Kaivon pinnankorkeuden mittaus

[tunkki]

Näin iltamyöhään tulee joskus mietittyä kaikkea levotonta ja tosi tärkeää joten:
Onko kukaan viritellyt mitään automatiikkaa kaivon pinnankorkeuden mittaamiseen? Viimeksi kävin mittaamassa vissiin parivuotta sitten ja nyt sitten taas tänään. Olisi aivan mielenkiintoista dataa seurata, että miten pinta liikkuu ja ilman että tarvii kömpiä mittanauhan kanssa huoltokaivoon sisälle  :-?

Menee vähän ohi oman alan, joten mikä tuossa olisi sopiva anturi? Laser tai infrapuna ei taida toimia "veteenpäin mitattaessa" mutta ultraääni taitaisi pelittää? Mittausalue pitäisi olla (ainakin meillä) esim nollasta kymmeneen metriin tms.

Hmm..nyt kun laittoi noita mittasuhteita paperille, niin jos reikä on 5.5" ja mitattava pinta on vaikka siellä 10-20m päässä, niin tuollainen sädeanturi täytyy sihdata aivan kohtuullisen tarkasti asteina ajateltuna, että se osuisi veteen 20m päässä...


Entäs jos aihetta lähestyisi näin: jäykistä sähköputkista tehdään liitoksilla vaikkapa 20m pitkä putki, toinen pää tulpataan ja viritys laitetaan kaivoon (älkää kysykö miten 20m pitkä yhtäpuuta oleva sähköputki saadaan ehjänä kaivoon). Ennen kaivoon laittamista pitää putkeen tehdä pieni reikä että kaivon pintatieto tulee myös sähköputkeemme. Nyt meillä olisi pieni suora väylä maankamaralta kaivon pintaan ja nyt pitäisi keksiä jokin anturi, jonka voisi tiputtaa sähköputkeen kellumaan. Kaivossa oleva palikka x ja maankamaralla oleva palikka y saisivat keskusteluillaan selville että mikä on heidän etäisyytensä toisiinsa nähden. Tällähetkellä ei vain ole aavistustakaan mitä nämä palikat x ja y voisivat olla.

Edelleen tuohon sähköputkiviritelmään voisi laittaa koko matkalle vierekkäin olevat metalliliuskat  ja putkeen metallinen koho  8-) joka oikosulkisi nämä liuskat ja näin saisi mitattua resistanssin muuttumisella pinnankorkeuden muuttumisen. Mahtaisko tuo toimia jopa ilman tuota kohoa ja antaisi veden hoitaa oikosulkemisen? Entäs jos tässä mittaisikin kapasitanssia? Äkkiseltään tuollainen liuskaviritys voi olla vähän hankala rakentaa ja tuossa voi tulla setä Korroosio Amerikasta joskus kylään ja aiheuttaa systeemin kaatumisen. Ja muutenkin tämä liuskahärdelli tuntuu aika epätoivoiselta ratkaisulta. -> ei hyvä.

Entäs sitten ilmanpaineanturit sekä maankamaralle että kaivoon ja paine-erosta saisi etäisyyden, mutta tuossa ei tarkkuutta saisi kovin hyväksi. Kai...

Tuo kaivossa oleva anturi on vähän haasteellinen, olisi hyvä jos se puhuisi jotakin langatonta, mutta sitten tullee ongelmia patterin/akun keston kanssa kun kaivossa on kuitenkin aika kylmää.

Mitäs muita vaihtoehtoja voisi olla?

[Nörtti]

Tulipa kerran mieleeni, että voisikos hommaa hiukan helpottaa käyttämällä avonaista johtoparia, jonka tunkee kaivoon. Periaatteessa niitä voisi laittaa useampiakin, syydeltään esim. parin metrin välein. Mittaa vaan kustakin johtoparista resistanssia ja veden pinta  löytyy jossain vaiheessa. Hienoutena voisi vaikka rakentaa valosarjan, jossa näkyy mitkä parit johtaa.

Tarkkuus ei ole häävi, mutta helppoa ja varmaa tekniikkaa...

Ehkä voisi rakentaa valmiiksi maan päällä vaikkapa vesijohdon suojaputkeen piuhasatsin, jonka sitten vaan laskee kaivoon. Tuollaiseen suojaputkeen saisi varmaan kymmeniä piuhoja.

