle przenośne, że średniej wielkości samochód będzie mógł zabrać je na tzw. "pakę". Myślałem o pomiarze czujnikiem Rosemount 5402, ale nie jestem pewien, czy średnica 15cm nie jest przeszkodą. Najprostsze (najtańsze) byłoby zastosowanie czujnika ciśnienia wpuszczanego do studni, ale ze względu na potrzebę zasilania potrzebowałbym przewodu który byłby jednocześnie giętki (tak aby można było go nawinąć na bęben) i wytrzymywał ciśnienie 40Bar a takiego nie udało mi się na razie znaleźć)
Proszę "specjalistów elektrodowych" o radę jak ugryźć ten problem.

Wydaje sie, że rozumiem zagadnienie. Nie ma większej różnicy czy mierzymy słup wody, czy wystarczająco dokładnie odległość lustra od powierzchni ziemi bowiem zapewne chodzi o zabezpieczenie pracy pompy. Nasuwa mi się wykorzystanie metody poszukiwania uszkodzeń linii kablowych, czyli bardzo dokładnego pomiaru oporności i pojemności. Jeden przewód to żerdź a drugi rura osłonowa. Zapewne zmiany wilgotności itp zakłócą pomiar, ale trzeba by wymyślić kompensację. co do realizacji fizycznej to raczej nie wystarczy moje wiedzy. A w swoim czasie miałem do czynienia ze studnią o głębokości 511 m.

Do voytaschec:
Chodzi o pomiar lustra wody od szczytu studni (głębokość jest znana, więc wystarczy ta dana by otrzymać wysokość słupa wody. Wykorzystanie światła laserowego w takim przypadku jest dość kłopotliwe, ponieważ:
- powierzchnia lustra wody może być wzburzona więc światło odbije się pod innym kątem niż 90st i wytłumi na ścianach studni.
- nawet jeżeli do odbiornika dotrze fala odbita, to na pewno powstaną różne mody.
- policzyłem, że dla pomiaru 500m i zegara w procesorze 32MHz otrzymamy rozdzielczość ok 10m a ponieważ to 10m jest wartością stałą, więc procentowa dokładność dla mniejszych odległości nie będzie spełniała założeń

do mczapski:
O co chodzi z pomysłem "żerdź, rura osłonowa"? Brzmi to jak jakaś sztywna konstrukcja a jeżeli taka jest to niestety nie spełnia wymagań co do łatwego montażu/demontażu (chodzi o to, ze jest kilka takich studni a tylko jedno urządzenie, które jest przenoszone i instalowane w różnych miejscach.

W każdym razie dziękuję za pomoc.

Doczytałem się, że to ma być czujnik wpuszczany do studni w celu jednorazowego, lub okresowego pomiaru odległości lustra wody od powierzchni na górze studni. Jeżeli tak, to nic prostszego, jak opuścić zwykły izolowany przewód dwużyłowy o znanej długości (oznakowany np. co 0,5m), i dotknięcie lustra wody można wykryć zwykłym omomierzem. Jeżeli to będzie przewód jednożyłowy, pomiaru można dokonać w stosunku do ziemi.
Na końcu przewodu można zamontować np. czujnik w postaci dwóch blaszek w celu zmniejszenia rezystancji przy zetknięciu z wodą.
Zasada działania taka jak tu:
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic557265.html

To nie do końca tak, bo musimy wykonywać pomiar ciągły a poziom wody w studni się zmienia, więc trzeba by wyciągać i opuszczać przewód nadążnie, co nie jest dobrym pomysłem, bo musiałaby nad całą aparaturą elektroniczną czuwać mechanika, która zajmowałaby się obracaniem bębna z przewodem.

Myślę, że pomiar za pomocą ultradźwięków byłby najlepszy. Kiedyś zrobiłem ultradźwiękowy układ do pomiaru poziomu wody w rzece. Miał zasięg 18 metrów na otwartym powietrzu (miernik był przeznaczony do instalacji na moście) a dokładność pomiaru wynosiła 1 cm. W Twoim przypadku należałoby zastosować nadajnik o odpowiednio większej mocy, chociaż w studni straty będą na pewno mniejsze niż na otwartym powietrzu.

