Füllstandsmessung von zwei phasigen Flüssigkeiten

  • Hallo liebe Community!


    Ich habe vor Folgendes Projekt zu realisieren. Da ich mich jedoch erst mal Schlau machen will welche Möglichkeiten es gibt poste ich es noch nicht im Projekte Thread sondern erst mal hier bei der E-Technik :P.


    Situation:
    Ich muss für meiner Arbeit den Füllstand von Betonbecken messen. Dabei besteht der Inhalt aus zwei Phasen (obere: klares Wasser, untere: verschmutztes Wasser / Schlamm). Der komplette Füllstand der Becken ist immer voll, da verschmutztes Wasser in das Becken läuft, dort setzt sich die Verschmutzung ab und das klare Wasser fliest wieder ab. Die Tiefe des Beckens ist auch immer bekannt (zwischen 1,5m und 3m). Mich interessiert der Anteil an verschmutztem Wasser in der Grube.


    Aktuelle Messmethode:
    Ich nutze zur Zeit ein Plexiglasrohr mit einer Rückschlagklappe am Ende. Dies tauche ich in das Wasser ein, lasse es bis zum Boden sinken und ziehe es dann wieder heraus. Dann lese ich anhand von Markierungen am Rohr den Anteil an Schlamm ab.


    Idee:
    Ich möchte das ganze durch eine Sensormessung ersetzen (gibt es zu kaufen, aber mit über 2000€ außerhalb meines Kostenrahmens).
    Meine Gedanken dazu sind, das ich das ganze mit Lichtsensor und einem Drucksensor messe. Der Lichtsensor wird mittels einer Diode mit Licht versorgt. Wenn die Schlammschicht erreicht wird nimmt die Helligkeit stark ab und der Sensor gibt dies an den Rasperry weiter. Die Wassertiefe wird mithilfe von einem Drucksensor gemessen. Meine Fragen hierzu sind jetzt: Was für Sensoren kommen da in Frage?


    Bei Drucksensoren habe ich jetzt sowas gefunden. Dieser wird aber mit Sicherheit nicht wasserdicht sein. Auch weiß ich nicht wie genau so ein Teil arbeiten kann. Mir reicht da eine Genauigkeit von 5-10cm (0,005bar - 0,01bar) Auch muss der dort vorherrschende Luftdruck ja noch heraus gerechnet werden um ein brauchbares Ergebnis zu bekommen. Das dürfte aber softwareseitig kein größeres Problem sein.


    Bei den Lichtsensoren bin ich noch nicht so weit. Meine Theorie ist, dass der Sensor je nach Lichtstärke einen anderen Wiederstand ausgibt. Dieser Wiederstand wird dann an den Pi gesendet (in welcher Form ist fast egal, da ich nur relativwerte brauche)


    Ich hoffe ihr könnt mir einige Ratschläge geben welche Sensoren dafür in Frage kommen. Herzlichen Dank schon mal im vorraus.



    MfG
    Johannes

    Edited once, last by Defcon84 ().

  • Also ein bisschen andere Ansatzpunkt wäre z.B. IR Lichtschranken Dioden zu nehmen. Gibt es paarweise, also eine IR LED und ein IR Sensor. In klarem Wasser sollte bei einem Abstand von 1-2 cm der Sensor durchaus noch melden das er Licht von der LED empfängt. Kommt das dann ins schmutzige Wasser bzw in den Schlamm, so wird quasi die Lichtschranke unterbrochen.


    Um zu messen wie Tief dann die Schlammschicht ist könntest du doch auch ganz einfach einen Steppermotor benutzen, von dem du genau weißt wieviel Entfernung pro Step abgesenkt wird. Dann kannst du einfach so lange den Motor steppen lassen, bis die Lichtschranke unterbrochen wird. Ein kleinen Zähler für die Steps dann mitlaufen lassen, dann brauchst du nur noch Anzahl der Steps mal der Absenktiefe pro Step rechnen und fertig.


    Spaar dir ganze Probleme mit dem Drucksensor. Stepper kann ja außerhalb des Behälters sein und LED + Sensor Wasserdicht zu kriegen dürfte das kleinste Problem sein.

  • Einen Ring bauen mit einer LED und der passenden Empfaengerdiode auf beiden
    Innenseiten des Rings und den absenken ins Wasser.


    Die Schnur ueber ein Rad mit einem optischen Encoder laufen lassen und so die
    Eintauchtiefe messen.


    Wenn der Antrieb motorisiert und recht langsam ist, kann man auch nur die Zeit
    messen bis es dunkel wird.

