[supermonte]

Ciao a tutti!
Sono un ingegnere elettronico appassionato di acquari, soprattutto quelli marini.

LA STORIA

15 anni fa costruii un acquario marino completamente automatizzato con una vasca di 2,5 metri di lunghezza. Poichè la stanza in cui inserivo questa vasca non era riscaldata mi resi subito conto che un riscaldamento elettrico sarebbe stato troppo oneroso, decisi quindi di scaldare la vasca utilizzando la caldaia a gas di casa...
15 anni fa le tecnologie di riscaldamento erano piuttosto limitate, per cui decisi di montare una serpentina in rame sul fondo della vasca, e creai un doppiofondo con un vetro sottile (per permettere la conduzione del calore) per separare l'acqua a contatto con il rame dall'acqua dell'acquario.



Naturalmente vi erano vasi di espansione per la dilatazione dell'acqua, un doppio controllo per evitare che un guasto potesse creare una costosa zuppa di pesce.
L'illuminazione era a neon, come si usava all'epoca, controllata da un pc, mi ero costruito 2 grossi schiumatoi, un filtro in ghiaia di corallo lungo 2 metri, e tutto ciò che all'epoca ero riuscito a fare.

L'acquari girò perfettamente per più di 11 anni, con cambi d'acqua del 10% ogni 6 mesi.
La maggior parte dei pesci sono vissuti senza problemi fin dall'inizio... avevo uno zebrasoma di 10 anni, e 2 di 8, un centropigia di 7, un imperator stupendo... un chirurgo di 25 centimetri...

naturalmente la scelta dei pescioni e dell'illuminazione al neon non mi aveva mai fatto prendere in considerazione i coralli...

Tutto andava terribilmente bene... troppo bene...
i pagliaccetti erano come minatori, scavavano, scavavano.. li vedevi sempre con una pietra in bocca che spostavano le cose...
... finchè un giorno non hanno deciso di scavare sotto alcune rocce pesanti... non me ne sono accorto ma avevano fatto un buco immenso che ha causato il crollo di diverse rocce vive...
... in un acquario normale non sarebbe stato un problema, ma io avevo quel vetro sottile che si è crepato... l'acqua carica di rame si
è mescolata con l'acqua dell'acquario, le molecole di rame si sono legate all'emoglobina dei pesci...
... tornando a casa quella sera trovai tutti i pesci a pancia all'aria...

Da allora l'acquario è rimasto fermo, alla ricerca di una soluzione
dovevo trovare un modo per disinnescare la bomba chimica senza dover cambiare la vasca...
non potevo semplicemente cambiare l'acqua, dovevo eliminare i tubi, risanare la vasca, pulire gli oltre 200 kg di corallo del fondo e dei filtri



IL NUOVO INIZIO

Più di 3 anni sono passati alla ricerca di una soluzione...
il rame è una brutta bestia e altamente tossico, ho chiesto a ingegneri chimici che avevano risposte teoriche ma poco pratiche.. finchè un ingegnere, esperto di filtrazione non mi ha trovato un prodotto utilizzato nell'industria del trattamento dei rifiuti(in particolare trattamento ceneri di inceneritori) in grado di sottrarre gli atomi di rame dall'acqua.
Questa sostanza denominata TMT15 (http://www.tmt15.com) assolutamente non inquinante dovrebbe catturare il rame e farlo precipitare in modo da poterlo togliere con un semplice risciacquo...
ho deciso cosi' di ripristinare l'acquario, ricostruendolo con tecnologia attuale (reattori calcio, sonde, processori, led e via dicendo).
Le mie competenze sono prealentemente ingegneristiche, con una buona infarinatura di biologia, non sono sicuramente un tecnologo nel settore degli acquari, per cui avrò bisogno di suggerimenti per portare a termine quest'opera.
ho perciò deciso di pubblicare i miei passi su questo forum, nella speranza di ricevere consigli e perchè no, di darne di utili per la realizzazione di controlli complessi...
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PASSO UNO suddivisione del problema

Il problema della ricostruzione si può dividere in 4 settori a loro volta suddivisibili in diversi step

A) PULIZIA
B) IMPIANTO LUCI
c) IMPIANTI IDRAULICI
D) MONITORAGGIO

La lavorazione nei vari settori può procedere in parallelo in quanto i progressi di un settore non comportano variazioni negli altri settori. La parte più lunga sarà la pulizia, richiederà poche operazioni nell'arco di settimane per cui in sordina comincio con questa e procedo in parallelo con le altre.