Nawet nie musi być ultradzwiekowy. Wystarczy mały głośniczek i mikrofon. za pomocą małego kontrolerka liczysz czas od wysłania sygnału dzwiekowego do uchwycenia go za pomoca mikrofonu. W studni nie potrzebna bedzie duza moz mysle byle jaki wzmacniacz o mocy 1W sobie poradzi.

Żeby uzyskać precyzyjny wynik pomiaru układ powinien uwzględniać zmianę prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej w powietrzu. Znaczący wpływ ma tu m.in. ciśnienie.
I jeszcze pytanie: jaka może być minimalna i maksymalna odległość lustra wody od powierzchni ziemi we wszystkich studniach?

Pytanie zasadnicze:
1.Jaka jest odległość od poziomu ziemi do lustra wody.
2.Jaka jest głębokość wody ,czyli odległość od dna do lustra .
Głębokośc 450m ,o której piszesz ,to nie jeset chyba głębokość wody .
Pomiar radarem jak i ultradźwiękami nie uda się ze względu na głębokość ( zakres pomiarowy) jak i średnicę rury ( kąt , a raczej stożek wiązki radarowej lub ultradźwiękowej).
Od odpowiedzi na te dwa pytania zależy dalsze postępowanie .
Rozsądnym byłoby wykonanie sondy hydrostatycznej zawieszonej na kablu ( może wykonanie specjalne np. Aplisens, typ SG25 )lub wykonanie sondy hydrostatrycznej z nadmuchem powietrza tj. rurka np. igielitowa grubościenna z obciążnikiem do dna i pomiar ciśnienia hydrostatycznego dowolnym przetwornikiem ( ale nie 450m wody bo to 4,5MPa ) .Rurę po pomiarze można zwinąć na bęben (dlatego grubościenna aby nie załamywała się).

Bigsiu wrote:

Do voytaschec: Wykorzystanie światła laserowego w takim przypadku jest dość kłopotliwe, ponieważ:
- powierzchnia lustra wody może być wzburzona więc światło odbije się pod innym kątem niż 90st i wytłumi na ścianach studni.
- nawet jeżeli do odbiornika dotrze fala odbita, to na pewno powstaną różne mody.
- policzyłem, że dla pomiaru 500m i zegara w procesorze 32MHz otrzymamy rozdzielczość ok 10m a ponieważ to 10m jest wartością stałą, więc procentowa dokładność dla mniejszych odległości nie będzie spełniała założeń

Dalmierze laserowe działają na trochę innej zasadzie. Nie mierzy się czasu
przelotu impulsu tylko wyznacza odległość metodą triangulacyjną. Nic nie musi się odbijać pod kątem 90 stopni; mody nie mają tutaj absolutnie żadnego znaczenia. No i oczywiście zegar nie ma także znaczenia, bo jak napisałem nie dokonuje się pomiaru czasu.

Do me_super:
Czy mógłbyś podrzucić jakiś link/tytuł książki, która w miarę kompleksowo opisuje temat dalmierzy laserowych? (oczywiście google.com sam sobie przejrzę)
Do Andmit:
1.Jaka jest odległość od poziomu ziemi do lustra wody?
Odległość to od 100m do 450m (w tym zakresie może się zmieniać)
2.Jaka jest głębokość wody ,czyli odległość od dna do lustra .
Ta odległość zależy od studni i może wynosić od 200m do 1000m
Poczytam o czujnikach o których napisałeś/łaś

Dziękuję wszystkim za pomoc, czekam na kolejne posty.

Andmit wrote:

Pomiar radarem jak i ultradźwiękami nie uda się ze względu na głębokość ( zakres pomiarowy) jak i średnicę rury ( kąt , a raczej stożek wiązki radarowej lub ultradźwiękowej).

Andmit, czy możesz napisać coś więcej na ten temat?

Pozdrawiam
Rasel

Bigsiu wrote:

Do me_super:
Czy mógłbyś podrzucić jakiś link/tytuł książki, która w miarę kompleksowo opisuje temat dalmierzy laserowych? (oczywiście google.com sam sobie przejrzę)

Nie wiem czy istnieją jakieś publikacje dot. dalmierzy. Zasada działania jest prosta, pozostaje znajomość mechaniki, optyki i elektroniki+programowanie. Może coś na stronie Zeiss'a, bo produkuje także dalmierze laserowe (ale do maks. 200m).

