مقياس مستوى الخزان بالموجات فوق الصوتية: 5 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

هل تحتاج إلى مراقبة مستوى السائل في بئر بقطر كبير ، أو خزان ، أو حاوية مفتوحة؟ سيوضح لك هذا الدليل كيفية عمل مقياس مستوى السوائل غير المتصل بالسونار باستخدام إلكترونيات رخيصة!

يوضح الرسم أعلاه نظرة عامة على ما كنا نهدف إليه من خلال هذا المشروع. يحتوي الكوخ الصيفي الخاص بنا على بئر بقطر كبير لتوفير مياه الشرب للاستخدام في المنزل. في أحد الأيام ، تحدثت أنا وأخي عن كيف اعتاد جدنا قياس مستوى المياه يدويًا من أجل تتبع استهلاك المياه وتدفقها طوال الصيف لتجنب الإفراط في السحب. كنا نظن أنه مع الإلكترونيات الحديثة يجب أن نكون قادرين على إحياء التقليد ، ولكن مع عمل يدوي أقل. من خلال بعض حيل البرمجة ، تمكنا من استخدام Arduino مع وحدة السونار لقياس المسافة وصولاً إلى سطح الماء (لتر) بموثوقية معقولة ودقة تبلغ ± بضعة ملليمترات. هذا يعني أنه يمكننا تقدير الحجم المتبقي V ، باستخدام القطر المعروف D والعمق L ، بدقة تبلغ حوالي ± 1 لتر.

نظرًا لأن البئر يقع على بعد حوالي 25 مترًا من المنزل وأردنا عرض الشاشة في الداخل ، فقد اخترنا استخدام جهازي Arduinos مع ارتباط بيانات بينهما. يمكنك بسهولة تعديل المشروع لاستخدام Arduino واحد فقط إذا لم يكن هذا هو الحال بالنسبة لك. لماذا لا تستخدم نقل البيانات لاسلكيا؟ يرجع ذلك جزئيًا إلى البساطة والمتانة (يقل احتمال تعرض السلك للتلف بسبب الرطوبة) وجزئيًا لأننا أردنا تجنب استخدام البطاريات على جانب المستشعر. باستخدام سلك ، يمكننا توجيه كل من نقل البيانات والطاقة عبر نفس الكابل.

1) وحدة Arduino في المنزل: هذه هي وحدة Arduino الرئيسية. سيرسل إشارة تشغيل إلى Arduino في البئر ، ويستقبل المسافة المقاسة ويعرض حجم الماء المتبقي المحسوب على الشاشة.

2) وحدة Arduino والسونار ذات جوانب جيدة الغرض من Arduino هو ببساطة تلقي إشارة الزناد من المنزل وإجراء القياس وإرسال المسافة من وحدة السونار إلى مستوى الماء. تم دمج الإلكترونيات في صندوق (محكم نسبيًا) ، مع أنبوب بلاستيكي متصل بالجانب المستقبِل لوحدة السونار. الغرض من الأنبوب هو تقليل أخطاء القياس عن طريق تقليل مجال الرؤية بحيث لا يرى المستقبل سوى سطح الماء.

الخطوة 1: الأجزاء والاختبار والبرمجة

استخدمنا الأجزاء التالية في هذا المشروع:

• 2 × Arduino (واحد لقياس مستوى السائل ، وواحد لإظهار النتائج على الشاشة)
• مصدر طاقة أساسي بجهد 12 فولت
• وحدة الموجات فوق الصوتية (السونار) HC-SR04
• وحدة عرض LED MAX7219
• كابل هاتف بطول 25 مترًا (4 أسلاك: إشارات طاقة وأرضية و 2 بيانات)
• صندوق التركيب
• الغراء الساخن
• جندى

تكلفة قطع الغيار: حوالي 70 يورو

للتأكد من أن كل شيء يعمل كما ينبغي ، أجرينا جميع اختبارات اللحام والأسلاك واختبار المقعد البسيط أولاً. هناك الكثير من الأمثلة على برامج مستشعر الموجات فوق الصوتية ووحدة LED عبر الإنترنت ، لذلك استخدمناها فقط للتأكد من أن المسافة المقاسة منطقية (الصورة 1) وأننا تمكنا من التقاط انعكاس الموجات فوق الصوتية من سطح الماء على- الموقع (الصورة 2). لقد أجرينا أيضًا بعض الاختبارات الشاملة لرابط البيانات للتأكد من أنه يعمل على الإطلاق لمسافات طويلة ، والتي ثبت أنها لا تمثل مشكلة على الإطلاق.

