Ultrazvukový merač hladiny nádrže: 5 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Potrebujete monitorovať hladinu kvapaliny v studni s veľkým priemerom, nádrži alebo otvorenej nádobe? Táto príručka vám ukáže, ako vyrobiť sonarový bezkontaktný merač hladiny kvapaliny pomocou lacnej elektroniky!

Skica vyššie ukazuje prehľad toho, o čo sme sa v rámci tohto projektu zamerali. Naša letná chata má studňu s veľkým priemerom na dodávku pitnej vody na použitie v dome. Jedného dňa sme sa s bratom rozprávali o tom, ako náš starý otec zvykol ručne merať hladinu vody, aby mal počas leta prehľad o spotrebe a prívale vody, aby sa vyhol prečerpaniu. Mysleli sme si, že s modernou elektronikou by sme mali byť schopní oživiť tradíciu, ale s menším podielom ručnej práce. Pomocou niekoľkých programovacích trikov sa nám pomocou Arduina so sonarovým modulom podarilo s rozumnou spoľahlivosťou a presnosťou ± niekoľko milimetrov zmerať vzdialenosť až k vodnej hladine (l). To znamenalo, že sme mohli odhadnúť zostávajúci objem V pomocou známeho priemeru D a hĺbky L s presnosťou ± 1 liter.

Pretože sa studňa nachádza asi 25 m od domu a chceli sme, aby sa displej nachádzal v interiéri, rozhodli sme sa použiť dva Arduino s dátovým prepojením medzi nimi. Ak to nie je váš prípad, projekt môžete ľahko upraviť tak, aby používal iba jedno Arduino. Prečo nevyužiť bezdrôtový prenos dát? Čiastočne kvôli jednoduchosti a robustnosti (vodič je menej pravdepodobne poškodený vlhkosťou) a čiastočne kvôli tomu, že sme sa chceli vyhnúť používaniu batérií na strane snímača. Pomocou drôtu by sme mohli smerovať prenos dát aj napájanie cez ten istý kábel.

1) Modul Arduino v dome Toto je hlavný modul Arduino. Pošle spúšťací signál do Arduina v studni, prijme nameranú vzdialenosť a na displeji zobrazí vypočítaný zostávajúci objem vody.

2) Dobrovoľný modul Arduino a sonar Účelom tohto Arduina je jednoducho prijať spúšťací signál z domu, vykonať meranie a odoslať späť vzdialenosť od modulu sonaru k hladine vody. Elektronika je zabudovaná do (relatívne vzduchotesnej) skrinky s plastovým potrubím pripevneným na prijímaciu stranu modulu sonaru. Účelom potrubia je znížiť chyby merania zmenšením zorného poľa tak, aby prijímač „videl“iba vodnú hladinu.

Krok 1: Diely, testovanie a programovanie

V tomto projekte sme použili nasledujúce časti:

• 2 x Arduino (jeden na meranie hladiny kvapaliny, jeden na zobrazenie výsledkov na displeji)
• Základný 12V zdroj
• Ultrazvukový (sonarový) modul HC-SR04
• LED displejový modul MAX7219
• 25 m telefónny kábel (4 vodiče: napájací, uzemňovací a 2 dátové signály)
• Montážny box
• Horúce lepidlo
• Spájka

Cena dielov: Asi 70 €

Aby sme sa uistili, že všetko funguje tak, ako má, najskôr sme vykonali spájkovanie, zapojenie a jednoduché testovanie na lavičke. Existuje množstvo príkladov programov pre ultrazvukový senzor a modul LED online, takže sme ich použili len na to, aby sme sa presvedčili, že meraná vzdialenosť dáva zmysel (obrázok 1) a že sme dokázali zachytiť ultrazvukový odraz od vodnej hladiny na- stránky (obrázok 2). Tiež sme urobili niekoľko dôkladných testovaní dátového spoja, aby sme sa uistili, že funguje niekedy na dlhé vzdialenosti, čo sa ukázalo ako žiadny problém.