Podaj maila ,a wyślę Ci instrukcję (w pdfie) do miernika radarowego - tam dość fajnie opisano sposób pomiaru oraz warunki do spełnienia.

mail to bialy-wilk(at)wp.pl

dzięki

Można zrobić falowód, zanurzyć w studni, i mierzyć radarem przez ten falowód; falowód to rura metalowa,
wewnątrz której jest pręt metalowy (najlepiej żeby rura i pręt były okrągłe i współosiowe), miejsce między
rurą a prętem powinno być puste (trochę muszą zająć jakieś zamocowania pręta w rurze). Należałoby
to zrobić tak, żeby woda mogła dostać się do środka; na końcu powinien być opornik o wartości równej
impedancji falowej dla falowodu zanurzonego w wodzie. Taki falowód przenosi fale elektromagnetycze
o dowolnej częstotliwości, i odbijają się one na granicy woda-powietrze - mierząc to odbicie uzyska się
informację, jaki jest poziom wody. Być może najprościej będzie zrobić generator, który wyśle na początku
impuls w ten falowód, i będzie go powtarzał po odebraniu odbitego impulsu, i mierzyć jego okres - będzie
około 3µs - żeby to się dało bez pomiaru małych czasów, można zliczyć np. 100 okresów.

Uwagi: tłumienie sygnału jest odwrotnie proporcjonalne do średnicy rury - orientacyjnie, jeśli średnica
wewnętrzna rury będzie 1cm, średnica pręta w środku 3mm, to z kilkuset metrów powinien być dobry
sygnał odbity (dla rury, a zwłaszcza pręta z miedzi); impedancja falowa "mokra" będzie około 9X mniejsza;
prawdopodobnie trzeba będzie tę miedź polakierować, żeby nie korodowała (pamiętaj, że jest trująca).
Można by rozważyć inne konstrukcje falowodu, ale tylko rura będzie niewrażliwa na otoczenie - jeśli
użyjesz np. płaskiego kabla antenowego, to zbliżenie go do ścianki może odbić sygnał tak, jak woda.

Czy instrukcja dotarła -wysłałem ale nie jestem pewien.
Co do radaru z falowodem ( o którym pisze jta ) - nie spotkałem się z tak dużymi zakresami -450m -chociaż wykonywane sa radary z falowodem linowym (Emerson -Saab; Endress+Hauser). A ten falowód prętowy musiałbył mieć 450m ,jak go zamontować .
Pracuję w automatyce już 17 lat i z takim zagadnieniem ,jak dotąd , nie spotkałem się .Ja skontaktowałbym się z jedną z podanych firm (proponję E+H) i podpytać ich co by zaproponowali ? Sam jestem bardzo ciekawy jak to się robi ,ale profesjonalnie.

Wygląda na to, że mamy zagadnienie: czy przewód o długości pół kilometra może nie rozciągać się trwale
pod własnym ciężarem. Miedź lub brąz o przekroju 1mm2 ważą około 9 gramów/metr, a więc 4.5kg całość.
Wytrzymałość miedzi jest ponad 30kG/mm2, brązu ponad 50, więc kabel urwać się nie powinien; nie wiem
natomiast, czy nie będzie się rozciągał - a mierząc dobrze byłoby wiedzieć, ile go mamy na szpuli.

Sprawa objętośći - powiedzmy, że ma średnicę zewnętrzną 3cm, przekrój 8cm2 - metr zajmie prawie
litr objętości, pół kilometra prawie pół metra sześciennego - w osobowy samochód ciężko to zabrać.

Najgorzej pewnie będzie ze zginaniem - można by pomyśleć o wykonaniu rury jako oplotu, środkowy
pręt zastąpić linką - ale wtedy nie wiem, jak to skonstruować, żeby utrzymywać "wycentrowanie".