  • Zeig doch mal ein Foto von der Flüssigkeit, dann können wir uns das vielleicht besser vorstellen.


    Aus dem Bauch raus würde ich einfach einen Stab nehmen
    und an diesem solche Lichtschranken (CNY36) in regelmäßigen Abständen montieren.


    Wenn die Unterschiede zwischen sehr trüben Wasser (schon fast Sediment)
    und dem fast klaren Wasser zu groß ist,
    müssten vielleicht im unteren Bereich immer zwei Lichtschranken nebeneinander montiert werden,
    welche unterschiedlich empfindlich eingestellt sind.


    Interessantes Projekt!


    Kolja

  • Die (permanente) Lichtschrankenlösung birgt ein prinzipielles Problem:
    Der Dreck im Wasser wird die Linsen verschmutzen, so dass nach einer gewissen Zeit keine plausible Messung mehr möglich ist.


    Die "lift off" Lichtschrankenlösung könnte mit einer Reinigungseinrichtung versehen werden, die die Lichtschranke bei jedem (z.B. auch motorischem) rausziehen säubert...


  • Zeig doch mal ein Foto von der Flüssigkeit, dann können wir uns das vielleicht besser vorstellen.
    Kolja


    Vorlage


    auf der Seite 37 und 38 erkennt man eigentlich ganz gut was ich vorhabe.


    Die Tiefe über Stepper oder Motoren zu messen dauert mir eigentlich zu lange. Ich führe am Tag zwischen 10 und 30 Messungen durch. Wenn eine davon 2 Minuten dauert bin ich alleine für diesen Arbeitsschritt schon 60 Minuten los. Eine Messung sollte eigentlich nicht länger als 20 Sekunden dauern.

  • Prächtig!
    Jetzt sehe ich auch erst, was du tun willst.


    Habe auch schon mit Dreck zu tun gehabt......
    Man findet Grobmotoriker auf dem Gebiet.
    Feine Strukturen verbieten sich, die verstopfen, klemmen und was auch immer.
    Die Optischen Sensoren scheinen ja vorhanden zu sein und zu funktionieren.
    Weiter verwenden.


    Mein Vorschlag:
    Da es ja nur Wasser(+Schlamm) ist, könnte man (für die Höhe) mit einem kapazitiven Sensor arbeiten.
    Dann Eintauchtiefe und Trübung, in x-y, auf einem Display darstellen.


    Also 2, zum Wasser isolierte, Blechprofile als Kondensator in einen Schwingkreis integrieren.
    So bekommt man den Bezug Frequenz zur Eintauchtiefe.
    Trübungssensor unten dran.


    Eintauchgeschwindigkeit dürfte dabei recht egal sein....


  • Die Tiefe über Stepper oder Motoren zu messen dauert mir eigentlich zu lange. Ich führe am Tag zwischen 10 und 30 Messungen durch. Wenn eine davon 2 Minuten dauert bin ich alleine für diesen Arbeitsschritt schon 60 Minuten los. Eine Messung sollte eigentlich nicht länger als 20 Sekunden dauern.


    "Öhne Ärmchen keine Kekse" :lol:


    Du könntest die Meßsonde motorisch an einem Seil runterlassen, das Seil geht über einen Umlenkrolle mit Strichplatte und Optokoppler. Die Impulse werden gezählt (Die Berechnung der Abwickellänge über den Durchmesser und die notwendige Anzahl der Striche auf der Platte für die geforderte Messgenauigkeit solltest du hinbekommen :-) )
    Auf die Drehrichtung musst du nicht achten, die wird ja vorgegeben mit der Motorsteuerung..


    Der Motor (mit Endlagenschalter in der Aufwicklung) wird vom RasPi gesteuert, beim runterlassen ist Schluss, wenn der Sensor "dunkel" wird, ansonsten ggf. am 2. Endlagenschalter... Über die Abwicklung wird die Messtiefe (Schlammgrenze) ermittelt...


    Das Ganze kann vollautomatisch laufen per RP, der kann die gesamte Steuerung + Messung + Speicherung + Übertragung (WLAN) übernehmen...