Nepodceňujte čas strávený týmto krokom, pretože je dôležité vedieť, že systém funguje predtým, ako sa budete snažiť všetko pekne namontovať do škatúľ, kopať káble atď.

Počas testovania sme zistili, že sonarový modul niekedy zachytáva zvukový odraz z iných častí studne, ako sú bočné steny a trubica na prívod vody, a nie z vodnej hladiny. To znamenalo, že nameraná vzdialenosť bude zrazu oveľa kratšia ako skutočná vzdialenosť od hladiny vody. Pretože na vyhladenie tohto typu chyby merania nemôžeme jednoducho použiť priemerovanie, rozhodli sme sa zahodiť všetky nové namerané vzdialenosti, ktoré sa príliš líšili od súčasného odhadu vzdialenosti. Nie je to problematické, pretože očakávame, že sa hladina vody bude aj tak meniť pomerne pomaly. Po spustení tento modul vykoná sériu meraní a ako najpravdepodobnejší počiatočný bod vyberie najväčšiu prijatú hodnotu (t.j. najnižšiu hladinu vody). Potom sa okrem rozhodnutia „ponechať/vyradiť“použije aj čiastočná aktualizácia odhadovanej úrovne na vyhladenie náhodných chýb merania. Pred vykonaním nového merania je tiež dôležité nechať zmiznúť všetky ozveny - prinajmenšom v našom prípade, keď sú steny vyrobené z betónu, a preto sú veľmi ozvučné.

Konečnú verziu kódu, ktorý sme použili pre dva Arduino, nájdete tu:

github.com/kelindqv/arduinoUltrasonicTank

Krok 2: Stavebné práce

Keďže naša studňa bola vzdialená od domu, museli sme v trávniku vytvoriť malý zákop, do ktorého vložíme kábel.

Krok 3: Pripojenie a montáž všetkých komponentov

Pripojte všetko tak, ako to bolo počas testovania, a dúfajte, že to stále funguje! Nezabudnite skontrolovať, či pin TX na jednom Arduine smeruje k RX druhého a naopak. Ako je znázornené na obrázku 1, na napájanie Arduina v studni sme použili telefónny kábel, aby sme sa vyhli použitiu batérií.

Druhý a tretí obrázok zobrazuje usporiadanie plastových rúrok, pričom vysielač je umiestnený mimo potrubia a prijímač je umiestnený vo vnútri (áno, toto bola nepohodlná poloha pri snímaní …)

Krok 4: Kalibrácia

Keďže sme sa presvedčili, že vzdialenosť od senzora k hladine vody je vypočítaná správne, kalibrácia bola len otázkou zmerania priemeru studne a celkovej hĺbky, aby bolo možné vypočítať objem tekutiny. Tiež sme upravili parametre algoritmu (čas medzi meraniami, parametre čiastočnej aktualizácie, počet počiatočných meraní), aby poskytovali robustné a presné meranie.

Ako dobre teda senzor sledoval hladinu kvapaliny?

Ľahko sme mohli vidieť účinok niekoľkohodinového splachovania kohútika alebo splachovania toalety, čo sme chceli. Dokonca sme mohli vidieť, že studňa sa cez noc napĺňala relatívne predvídateľnou rýchlosťou - to všetko jediným pohľadom na displej. Úspech!

Poznámka:- Konverzia času a vzdialenosti v súčasnosti neopravuje zmeny rýchlosti zvuku v dôsledku teplotných zmien. Mohlo by to byť pekné budúce rozšírenie, pretože teploty v studni sa budú dosť líšiť!

Krok 5: Dlhodobé používanie

Aktualizácia 1 rok: Senzor funguje bez vlhkého prostredia bez známok korózie alebo poškodenia! Jediným problémom v priebehu roka bolo, že sa v chladnom počasí (v zime) na senzore hromadí kondenzácia, ktorá snímač evidentne blokuje. V našom prípade to nie je problém, pretože čítanie potrebujeme iba v lete, ale ostatní používatelia môžu byť kreatívni!:) Izolácia alebo vetranie sú pravdepodobne uskutočniteľné riešenia. Šťastné vymýšľanie!