Pytanie: czy da się do kabla zamocować coś, co by nie przeszkodziło w jego zwijaniu, a utrzymało go
na dystans od ścianek studni? Bo jeśli tak, to może jednak coś w stylu płaskiego kabla antenowego...

---

Z innych metod: pomiar dźwiękiem - prędkość dźwięku nie zależy znacząco od ciśnienia, natomiast
zależy od temperatury (jest proporcjonalna do pierwiastka z temperatury bezwzględnej). Na szczęście
od głębokości paru metrów temperatura pod ziemią jest dość stała w czasie; zależy od głębokości, i od
konkretnego miejsca - trzeba by było jakoś "wycechować" każdą studnię. Poza tym, jeśli średnica
studni nie jest stała, to mogą występować odbicia, fala może się rozmywać - to utrudni pomiar.

Jeszcze coś mi przyszło do głowy: rura o znanej długości, z końcem zanurzonym w wodzie, przez
którą powoli (żeby to nie dało znaczącego spadku ciśnienia w rurze) by się pompowało powietrze
- ciśnienie powietrza w rurze będzie odpowiadać wysokości wody nad końcem rury.

Ostatni pomysł wydaje się być najbardziej realny i praktyczny!

A może jednak pomiar za pomocą dźwięku?
Fala dźwiękowa rozchodząca się wzdłuż rury może być uważana za falę płaską o czole prostopadłym do osi rury. A głośnik i mikrofon można spuścić na linie o znanej długości np. 400 m i wówczas nie potrzeba mierzyć całych 450 metrów za pomocą fali dźwiękowej a wystarczy jedynie 50...

pozdrawiam
Rasel

Jeśli mogę dołożyć swoje 5gr, to to, kiedy boja dotknie powierzchni lustra wody można by zorganizować jeszcze w inny sposób. Boja wykonana z dielektryka. Na dnie boi dwie elektrody, zaś w samej boi układ wykrywający przepływ pomiędzy nimi prądu. Zasilanie układu oczywiście zamknięte w boi. Teraz dwie możliwości sygnalizacji, albo głośny dźwięk dający operatorowi sygnał, że to właśnie w tym momencie lustro dotknięte (w takiej rurze to dźwięk się wyśmienicie rozchodzi) ewentualnie radiowo jako antenę można by wykorzystać linkę pomiarową. W tym rozwiązaniu odchodzi droga waga i program śledzący zachowanie odczytu. A przy wykorzystaniu nadajnika w boi bez problemu pomiar można zautomatyzować całkowicie.

Do Rasel:
- Opuszczanie takiej aparatury na głębokość 400m przy pomiarze 450m nie jest dobrym pomysłem, ponieważ:
- W momencie opuszczania urządzenie nie jest znana (nawet orientacyjnie) wysokość lustra wody
- Wydaje mi się, że pomiar za pomocą dźwięku powinien być tak wykonany, aby fala była generowania prostopadle do przekroju poprzecznego otworu, co w tym przypadku nie zawsze mogłoby być możliwe

Pomysł voytascheca jest dość ciekawy, ale musimy pamiętać, że poziom w trakcie pomiaru może się zmieniać, więc trzebaby było dołączyć jakiś układ nadążny, który co jakiś czas sprawdzałby czy linka, na której wisi pływak nie jest luźna (nie wiem, czy dość precyzyjnie to opisałem).

Do _jta_:
- Branie pod uwagę rozciąganie się kabla nie jest konieczne, bo zawsze można nie robić go samonośnym.
- Do takiego kabla raczej nic nie przymontujesz a to ze względu na to, że:
- kabel musi być elastyczny
- ściany studni mogą nie być płaskie
- Montowanie falowodu z rur jest chyba bardzo czasochłonne a urządzenie musi być przenośne. Taki falowód niestety ma równo rozłożony ciężar i w przypadku, gdy studnia nie jest dokładnie pionowa może być problem z wprowadzeniem takiego przewodu.

Do Andmit:
Dziękuję za instrukcję - dotarła - dziś postaram się w nią wgłębić.