-Markku-

[olammi]

Mittaa vaan kustakin johtoparista resistanssia ja veden pinta  löytyy jossain vaiheessa. Hienoutena voisi vaikka rakentaa valosarjan, jossa näkyy mitkä parit johtaa.

Tarkkuus ei ole häävi, mutta helppoa ja varmaa tekniikkaa...

Minkäslaista jännitettä vaatisi, että vedessä erillään olevien piuhojen välisen resistanssin saa selville? Ja miten tähän tarkkuuteen vaikuttaisi esim. ajan mittaan niiden johtojen päiden ryöttääntyminen siellä kaivossa? Eli olisiko riittävän pitkäikäinen? Tietysti, jos on helppo konstruktio, niin sen voisi putsata kerran vuodessa.

Yksi mieleentuleva olisi virittää jotain pieniä rajakytkimiä koholla varustettuna putkeen. Saisiko mikrokytkimistä aikaan kestävää ja vedenpitävää ratkaisua? Voi olla, että on vaikeaa tai jos kytkin on vedenpitävä, niin ratkaisu on kallis, jos mittauspisteiden määrän haluaa vähänkään isommaksi.

Edit: Googletus toi tuollaista teknistä kuvausta erilaisista pinnanmittaustavoista: http://www.tp.spt.fi/~salabra/automaatio/ProsSim/Doc/Sensors/Pinnankorkeus.html

[Matias]

Joku tuollainen painelähetin johonkin syvyyteen kaivoon.
http://www.ifm-electronic.com/ifmfin/web/dsfs!PS3417.html

[seppaant]

Terveisiä kesälaitumilta. Alkukesä meni savusaunassa saunomiseen,  helteiden lopetettua sen nautinnon lähdin Lappiin kultaa huuhtomaan.

Mutta sitten itse asiaan

Yksinkertainen, halpa ja jokamiehen tehtävissä oleva pinnanmittaus on "kuplailumittaus"

Kaivoon työnnetään sormenpaksuinen muoviputki siten että putken pää on esim 5 m pinnan alla.
Putken toiseen päähän kytketään painemittari ja polkupyörän venttiili. Mittarin lukematarkkuus tulee olla parempi kuin 0,1 bar.
Nyt vain pumpataan putkeen hiljakseen ilmaa kunnes paineen nousu pysähtyy. Jos putken pää on 5m syvyydessä, pitää mittarin näyttää 0,5 bar.
Jokainen 0,1 bar muutos paineessa vastaa 1m muutosta pinnan korkeudessa.

Jos haluaa hienostella, voi painemittarin paikalle laittaa painelähettimen ja ilmansyöttöön joku jatkuvatoiminen paineilmalähde. Ilman määräksi riittää, että putken päästä tulee kupla silloin tällöin.

ATS

[Roori]

Minä olen mitannut vedenpinnan korkeuden kaivostani ed. viestin periaatteella työntämällä vanhaksi jäänyttä muovista vesiputkee kaivoon, olisko jotain 15mm ulkohalkaisijaltaan.
Sitten aina sopivin välein puhaltelua ja kuuntelua koska alkaa pulputus kuulua. Kun pulputus alkaa niin vesipinta on siinä sitten palttiarallaa +100mm korkeammalla. Merkki putkeen maanpinnan korkeudelle ja putki ylös ja rullamitta töihin. Kun käytän samaa letkua niin vanhasta merkistä voin todeta että vesi oli keskikesällä 10-20cm alempana kuin kaivontekoaikaan 2007.
Tuo onnistuu vain jos kaivossa sattuu olemaan sellaista vettä joka ääntelehtii...

[tunkki]

Kiitoksia kaikille ideoista ja vastauksista! Pidän asiaa mietintämyssyssä. Tuo Matiaksen ehdottama painelähetin kuulostaa sopivan hiteciltä, joten olisko se siinä. Mikä olisi käytännössä sopiva viritys tuon painelähettimen toiseen päähän, jossa on pc?