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Per quanto riguarda la pulizia gli step dovrebbero essere i seguenti

1) Svuotamento della vasca
2) Ricostruzione fondo con vetro spesso
3) Rabbocco acqua, far girare l'acqua per almeno una settimana, analizzarla
4) Se all'analisi risulta presente rame trattare la vasca con il TMT15
5) Far girare il prodotto per una settimana poi rianalizzare l'acqua, se ancora inquinata tornare al punto 4 altrimenti svuotamento
6) Riempire la vasca, farla girare un paio di giorni, ripeto 2 o 3 volte x ripulire dal prodotto
7) Risciacquare i 200 kg di ghiaia corallina
8) Prendere un campione di ghiaia corallina, immergerlo in acqua con una pompa che la faccia girare
9) Analizzare l'acqua, se contiene rame trattare i coralli con il prodotto in vasche provvisorie e risciacquare più volte
10) passare con poca acqua tutta la giaia corallina nel microonde
11) far bollire la ghiaia corallina per un paio d'ore
12) risciacquare il tutto
13) rimettere la ghiaia corallina nell'acquario

Cerco a tutti i costi di recuperare la ghiaia corallina in quanto è composta da veri pezzi di corallo attualmente abbastanza difficili da reperire. Il motivo per cui la passo nel microonde è di far esplodere le cellule organiche morte annidiate all'interno della struttura calcarea per liberarla. Negli ultimi anni di funzionamento ho notato un rallentamento del flusso dell'acqua attraverso i filtri, da ciò deduco che le strutture calcaree si sono intasate, il passaggio a microonde mi è stato suggerito da addetti alla filtrazione che usano macchine a microonde per fluidificare la sostanza organica. La bollitura dovrebbe aiutare a far uscire la sostanza organica e il risciacquo creerà una separazione meccanica tra strutture calcaree e organiche.

qui di seguito la foto di parte dei coralli che ho estratto e iniziato a lavare



il lavoro è ancora lungo, al momento li ho risciacquati ma devo ancora passarli al microonde

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Per quanto riguarda l'impianto luci devo individuare il tipo di luce/plafoniera da montare e il controllo da utilizzare.

1) Analisi del tipo di luce
2) Ricerca sul mercato dei componenti reperibili
3) Analisi della qualità dei prodotti e possibilità di interfacciarli a un sistema computerizzato.

Quando creai l'acquario quindici anni fa utilizzai dei neon che producevano una luce adatta agli acquari, avevo montato 4 neon da 36W controllati da un personal computer che comandava 4 relais creando un effetto alba e tramonto un po' traumatico in quanto il tramonto finiva con lo spegnimento improvviso dell'ultimo neon.
I neon erano montati all'interno della vasca nei 10 centimetri di aria tra l'acqua e il coperchio
I neon erano collegati a cavi che uscivano sul retro, utilizzando cuffiotti in silicone in testa ai neon.
Purtroppo dato che bastava dare uno strattone a un cavo per sganciarlo dal neon avevo optato x la saldatura dei cavi alle lampade, una vera scomodità quando bisognava cambiarli.
Inoltre i neon lunghi quasi un metro e mezzo occupavano buona parte della zona superiore e per accedere alla vasca avevo i miei bei problemi.
Infinie i neon consumavano parecchio, i reattori scaldavano molto e una decina di anni fa li sostituii con circuiti ad alta frequenza a basso consumo.

Dopo l'esperienza pluriennale ho deciso che non avrei usato neon
visto il miglioramento della tecnologia dei LED ho deciso di utilizzare i led per illuminare.