Mam jeszcze jeden pomysł sprowadzający się do pomiaru rezystancji. W takiej studni z pewnością jest przewidywalny pewien zakres występowania poziomów wody. Przyjmijmy, że jest to 50m. Na końcu kabla, na odcinku tych 50m należy umieścić łańcuch szeregowo połączonych rezystorów, np. 10k, w odstępach powiedzmy 20cm, lub 0,5m, zależy jaką chcemy dokładność. Może ich być np. 300. Oczywiście rezystory są zabezpieczone przed wodą, a styczność z wodą ma tylko przewód pomiędzy nimi. Rezystancja wody zbocznikuje częśc zanurzoną, a pomiar wypadkowej rezystancji, da pojęcie o poziomie. Pomiar można przeprowadzić w stosunku do ziemi. Taką sondę pomiarową można pozostawić na stałe już przy budowie, albo przy "pierwzym pomiarze".
Nie będzie też zachodzić zjawisko elektrolizy, gdyż pomiar nie jest dokonywany w trybie ciągłym.
Można osiągnąć dużą dokładność, gdyż zależy ona tylko od odstępów pomiędzy rezystorami.
Odmianą tego rozwiązania może być pływak z magnesem nanizany na elastyczną rurkę (szczelną) wewnątrz której będą wspomniane rezystory, oraz kontaktrony zwierające część rezystorów w zależności od poziomów.
Na końcu tego wszystkiego oczywiście musi byś ciężarek powodujący łatwe zanurzenie.

Bigsiu wrote:

W momencie opuszczania urządzenie nie jest znana (nawet orientacyjnie) wysokość lustra wody

Takie urządzenie może pracować = mierzyć poziom wody podczas opuszczania do studni, więc opuszczanie można przerwać w momencie, gdy głowica pomiarowa urządzenia będzie w określonej odległości od lustra wody.

Bigsiu wrote:

Wydaje mi się, że pomiar za pomocą dźwięku powinien być tak wykonany, aby fala była generowania prostopadle do przekroju poprzecznego otworu, co w tym przypadku nie zawsze mogłoby być możliwe

Czoło fali musi być równoległe a nie prostopadłe do lustra wody, czyli membrana głośnika musi być równoległa do lustra wody. Głowica pomiarowa urządzenia opuszczana do studni może mieć postać walca o średnicy kilku...klikunastu centymetrów.

Pozdrawiam
Rasel

Myślę, że w miarę prostym i skutecznym sposobem będzie opuszczanie do studni rurki i tłoczenie w nią powietrza,
trzeba tylko umieć dokładnie określić, na jakiej głębokości (od powierzchni ziemi) znajduje się koniec rurki - a więc
rurka musi być z materiału, który nie będzie się rozciągał pod własnym ciężarem, lub mieć w środku linkę z takiego
materiału (nie na zewnątrz, bo jak o coś zaczepi przy wyciąganiu, to się urwie), ze znacznikami położenia, które by
się dało odczytać poprzez rurkę (uwaga, linka byłaby do pomiaru - główny ciężar powinna trzymać sama rurka).