[Hanslankari]

Jos sen ei tartteisi olla jatkuvatoiminen niin riittäisi kun laittaisi tuollaisen Matiaksen ehdottaman painelähettimen vaikkapa 0-1bar alueella kymmenen metrin syvyyteen kun arvelet pinnan olevan korkeimmillaan. Sitten laadit taulukon, jossa 4mA vastaa 0m ja 20mA 10m vettä anturin yläpuolella. Sitten mittaat vaan yleismittarilla mA-viestin ja katsot taulukosta mitä metrimäärää se vastaa. PC:llä helpointa varmaan sarjaportin kautta ja luulis jo tähän päivään mennessä jonkun tehneen 4-20mA ja 0-10V analogiasignaaleja lukevan sarjaporttivirityksen käyttöliittymineen. Siihen sitten vaan USB - sarjaporttiadapteri väliin jos ei sarjapottia löydy. PC olis tietysti siitä kätevä, että saisit anturin käyttöjännitteen myös PC:stä.

[TomiN]

Minulle tuli mieleen jonkinlainen kaikumittaus, eli tehdään jonkinlainen äänipulssi ja sitten kaiun takaisintuloaika mitataan?

[olammi]

Minulle tuli mieleen jonkinlainen kaikumittaus, eli tehdään jonkinlainen äänipulssi ja sitten kaiun takaisintuloaika mitataan?

Tästä tuli mieleen ihan tajunnanvirtana seuraava idea. En tiedä onko mitattavissa tai toteuttamiskelpoinen, mutta olisi ainakin ideana esitettyihin nähden uusi.

Jos käsittäisi tuollaisen vedellä täytetyn kaivoputken urkupilliksi. Samaan tapaan kuin pulloilla voi soittaa eri korkuisia säveliä riippuen pulloin täyttöasteesta. Sitten jonkunlainen mikrofoni kaivon yläpäähän ja sillä kuunnellaan kaivoa. Mahtaisiko kaivon "viritys" olla mitattavissa taustakohinan spektristä vai pitäisikö sinne jotenkin aiheuttaa sointia. Paineilmaa puhaltamalla? Muuten? Tällainen mittaus varmaan pitäisi kalibroida jotenkin kokeilemalla, koska kaivot lienevät erilaisia, mutta saattaisi olla pelle pelottoman toteutettavissa.

[Hanslankari]

No jos se hinnasta ei ole kiinni niin sittenhän sinne voi laittaa ihan normaalin ultraäänianturin, jotta ei tarvitse keksiä pyörää uudestaan. Suunnattavuus on edelleen kysymysmerkki mutta eiköhän tuolla senttiluokan tarkkuuteen päästäisi.

[Reetu]

No jos se todella ei ole hinnasta kiinni niin eikös olisi hyvä idea palkata vaikka viitisen kappaletta mittaustekniikan tohtoreita jotka voisivat kolmivuorotyötahdilla mitata pinta vaikkapa joka minuutti ja kirjata googledokkariin johon sulla olisi oikeus pällistellä tuloksia?  

Näin sillä olisi oikeasti työllistävä vaikutus eikä olisi niin kallista jos saisi kotitalouvähennystäkin, vaikkei semmoinen tuntuisi juuri missään jos on tolla lailla rahaa tuhlata tommosiin.  

Toinen hullu idea: joku paino vastaavan nosteisella kellukkeella joka liitetään kevyesti (mutta riittävästi) jousitettuun siimakelaan joka on liitettynä odometriin joka sitten laskee sen painokelluukkeen kulkeman matkan summan eestaas?

Valitan spämmäystä, tuntui vaan siltä.    Toivottavasti oli riittävästi hymiöitä?  

[hapansilakka]

Löysin sattumalta tämän ketjun, joten ajattelin lisätä tänne hieman lihaa luiden ympärille.

Meille porattiin viime syksynä 180m kaivo, johon ei tullut vettä. Porari tuumasi, että ei se kaivo tyhjäksi jää, odotellaan täyttymistä ja lasketaan putket sitten. Koska odottavan aika on pitkä, eritoten silloin kun odottaa jotain, jota ei tiedä kuinka kauan joutuu odottamaan, ryhdyin miettimään vaihtoehtoja vedenpinnan mittailuun 180m syvässä reiässä. Päädyin kaikumittauksen käyttämiseen. Tuloksena sain varmistettua, että reikää todellakin porattiin se 180m, ja että kaivo alkoi täyttyä 60cm tuntivauhdilla. Toisin sanoen, TomiN, et ole lainkaan hakoteillä ehdotuksesi kanssa, menetelmä toimii oikeasti. Parasta menetelmässä on, että kaikilta säätämisen ystäviltä löytyy valmiiksi vermeet mittauksen tekemiseen.


