Projeto: Automatizando o poço semiartesiano

[PROJETO EM ANDAMENTO Volte de vez em quando para ver o resultado]

A ideia:

Automatizar a extração de água de um poço semiartesiano, com bomba trifásica.

Há na propriedade 4 caixas d’água: a principal, que alimenta o chalé, e a mais alta. A que alimenta a ducha da piscina. A que alimenta a churrasqueira e; Uma última que serve para irrigação de uma pequena parreira de uvas.

O poço, como é muito pouco usado, acaba ficando com a água turva. Ao menos é o que concluí, que a turbidez vai ser solucionada com o esvaziamento constante do poço.

Entre as caixas, a ideia é um sistema mecânico, sendo que somente a caixa principal será monitorada eletricamente.

Os itens de proteção:

• Nível d’água no poço;
• Caixas d’água cheias;
• Presença das 3 fases (relê de fase);
• Sobrecarga;
• Timer? (para programação, eventualmente).

Monitorando o nível

Medindo a profundidade

A primeira ação foi medir a profundidade.

Para tanto foi construída a ferramenta que pode ser vista neste post [em breve o projeto do medidor de profundidade para poço semiartesiano xxx].

Que possibilitou a medição:

Sensor de profundidade

O passo seguinte foi buscar um sensor, que funcione da seguinte forma: Ao ligar, se o nível de água estiver em, pelo menos, 45 metros da borda, libere a bomba até que o nível atinja o nível mínimo de 58 metros, quando então deve bloquear a bomba, só voltando a liberá-la quando o encher até os 45 metros.

Sensor WEG RNW-ES (Não deu certo)

Numa primeira tentativa foi usado um relê de nível WEG RNW-ES que, em tese, atenderia as especificações.

Não deu certo:

Foram tentadas algumas formas de instalação (descritas no vídeo), sem sucesso. Não funcionou bem.

Em contato com a WEG, na forma de perguntas e respostas, os esclarecimentos:

• Na instalação dos sensores (eletrodos), qual a distância máxima entre um e outro?
  • WEG: Não há nada falando da distância máxima entre os eletrodos. A distância máxima deve ser de 100 metros para o eletrodo comum.
  • Nossa observação: O manual (acima) fala de resistência máxima de 100k entre cada eletrodo. Logo, a distância máxima entre cada eletrodo depende do fluido. No caso, sendo água de poço bastante profundo, sem tratamento, pelos experimentos que fizemos, em pouco mais de 1cm a resistência já ultrapassa 100k. Lado outro, nos parece que os 100 metros se referem à fiação entre o sensor e o relê, em razão da possível capacitância/resistência. No caso, considerando o sensor mais profundo a 58 metros e o painel há cerca de 10 metros do poço, o limite não foi superado. Infelizmente na ocasião não medimos a resistência e a capacitância do conjunto.
• No vídeo, fizemos de duas formas, a primeira que não funcionou e a segunda que que ficou instável. Qual seria o modelo de instalação dos sensores mais correta?
  • WEG: A instalação vai depender do tipo de eletrodo, haste ou pendulo:
    
  • Nossa observação: tentamos dessas duas formas, na primeira não funcionou, na segunda ficou instável:
    
• Qual bitola de fio recomenda? utilizamos 1,5mm.
  • WEG: Recomendamos verificar qual o nível de tensão que está retornando ao relé, a tensão ideal seria os 7Vca e corrente de 0,05mA . O cabo pode ser com uma com um isolante de borracha para que a capacitância seja amenizada.
  • Nossa observação: Noutro momento fora sugerida pela WEG a utilização de cabo 6mm, o que nos parece encarecer demais o projeto, já que seriam necessários, pelo menos, 160 metros de fio 6mm.
• Este sensor se aplica a poço semiartesiano? (utilização que pretendemos).
  • WEG: Esse é um ponto muito importante, pois o RNW foi desenvolvido para controle de líquidos condutivos. A água quando já recebeu algum tratamento possui uma condutividade maior fazendo com que seja conduzida a corrente elétrica e atuando os sensores. Como o caso do senhor trata-se de um poço com água extremamente pura pode ser isso que está dificultando a condução elétrica.
• Em complemento, a tabela das características dos sensores:
  

A CONCLUSÃO: Esse modelo de sensor WEG não se aplica a poço semiartesiano.

Construindo nosso próprio sensor – tentativa 1 – falhou

Passemos então a projetar nosso próprio sensor:

• Os parâmetros:
  • Como os sensores vão ficar permanentemente submersos e permanentemente eletrificados, vão sofrer com a eletrólise, ou seja, vão se desgastar com o tempo. No circuito citado no início deste projeto, que foi construído para medir os níveis de água no poço, o contato e a submersão são esporádicos, logo, a eletrólise é desprezível.
    Aqui, a coisa muda de figura. Então o projeto deve considerar os seguintes aspectos: 1-Usar corrente alternada; 2- Impedância entre os sensores para; 3 – minimizar a corrente.
    Com estes três itens os sensores devem durar muito tempo.
  • Para simplificar, ao invés de medir o topo e o fundo, será medido somente o nível mínimo, sendo fixado um tempo de espera para autorizar novamente a bomba.
• As pesquisas (alguns circuitos encontrados):
  • Newton C. Braga, no link Sensor de Nível de Líquidos ou Vazamentos (MIN405) (newtoncbraga.com.br):
    
    Atende o requisito da alta impedância e baixa corrente (R1 de 10M), mas não usa corrente alternada.
  • Pablin, Sensor anticorrosivo de nivel (pablin.com.ar), com este que parece ser a solução de nossos problemas:
    
  • Pencho, Fluid-Level Sensor (contact.bg), parecido com o anterior, sendo recomendado para R2 entre 10M e 22M, ajustando a sensibilidade:
    

Aos testes! Em essência, serão montados os circuitos. O teste fundamental, é a estabilidade. A alta impedância tem a vantagem da maior sensibilidade e da baixa corrente, preservando os sensores, mas, por outro lado, está mais sujeita a interferências. Testemos.