    @Kapazitiv messen in einer Flüssigkeit mit wechselnder (z.T. leitfähigen, weil Säuren, Basen und Salze) Zusammensetzung führt zu nix. Das wird definitiv nix, glaub mir! Auch wenn die Elektroden isoliert werden, ist das Dielektrikum (die "Jauche") nie von gleicher Qualität... das wird nix reproduzierbares...


    cu, Zen

  • erstmal müsste geklärt (achtung, wortwitz! *G*) werden, ob du die messung VOLLautomatisch haben möchtest.. oder semi-automatisch.. sprich: willst du dabei nicht anwesend sein müssen? oder bist du dabei anwesend und suchst nur eine erleichterung/optimierung?
    Ich vermute, am Ende wird das problem bei der zeitlichen optimierung sein.. das einlassen der messeinheit wird so oder so einiges an zeit in anspruch nehmen.. zu schnell einlassen wird sicherlich nicht gehen, weil dann das sediment aufgewirbelt wird und damit kein brauchbares ergebnis mehr möglich sein wird..


    ich vermute mal das "betonbecken" hat keine sichtfenster? oder andere möglichkeiten von der seite dranzukommen?


    (folgendes ist letztenendes fast nur eine zusammenfassung der vorschläge aus diesem thread)
    Eine weitere Möglichkeit über Helligkeit wäre:
    Lichtwellenleiter (da kann man auch flexibles Glasfaser nehmen) mit einer LED am ende versehen (kleiner Abstand zwischen lichtwellenleiter und LED) Dies zum eintauchen nutzen.. sobald der raum zwischen LED und lichtwellenleiter sich optisch ändert.. sprich: sobald du in den schlamm eintauchst, hast du am anderen ende eine gravierende lichtänderung. du könntest auch, wie oben erwähnt, direkt das licht unten messen.. in dem du sender und empfänger nah bei einander packst.. so wie es letztenendes auch bei deinem verlinkten pdf file zu sein scheint..
    um dann die tiefe zu messen könntest du einfach am lichtwellenleiter oder seil die längen aufmalen.. beim manuellen einlassen der sensorik ins messmedium siehst du dann die länge an dem seil/lichtwellenleiter..
    um dies zu automatisieren kannst du auch die erwähnte lenkrolle als messinstrument nehmen.. ganz nach dem prinzip wie auch ein mausrad funktioniert..
    wenn das komplette einlassen ins messmedium auch automatisiert werden soll, kannst du das per motorgesteuerter seilwinde machen... und dann per umlenkrolle messen.. oder wie oben erwähnt einen stepper motor für das herablassen ins messmedium nehmen, welcher klar definiert das seil herablässt..


    problem bleibt immer die säuberung der messeinheit.. aber auch dies könnte man automatisieren mit einer kleinen wasserpumpe die die messeinheit abspritzt, sobald sie das messmedium verlässt.


    wie du siehst, ist es möglich das ganze zu 100% vollautomatisch zu messen.. es ist eine frage des aufwandes beim bauen und der kosten.. (wissen aneignen zähle ich zu beidem dazu)


    bin gespannt auf deine lösung.. bitte hier weiter brainstormen.. und vorallem das ergebnis mitteilen!

    Edited once, last by demlak ().


  • @Kapazitiv messen in einer Flüssigkeit mit wechselnder (z.T. leitfähigen, weil Säuren, Basen und Salze) Zusammensetzung führt zu nix. Das wird definitiv nix, glaub mir! Auch wenn die Elektroden isoliert werden, ist das Dielektrikum (die "Jauche") nie von gleicher Qualität... das wird nix reproduzierbares...


    Ach .... nee.....
    Eine einfache 2 Punkt Kalibrierung sollte längst gut genug sein.


    Punkt 1: Nicht eingetaucht
    Punkt 2: Roter Ring, bei 1m Eintauchtiefe, Knöpfchen drücken oder Sensor an der Stelle


    Für Punkt 2 gibt es eine weitere/einfachere Alternative, denn:

    Quote

    Die Tiefe des Beckens ist auch immer bekannt (zwischen 1,5m und 3m)



    Quote

    Auch wenn die Elektroden isoliert werden,


    Natürlich müssen sie das!
    Und die Isolierung muss sehr stabil sein. Wg. den rauen Betonkanten und den Transporten im Auto.


    Ein Raspberry scheint mir an der Stelle auch übertrieben zu sein. Ein beliebiger Arduino könnte reichen.


  • Eine einfache 2 Punkt Kalibrierung sollte längst gut genug sein.


    Punkt 1: Nicht eingetaucht
    Punkt 2: Roter Ring, bei 1m Eintauchtiefe, Knöpfchen drücken oder Sensor an der Stelle


    ... solange das Medium keine horizontale Konzentrationsschichtung aufweist, besser als nix, Rest weiter unten...:


    Also wenn ich den TO richtig gelesen habe, werden zw. 10..30 Messungen am Tag gemacht...
    Klar, wenn es auf den cm nicht ankommt, mag das gehen, aber offensichtlich sucht man eine Lösung, die reproduzierbare Resultate bringt und wenig Arbeit macht... (das wiederholte Eintauchen bis zu einer Markierung - noch dazu von schräg oben betrachtet und unter schlechten Lichtverhältnissen - immer präzise auszuführen, ist sehr mühsam und erfordert motiviertes Personal :lol: , mit einem Sensor ja, aber das macht das Ganze ja wieder aufwendiger..)