Menetelmä lyhyesti

Laitteet
- Älypuhelin, johon asennettuna nauhoitussovellus (Androidille esim. HQ audio Recorder)
- Tietokone, johon asennettuna äänieditori (esim. Audacity)

Mittauksen kulku
1. Käynnistä nauhoitus älypuhelimessa ja pidä puhelinta paikallaan kaivon yläpään läheisyydessä.
2. Tuota mahdollisimman impulssimainen ääni kaivoon ja odota, kunnes kaivon soiminen on lakannut.
3. Toista kohta 2 muutaman kerran.
4. Pysäytä nauhoitus.
5. Siirrä nauhoitettu äänitiedosto tietokoneelle.
6. Avaa tiedosto äänieditorissa.
7. Editorin näyttämässä aaltomuodossa näkyy yhtä monta ajan suhteen vaimenevaa impulssijonoa kuin mitä impulsseja tuotettiin kohdassa 2-3. Valitse "puhdas" (= ylimääräisiä ääniä sisältämätön) impulssijono ja mittaa siitä kahden peräkkäisen impulssin välinen aikaero (t) sekunteina.
8. Määritä veden pinnan syvyys seuraavalla kaavalla: h = 336 * t / 2 (metriä kaivon suulta).


Menetelmä sitä oikeasti soveltavalle

Laitteet
- Älypuhelin, johon asennettuna nauhoitussovellus. Nauhoitussovelluksen kannattaa tukea pakkaamatonta PCM-muotoista tiedostoformaattia, käytännössä yleensä .wav. Suositeltava nauhoituksen näytteenottotaajuus 44,1kHz tai 48kHz, jotta aaltomuodosta on helppoa tunnistaa peräkkäiset impulssit. Sovelluksen mahdollisesti tukemat prosessoinnit (kohinanvaimennus, tason automaattisäätö, ym.) pitää voida poistaa käytöstä. (Androidille esim. HQ audio Recorder)
- Tietokone, johon asennettuna äänieditori (esim. Audacity)

Mittauksen kulku
1. Aseta älypuhelimen nauhoitussovellus kohdassa "Laitteet" kuvatulla tavalla. Käynnistä nauhoitus ja pidä puhelinta paikallaan kaivon yläpään läheisyydessä. Nauhoituksen aikana kannattaa välttää ylimääräisten äänten aiheuttamista.
2. Tuota mahdollisimman impulssimainen ääni kaivoon ja odota, kunnes kaivon soiminen on lakannut. Avonaiseen kaivoon impulssin voi tuottaa esim. sormea napsauttamalla aukon päällä. Suojahatulliseen kaivoon saa helposti impulssin napauttamalla sopivalla esineellä (vaikka ruuvimeisselin kahvalla) suojahatun päälle. Tässä on syytä huomata, että meisseli ei saa jäädä pomppimaan suojahatun päällä, vaan impulssi tulee tuottaa ainoastaan kerran. Muutaman harjoituksen jälkeen tämän saa onnistumaan tiputtamalla meisseli sentin-parin korkeudelta kahva edellä suojahattuun ja ottamalla sen kiinni ennen kuin se pompun jälkeen ehtii tippumaan hattuun toistamiseen.
3. Toista kohta 2 muutaman kerran, jotta voit myöhemmin nauhoituksen aaltomuotoa tarkasteltaessa valita onnistuneimman impulssin analysoitavaksi.
4. Pysäytä nauhoitus.
5. Siirrä nauhoitettu äänitiedosto tietokoneelle. Helppo tapa tähän on esim. Dropbox.
6. Avaa tiedosto äänieditorissa.
7. Editorin näyttämässä aaltomuodossa näkyy yhtä monta ajan suhteen vaimenevaa impulssijonoa kuin mitä impulsseja tuotettiin kohdassa 2-3. Valitse "puhdas" (= ylimääräisiä ääniä sisältämätön) impulssijono ja mittaa siitä kahden peräkkäisen impulssin välinen aikaero. Tarkimpaan tulokseen pääsee, kun zoomailee ja katselee kotvan yksittäisten impulssien muotoa ja tunnistaa tismalleen saman kohdan kahdessa peräkkäisessä impulssissa. Audacityssa horisontaalinen (ajan suhteen) zoomaus käy helposti ctrl + hiiren rulla, vertikaalinen (tason suhteen) zoomaus aaltomuodon vasemmassa reunassa olevan skaalan päällä hiirellä maalaamalla. Todellisuudessa yksittäinen impulssi ei ole yksi nätti piikki altomuodossa, vaan leviää ajassa. Mitä syvemmällä vesi kaivossa on, sitä vääristyneempiä ja vaimentuneempia heijastuneet impulssit ovat. Impulssien etäisyys kannattaa mitata äänieditorissa paremman tarkkuuden saavuttamiseksi mieluummin näytteinä (samples) kuin sekunteina.
8. Määritä veden pinnan syvyys metreinä seuraavalla kaavalla:
h = c * (n/fs) / 2
missä
c = 336m/s (äänen nopeus kaivossa olevassa ilmassa)
n = kahden peräkkäisen impulssin välinen etäisyys näytteinä
fs = nauhoitteen näytteenottotaajuus (esim. 44100Hz tai 48000Hz)
Kahdella jako tulee luonnollisesti siitä, että ääni kulkee mitattavan matkan kahteen kertaan (ensin alas, sitten ylös).