Tutte le plafoniere che ho trovato erano inadatte per la forma alla mia vasca, in quanto lunga circa 2,5 metri e avendo circa 5 cm all'interno dei coperchi per montarli.
Ho quindi deciso di montare dei led singoli in diversi punti della vasca.
Devo trovare quali tipi di led, in quale quantità e con quale potenza in modo da ottenere una luce adatta ai coralli, cercando su internet trovo un articolo bellissimo di Dmitry Karpenko, Vahe Ganapetyan tratto da Advancedacquarist.com (qui di seguito il link)

http://www.acquariofilia.biz/showthr...p?p=1062073411

dove viene proposta la più bella analisi che abbia mai letto sullo studio della luce subaquea alle Fiji.

cito qui di seguito un paio di frasi di questo articolo con le conclusioni finali:
"Noi crediamo che la massima potenza di radiazione più ragionevole dovrebbe essere di circa 45W/m2 per la gamma 400 - 440nm e circa 40W/m2 per la gamma 440 - 480nm. Nota: Qui e sopra citiamo potenza radiazione ottica piuttosto che la potenza elettrica consumata dai LED. Per determinare il numero di LED necessari in un dispositivo e la loro corrente nominale, questi dati devono essere convertiti in energia elettrica, che dipende dalla efficienza dei LED effettivamente utilizzata. Questi calcoli, la selezione di particolari LED e altre questioni riguardanti l'effettiva costruzione di un apparecchio a LED saranno prese in considerazione nel nostro prossimo articolo.
Si noti inoltre che, anche se 400µmol potenza di radiazione photons/m2/s è ottimale per la colorazione dei coralli, ad alta illuminazione richiede condizioni dell'acqua incontaminate in vasca. Potenza di radiazione 4 volte al di sotto di questo livello è già sufficiente per avviare la produzione di cromoproteine nei coralli. Si consiglia di iniziare lentamente, con i livelli di illuminazione iniziali vicino al limite inferiore di circa 100µmol photons/m2/s. Entro alcuni mesi, è possibile aumentare gradualmente l'illuminazione, mentre si monitorano i parametri dell'acqua e la reazione dei coralli. Se il sistema è stabile e tutti i parametri sono nel range ottimale, la potenza ottica può essere aumentata gradualmente fino a 400µmol photons/m2/s."

Da questo articolo ho deciso quali led utilizzare:

10W High Power:

Light Color: Cool White / Pure White / Neutral White / Warm White / Royal Blue / Red / Green / Ultra Violet (UV)
Output Power: 10W

Color Temperature:
Cool White(20000K) / Pure White(6000K - 6500K) / Neutral White(4000K - 4500K) / Warm White(3000K - 3500K)

Wave Length:
Royal Blue(452nm - 455nm) / Red(620nm - 625nm) / Green(520nm - 525nm) / Ultra Violet UV(400nm - 410nm) / Red(660nm)

DC Forward Voltage (VF):
Red(6V - 7V) / Cool White(9V - 12V) / Pure White(9V - 12V) / Neutral White(9V - 12V) / Warm White(9V - 12V) / Royal Blue(9V - 12V / Green(9V - 12V) / Ultra Violet UV(10 - 12V)

DC Forward Current (IF): 900mA

Luminous flux:
Cool White(1000Lm - 1100Lm) / Pure White(1000Lm - 1100Lm) / Neutral White(1000Lm - 1100Lm) / Warm White(1000Lm - 1100Lm) / Royal Blue(200Lm - 300Lm) / Red(400Lm - 500Lm) / Green(600Lm - 700Lm) / Ultra Violet UV(50lm)


Qui sopra si possono vedere il nome del led, la temperatura di colore, la lunghezza d'onda la tensione di alimentazione, la corrente nominale e il flusso luminoso.

Decido quindi quante e quali luci montare, decido che sulla destra piazzerò la zona dei coralli, mentre sulla sinistra creerò diverse tane per i pesci, in corrispondenza della mangiatoia, quindi creerò un'illuminazione più completa e ricercata sulla destra e prevalentemente bianca sulla sinistra.

monto un led sulla vasca per vedere la dispersionedella luce



Da questa prendo un paio di misure... in un altezza di 60 centimetri la luce tende ad allargarsi di circa 55 centimetri alla base, un angolo di circa 90 gradi di apertura
mi metto quindi a creare un modello 3D della vasca e provo a distribuire i tipi di luce che voglio agganciare sui longheroni di vetro superiore e sui bordi.