    Die vielen Tagesmessungen "schreien" geradzu nach eine automatischen Messung. Und der Aufenthalt an einer "Jauchegrube" ist sicherlich nicht sonderlich idyllisch als dass man öfter macht als unbedingt notwendig.



    Für Punkt 2 gibt es eine weitere/einfachere Alternative, denn:


    Äh... welche ?



    Ein Raspberry scheint mir an der Stelle auch übertrieben zu sein. Ein beliebiger Arduino könnte reichen.


    Hm, kommt auf die Anforderungen des TO an: Wenn die Daten erfasst und ggf. ausgewertet werden sollen/müssen, stehen beim Arduino nur eine serielle SS zur Verfügung (oder man baut eine Funkstrecke dazu), der RP ist da von Hause aus flexiber.


    Für rein manuelles Handling reicht jedoch wirklich ein Arduino mit LCD-Anzeige...

  • Also wenn häufige Messungen nötig sind, warum dann nicht einfach eine durchgehende Messung aufbauen ?
    Ist ja auch die frage wie häufig und wie stark sich der Füllstand vom Schlamm verändert ?


    Einfache Lichtschranke am Stab mit Stepper wie ich schon mal sagte dann in den Behälter eintauchen lassen. Fährt so lange runter bis die Lichtschranke dann meldet das die "dicke Suppe" erreicht ist, daraufhin wird ein paar Steps wieder nach oben gefahren, bis erkannt wird das man im klaren Wasser ist. Dort bleibt dann das ganze an Ort und Stelle.


    Da der RPi das ganze ja gemacht hat, weiß der genau wie tief die Lichtschranke nun hängt, und man kann jederzeit ablesen wie tief es ist. Da geht dann das "messen" so schnell wie du den Wert lesen kannst.


    Und mit einem kleinen Programm dabei bleibt der Wert auch immer aktuell.
    Wenn Lichtschranke unterbrochen, solange hoch fahren bis wieder im klaren Wasser ist. => So kriegt man dann sich erhöhenden Schlamm-Spiegel mit.
    In bestimmten Zeitabständen (sagen wir mal jede Minute) wird die Lichtschranke wieder soweit runter gefahren, bis Lichtschranke unterbrochen wird, und daraufhin dann wieder soweit hoch, bis klare Wasser erreicht. => So kriegt man absenkenden Schlamm-Spiegel mit.


    Einzige Zeit zu der dann der ablesbaren Wert nicht 100% der Messung entspricht sind zu diesen "update" Intervallen, und das dürfte nicht länger als ein paar Sekunden benötigen.


    Automatische Reinigung in irgend einer Form alle paar Stunden lässt sich da sicher auch irgendwie einbauen.

  • Das scheinen mir Kleinkläranlagen zu sein.
    Also ländlicher Bereich.
    Und die 20 Messstellen eines Tages verteilen sich auf etliche Quadratkilometer.
    Wenn ich das also richtig verstanden habe, sind automatische Messungen so, wie ihr euch das vorstellt unmöglich.



    Quote


    Äh... welche ?


    Das Becken von Tante Adelheid ist immer 1,8m tief.
    Und das Becken von Bauer Paul 3m
    Was soll sich daran ändern? Nicht ohne Bagger.

  • Achso, es geht um Messungen an vielen unterschiedlichen Becken. Ich glaub die meisten sind jetzt von einem Becken ausgegangen, das häufig gemessen werden soll.


    Also bei vielen unterschiedlichen Becken würde wahrscheinlich eine Teleskop-Konstruktion Sinn machen.
    Also z.B. 30cm lange Stäbe mit einen einfachen Schienensystem aneinander befestigen, so das immer das nächste Segment "fallen gelassen" werden kann. nach jedem ausfahren wird geschaut ob Schlamm erreicht wurde, falls ja wird so lang hoch gefahren bis wieder klares Wasser erreicht ist.
    Die Segmente dürften sehr schnell ablaufen, und für die Feinmessung am ende dürfte das dann auch unter einer Minute passieren. Die länge der Segmente kann man da ja auch variieren.


    Hoffe ich konnte verständlich beschreiben was ich meine :D