(seuraavassa viestissä lisävinkkejä, koska eivät mahtuneet tähän...)

[hapansilakka]

(...jatkoa edelliseen)

Lisävinkkejä

- Jos haluat seurata veden pinnankorkeutta kaivossa pitemmän ajan kuluessa, riittää, kun toistat silloin tällöin kohdat 1-4 ja analysoit sopivan hetken tullen kerralla isomman nipun nauhoituksia.
- Kohta 7 on todennäköisesti se, jossa menee sormi hetkeksi suuhun. Ensisilmäyksellä impulssijono saattaa näyttää sutulta, josta on hankala löytää yksittäisiä impulsseja. Nauhoitusta kuuntelemalla ja zoomailemalla sutusta saa kuitenkin hetken pähkäilyllä melko varmasti selkoa. Joissain tapauksissa impulssien välinen etäisyys kannattaa mitata ensimmäisen impulssin alusta toisen impulssin alkuun (vesi syvällä), joissain tapauksissa kahden myöhemmän heijastuksen välinen etäisyys on helpommin ja tarkemmin määriteltävissä (vesi lähellä maan pintaa esim. alle 10m syvyydessä).
- Riippuu impulssin tuottamistavasta minkä vaiheisena ensimmäinen impulssi näkyy aaltomuodossa. Jos teet impulssin napsauttamalla sormia, ensimmäinen impulssi tulee nauhoitukseen positiivinen paine edellä (aaltomuodossa on huippu ensimmäisenä). Jos teet impulssin suojahattua napauttamalla, ensimmäinen impulssi alkaa negatiivisella aallolla (aaltomuodossa kuoppa ensimmäisenä). Molemmissa tapauksissa ensimmäinen heijastuma tulee positiivinen reuna edellä, ja impulssien etäisyyttä mitattaessa ensimmäisen reunan perusteella, mitataan etäisyys ensimmäisten reunojen välillä riippumatta siitä, kumpaan suuntaan aaltomuoto taittuu.
- Impulssijonon ensimmäinen impulssi on todennäköisesti saturoitunut (= leikkaantunut), mikä ei välttämättä haittaa, jos määrittää impulssien etäisyyden juuri ensimmäisten nousu-/laskureunojen välisenä aikaerona.
- Menetelmä toimii yhtä hyvin niin tyhjälle kuin putkitetullekin kaivolle.
- Koska äänen nopeus ilmassa riippuu jossain määrin ilman lämpötilasta, kosteudesta ja paineesta, pääsee tarkempaan tulokseen, jos laskee todellisen äänennopeuden esim. täältä löytyvän laskurin avulla:
http://www.sengpielaudio.com/calculator-airpressure.htm
Kannattaa huomata, että laskuriin pitää arvioda nimenomaa kaivossa vallitsevat olosuhteet. Yllä käyttämäni 336m/s on laskettu 6.5degC, 100kPa, 90%.
- Mittaus on suhteellisen tarkka, jos tekee analysoinnin äänieditorissa huolellisesti. Oman analysointihataruuden tuottaman epätarkkuuden vähentämiseksi voi määrittää impulssien etäisyyden muutamasta eri impulssijonosta ja ottaa näistä keskiarvon.
- Nauhoituslaitteen etäisyys kaivon suulta summaantuu tulokseen. Ensimmäisen ja toisen impulssin välimatka sisältää ainoastaan tämän etäisyyden puolikkaan. Muiden impulssien välimatkassa tämä etäisyys on kokonaisena.
- Voin laittaa esimerkkikuvia impulssien etäisyyden määrittämisestä, jos joku näkee sen tarpeelliseksi.