Po przemyśleniach przyszedł mi pomysł zaczerpnięty częściowo z budowy poziomowskazu mechanicznego typu SILOPILOT -pomiar poziomu w zbiornikach np: z cementem .Działa tak:na taśmie stalowej ( 0,2x10mm) zawieszony jest ciężarek ,taśma przechodzi przez rolkę o znanym obwodzie (obroty rolki są liczone i przekazywane do licznika - w danym przypadku obwód rolki 200mm i dwa impulsy na obrót .czyli pomiar co 100mm)., oraz system sprzęgieł mechanicznych . Pomiar rozpoczyna się od opuszczenia ciężarka na taśnie aż do osiągnięcia poziomu cementu ,następuje zmniejszenie obciążenia taśmy ,przez system sprzęgieł zmiana kieruku i zwijanie taśmy z jednoczesnym zliczaniiem (co 100mm) długości taśmy .Stop pomiaru, to wyłącznik krańcowy naciskany przez krawędź ciężarka po zwinięciu tasmy.
A teraz moja propozycja : pomiar hydrostatyczny z nadmuchem powietrza ( stały przepływ z regulatora np:R503 Controlmatiki) do rurki- pomiar ciśnienia hydrostatycznego (słupa wody). Ze względu na dużą wysokość słupa wody zawęzimy pomiar do np:20m co daje ciśnienie hydrostatyczne ok 0,2MPa - zakres uwarunkowany jest wytrzymałością rurki ( i tu proponowałbym rurkę paliwową ,gumową ,zbrojoną o srednicu wewn. ok. 6 ...10 mm - im grubsza tu lepsza ,ale musi zmieścić sie na bębnie ) oraz zakresem przetwornika ( tu jest duża możliwośc ) oraz dysponowanym ciśnieniem ( może tu być inny gaz np:z butli ,azot ).
Rurkę,obciążoną aby mogła być stabilnie opuszczona do studni , opuszczamy mierząc jej długość .Tutaj pomysł zaczerpniemy z SILOPILOTA - bęben o znanym obwodzie (np 1m) ,zliczanie obrotów w układzie czujnik -licznik ,czyli co 1m, po którym przewija się opuszczana rurka . W momencie osiągnięcia lustra wody zacznie rosnąć ciśnienie hydrostatyczne w rurce ,mierzone przetwornikiem - opuszczamy do momentu osiągnięcia połowy zakresu ( odczyt z miernika - 50% zakresu).Wówczas mamy pomiar - długość rurki z licznika obrotów bębna - 50% zakresu pomiarowego z ciśnienia hydrostatycznego . Dlaczego te 50% -otóż daje to możliwość dokładnego (ciągły sygał pomiarowy )pomiaru lustra wody w zakresie ustalonym dla przetwornika pomiarowego , możliwość wpięcia w układ regulacyjny (wówczas 50% zakresu to dokładnie poziom lustra wody.
Układ łatwy w obsłudze i instalacjii w studni - poza tym nosi cechy rozwiązania przemysłowego - nie jest zabawką ,pomiar jest dokładny i powtarzalny.
Opory przy przepływie powietrza przez długą ( bo 450m)rurkę ,objawiające się wskazaniami poziomu przy otwartym wylocie rurki (czyli "zero" zakresu) ,kompensujemy "wyzerowaniem "przetwornika.

Gdyby użyć rury o średnicy wewnętrznej d=2mm, to czas ustalania się rozkładu ciśnienia w rurze o długości l=1km
będzie rzędu kwadransa, i jest proporcjonalny do (l/d)^2. Pytanie, jak szybko chce się mierzyć ten poziom wody.

---

Jeszcze co do odbicia fali elektromagnetycznej od wody: woda ma przenikalność dielektryczną około 80 w zakresie
częstotliwości do paru GHz, około 10GHz jest duże tłumienie, i przenikalność szybko maleje, do kilku (około 6). Musi
mieć jeszcze tłumienie przy wyższych częstotliwościach, bo w zakresie optycznym ma mniejszą przenikalność.
Używać paru GHz jest raczej dość trudno, więc w zakresie "używalnym" można liczyć na dobra odbicie fali.

Zamiast falowodu "pręt w rurze" mogą być dwa równoległe przewody, umieszczone w pewnej odległości od siebie,
i naokoło, w nieco większej odległości, ekran z przewodu nawiniętego dość ciasno na rurze, w której są te dwa.
Istotne jest, by przestrzeń w rurze była w miarę pusta, i by woda miała do niej dostęp - przewodzenie sygnału
przez taki falowód zależy od obecności wody w rurze, i na powierzchni wody większa część sygnału się odbije.
Rura nie ma być poddawana żadnym naprężeniom, poza własnym ciężarem - musi mieć wytrzymałość wzdłuż
(to jednak z pół kilometra, i rura nie powinna się urwać); poza tym trzeba wiedzieć, ile jej zostało na wierzchu
(może tak, żeby kawałek rury na wierzchu zanurzyć w wodzie, i zmierzyć odbicie fali, żeby nie rozwijać całości..).

Zaletą takiej metody "radar w falowodzie" jest niewrażliwość wyniku na rozciągnięcie rury i temperaturę; sposób
polegający na opuszczaniu czegokolwiek, co mierzy, zafałszuje wynik z powodu rozciągania się tej "miary" pod
swoim ciężarem, a pomiar używający dźwięku da wynik zależny od temperatury - to będzie trzeba korygować.