لا تقلل من أهمية الوقت الذي تقضيه في هذه الخطوة ، حيث من الضروري معرفة أن النظام يعمل قبل بذل الجهد لتركيب كل شيء بشكل جيد في الصناديق ، وحفر الكابلات وما إلى ذلك.

أثناء الاختبار ، أدركنا أن وحدة السونار تلتقط أحيانًا انعكاسًا صوتيًا من أجزاء أخرى من البئر ، مثل الجدران الجانبية وأنبوب إمداد المياه ، وليس سطح الماء. هذا يعني أن المسافة المقاسة فجأة ستكون أقصر بكثير من المسافة الفعلية إلى مستوى الماء. نظرًا لأنه لا يمكننا ببساطة استخدام المتوسط لتخفيف هذا النوع من أخطاء القياس ، فقد قررنا تجاهل أي مسافات مقاسة جديدة كانت مختلفة جدًا عن تقدير المسافة الحالية. هذه ليست مشكلة لأننا نتوقع أن يتغير مستوى المياه ببطء على أي حال. عند بدء التشغيل ، ستقوم هذه الوحدة بإجراء سلسلة من القياسات وتحديد أكبر قيمة تم الحصول عليها (أي أدنى مستوى للمياه) باعتبارها نقطة البداية الأكثر احتمالية. بعد ذلك ، بالإضافة إلى قرار "الاحتفاظ / الإهمال" ، يتم استخدام تحديث جزئي للمستوى المقدر لتخفيف أخطاء القياس العشوائية. من المهم أيضًا السماح لجميع الأصداء بالتلاشي قبل إجراء قياس جديد - على الأقل في حالتنا حيث تكون الجدران مصنوعة من الخرسانة وبالتالي تكون ذات صدى شديد.

يمكن العثور هنا على الإصدار الأخير من الكود الذي استخدمناه مع اثنين من Arduinos:

github.com/kelindqv/arduinoUltrasonicTank

الخطوة الثانية: الأعمال المدنية

نظرًا لأن بئرنا كان يقع على مسافة من المنزل ، كان علينا إنشاء خندق صغير في العشب لوضع الكابل فيه.

الخطوة 3: توصيل وتركيب جميع المكونات

قم بتوصيل كل شيء كما كان أثناء الاختبار ، ونأمل أن يظل يعمل! تذكر أن تتحقق من أن دبوس TX على أحد Arduino ينتقل إلى RX للآخر ، والعكس صحيح. كما هو موضح في الصورة 1 ، استخدمنا كابل الهاتف لتزويد Arduino بالطاقة في البئر ، لتجنب استخدام البطاريات.

تُظهر الصورة الثانية والثالثة ترتيب الأنابيب البلاستيكية ، مع وضع جهاز الإرسال خارج الأنبوب ووضع جهاز الاستقبال بالداخل (نعم ، كان هذا وضع التصوير غير مريح …)

الخطوة 4: المعايرة

بعد التأكد من حساب المسافة من المستشعر إلى مستوى الماء بشكل صحيح ، كانت المعايرة مجرد مسألة قياس قطر البئر والعمق الكلي بحيث يمكن حساب حجم السائل. قمنا أيضًا بتعديل معلمات الخوارزمية (الوقت بين القياسات ، ومعلمات التحديث الجزئي ، وعدد القياسات الأولية) لإعطاء قياس قوي ودقيق.

ما مدى جودة تتبع المستشعر لمستوى السائل؟

يمكننا أن نرى بسهولة تأثير شطف الصنبور لبضع دقائق ، أو تنظيف المرحاض ، وهو ما أردناه. يمكننا حتى أن نرى أن البئر كانت تتم إعادة تعبئتها بمعدل يمكن التنبؤ به نسبيًا بين عشية وضحاها - كل ذلك بمجرد لمحة على الشاشة. النجاح!

ملاحظة: - التحويل بين الوقت والمسافة لا يصحح حاليًا التغيرات في سرعة الصوت بسبب تغيرات درجة الحرارة. قد تكون هذه إضافة جيدة في المستقبل ، لأن درجات الحرارة في البئر ستختلف قليلاً!

الخطوة 5: الاستخدام طويل الأمد

تحديث لمدة عام: يعمل المستشعر بدون عيوب دون ظهور علامات التآكل أو التلف على الرغم من البيئة الرطبة! كانت المشكلة الوحيدة خلال العام هي أن التكثيف يتراكم على المستشعر أثناء الطقس البارد (في الشتاء) ، مما يحجب المستشعر بشكل واضح. هذه ليست مشكلة في حالتنا لأننا نحتاج فقط إلى قراءات خلال فصل الصيف ، ولكن قد يضطر المستخدمون الآخرون إلى الإبداع!:) ربما يكون العزل أو التهوية من الحلول الممكنة. اختراع سعيد!