[hapansilakka]

Huomasin asiavirheen seuraavassa kommentissa:
"- Nauhoituslaitteen etäisyys kaivon suulta summaantuu tulokseen. Ensimmäisen ja toisen impulssin välimatka sisältää ainoastaan tämän etäisyyden puolikkaan. Muiden impulssien välimatkassa tämä etäisyys on kokonaisena."

Tämä ei pidä paikkaansa. Kaikkien peräkkäisten impulssien välimatka vastaa tarkalleen äänen tuottamiskohdan ja vedenpinnan välistä etäisyyttä x 2.

Tässä vielä mittausdata, jonka keräilin kaivon poraamisen jälkeen. Kaivo täyttyi hyvinkin tasaista vauhtia ensimmäisen viikon ajan, minkä jälkeen voi havaita täyttymisen asteittaista hidastumista. Parinkymmenen metrin kohdalla kolmetoista päivää porauksen jälkeen soitin porausfirman laskemaan keruuputket kaivoon. Pohjavesi näyttää tontillamme olevan 5,3 metrissä, johon pinta asettui päivän-parin kuluttua putkien laskemisesta. Samalla korkeudella tuntuu vesi olevan nyt puoli vuotta myöhemminkin.

[Rotikka]

Pojat ovat kehitelleet hienoja mittaustapoja. Ne eivät kuitenkaan sovellu nykykäytännöille. Kaivonporaajat tekevät työn yleensä urakkana, jossa kaivo porataan ja putki asennetaan ja liitetään kiinteistöön saman tien. Huoltokaivolle laitetaan kansi ja maata päälle! Kaikki tämä yhdessä työpäivässä. Olisi keksittävä systeemi, joka asennetaan tuossa samassa yhteydessä ja sitä voidaan sitten lukea ilman kaivon kannen purkamista.

[hapansilakka]

Rotikan kuvaamaan "nykykäytäntöön" toteaisin, että tämä riippuu täysin siitä, mitä urakoitsijan kanssa sopii ennen työn suorittamista. Kaivon päälle ei ole suinkaan pakko juntata maata päälle välittömästi. Sen muutaman lapiollisen voi vallan hyvin jättää siihen odottelemaan, että veden pinta kaivossa on asettunut. Eritoten jos kaivo ei täyty heti porauksen yhteydessä lienee viisasta varmistaa, että täyttyminen todella tapahtuu ennenkuin pumpun laittaa käyntiin.

Kaivon suuta ei ole välttämätöntä piilottaa maan sisään lainkaan. Jos on halukkuutta seurata veden pinnankorkeutta kaivossa, voi porakaivon yläpään ympärille tehdä huotokaivon, jonka suojaa kaivonkannella. Näin tein itsekin, koska minulla kaivolle menevät putket kohoavat hieman talolta porakaivon suulle tultaessa. Tällä tavoin sain tehtyä tarvittavan ilmauksen kaivon yläpään kohdalle. Veden korkeuden seurantaan ei välttämättä kannata muutoin nähdä liikaa vaivaa, koska hyvin harvakseltaan tehtävä pienen vaivan vaativa mittaus antaa varsin riittävän kuvan vedenpinnan vuotuisista korkeusvaihteluista. Reaaliaikaisen mittausdata seuraaminen voittaa tylsyydessään jopa ruohon kasvamisen katselemisen