Feito o primeiro teste (montei esse segundo), funcionou no ensaio e não na prática. Na mesa do laboratório com um potinho d’água funcionou perfeitamente, quando esticado com os 80 metros de fio falhou de forma catastrófica, travou no modo “com água”.

Sobre falhas:

• Falha leve: não impede o sistema de funcionar e pode ser reparada;
• Falha: impede o funcionamento do sistema e pode ser reparada;
• Falha catastrófica: destrói o sistema, tornando-o irrecuperável.

No caso: sujeito a interferência que faz com que o sistema leia o poço cheio quando está vazio, a bomba vai funcionar seca até queimar. Logo, um sistema que tem a missão de proteger a bomba e a coloca em risco é hipótese de “falha catastrófica”. Um exemplo em comparação ad absurdum: O marcador de combustível do avião marca tanque cheio. Em pleno voo, é descoberto que o marcador está com defeito, pois acabou o combustível…. falha catastrófica.

Então, à análise mais aprofundada do circuito para verificar se é possível reconstruir de maneira que, havendo falha, ela seja de “poço vazio”.

O CI CMOS 4093 tem 4 portas NAND SCHMITT TRIGGER que, de forma muito resumida, funciona com histerese, ou seja, “arma” numa tensão e “desarma” com uma tensão menor. No post do controle do freio do bandeirante trato um pouco mais do assunto histerese [O freio microprocessado do Toyota Bandeirante 1979], melhor explicada num artigo do Newton C. Braga: Conheça o 4093 (ART1606) (newtoncbraga.com.br).

Graças a esta característica, é possível usar cada uma das portas do CI4093 como um oscilador, na exata configuração da primeira parte do esquema:

Usei um CI 4093 da Phillips, cujo Datasheet pode ser visto no site All datasheet: 4093B pdf, 4093B Description, 4093B Datasheet, 4093B view ::: ALLDATASHEET:

Ao analisar o circuito depois da primeira falha, há no oscilador 756hertz, com essa forma de onda da imagem, após o capacitor que atenua a onda quadrada.

IMPORTA: Teve um momento nos testes no qual os dois leds acenderam parcialmente, sendo um circuito digital [0 ou 1], a única hipótese válida para esse comportamento é a saída estar comutando em alta frequência. Ou, o erro na montagem…

Depois de algumas horas de teste, alterei tensão e nada, alterei frequência e nada, várias combinações entre tensão e frequência e nada… em todas as combinações: funciona na mesa e não funciona no campo…

Até que o óbvio me ocorreu:

Não iria funcionar nunca! Com 80 metros de fio paralelo…está formado um capacitor… a frequência vai sempre “passar” de um para o outro e sempre apontar o poço cheio…. erro rude!

Medindo a capacitância, 3,5nF…. valor expressivo.

O fio paralelo, com quase 80 metros, funciona como um capacitor… agora parece óbvio… dá aproximados 3,5nF:

Vou alterar a abordagem.

Construindo nosso próprio sensor de nível – versão 2 (essa funcionou)

Como já tinha o 4093 montado na placa, parti dele para a nova versão.

Usando uma das portas, aproveitando a sensibilidade das portas CMOS, numa configuração simples de divisor de tensão, funcionou perfeitamente:

O primeiro teste:

Funcionou bem. Causei algumas interferências e o sensor se manteve estável.

Na segunda passada, uma “enfeitada”, colocando dois LED, vermelho para vazio e verde para com água, além de colocá-los para piscar, aproveitando a característica das portas Schmitt Trigger do CI 4093.

O esquema elétrico:

Do qual cabe anotar: A saída para a interface com o Arduino se dá no pino 3; Os resistores R4 e 5 podem ter qualquer valor entre 1k e 100k e não precisam ser iguais, servem tão somente para “aterrar” as entradas das portas não usadas, evitando instabilidades no funcionamento do circuito. A alimentação vai de 5 a 12 volts.

O teste final:

[Vídeo]

Usando o easyEDA on-line para criar o esquema:

[Vídeo]

link para o programa: [link]

link para o projeto: [link]

Monitorando a caixa d’água principal

[instalação do sensor]

Os sensores de fase e de sobrecarga

[propriedades e instalação dos sensores]

O Arduino

O controle geral será feito por um Arduino nano, que informará através de display o que está ocorrendo.

O algoritmo:

Depois de discutirmos, ideal que o sistema preveja um timer também. Assim, no modo automático, enquanto não houver ninguém no sítio, podemos deixar ligado por algumas horas por dia. Até ligarmos internet lá, a partir de então faremos o controle remoto total!

O primeiro passo foi escolher a caixa que vai abrigar os circuitos. Naquela boa pegada do reusar/reciclar, uma caixa de bombom Ferrero foi a escolhida:

Em seguida a fonte, tirei aqui da sucata dois transformadores, um

Arquivos e referências

Um outro sensor de nível, com componentes discretos, colhido da revista Aprendendo e Praticando eletrônica nº 50:

O fim