Scelti i led bisogna trovare un controllo, mi oriento quindi su un controllo luci dimmerato su piùcanali programmabile, in modo da collegare su ogni canale un tipo di led e poter mixare i vari tipi di luce fino ad ottenere quella desiderata.
Qui sorge la sorpresa, per ogni centralina che ho analizzato ottenevo sempre la stessa configurazione, le uscite erano in PWM con una tensione specifica (tipicamente 12V) e la regolazione della corrente sul LED era ottenuta ponendo in serie una resistenza (tipicamente da 4W).
Non volevo crederci, mi sto orientando su un sistema in grado di ridurre i consumi con led ad alta efficenza e la regolazione della corrente viene fatta con una resistenza? MEDIOEVALE!
Inoltre le centraline che ho trovato vengono programmate via USB con un software propietario che gira solo sotto Windows! (e io dovrei affidare i miei pesci a una cosa che crea solo schermate blu?!?!?!
Ho quindi deciso di progettare io la centralina luci, deve avere le seguenti caratteristiche:

1) alta efficenza energetica
2) dimmerabile
3) almeno 5 canali
4) integrabile nel sistema di controllo (che nel frattempo ho deciso che sarebbe stato fatto in I2C)

nel prossimo post discuterò la progettazione della centralina luci

[supermonte]

CENTRALINA LUCI
Per progettare la centralina luci decido di utilizzare un ARDUINO UNO, un circuito basato su un processore Atmel con le seguenti caratteristiche:

6 uscite PWM
6 ingressi analogici
10 uscite digitali
1 seriale con UART programmabile
1 interfaccia I2C

le 6 uscite PWM verranno utilizzate per comandare i 6 canali di controllo dei led
2 uscite digitali verranno utilizzate per illuminare la vasca di quarantena e i filtri quando devo fare manutenzione
l'interfaccia I2C verrà programmata per fungere da SLAVE sul bus... (tutte le centraline saranno degli slave su indirizzi diversi comandate da un MASTER che verrà creato con un RASPBERRY 2 con un display touch screen
La porta seriale verrà utilizzata per pilotare un display seriale sul quale visualizzerò l'ora, lo stato del sistema e la potenza sui 6 canali
Un chip DS1307 verrà collegato su altre 2 uscite/ingressi digitali, questo chip non è altro che un orologio indipendente che può essere letto con il protocollo I2C.
Poichè sono pessimista oltre che Murphiano, le centraline devono essere in grado di funzionare anche in assenza di supervisione, perciò ho bisogno che la centrale luci sia in grado di leggere l'ora in I2c in mancanza del master, per cui dovrò avere 2 bus indipendenti, uno in cui l'arduino è un Master e legge l'ora dal DS1307 e un altro in cui l'arduino è uno SALAVE e viene comandato dal raspberry che può interrogare e ottenere l'ora dall'arduino per fornirla al resto del sistema.

Ho quindi montato una protoshield (una scheda millefori che si aggancia direttamente sull'arduino) alla quale ho saldato il chip orologio con la sua batteria, 6 led collegati alle 6 uscite pwm e ho iniziato a scrivere il programma...



ho collegato attraverso un bus I2C l'arduino al raspberry



e ho iniziato a scrivere in contemporanea il programma del controllore e quello del controllo luci.
Ho collegato un display seriale all'arduino per rendere completamente indipendente questa centralina.



ho scelto di non montare una tastiera, la programmazione della centralina avviene solo dal supervisore, ma il display permette di vedere cosa sta facendo anche se il controllore è off line

Ho programmato sul controllore una schermata principale dalla quale accedere al controllo luci, al controllo temperature, alla gestione del pH e dei flussi



Da li premendo sulla lampadina si accede al menu luci:



In questa schermata posso vedere lo stato del sistema, in particolare lo stato delle luci dell'acquario che può essere ON OFF o AUTO, lo stato della luce dei filtri che può essere ON e OFF e lo stato della luce della vasca di quarantena che può essere OFF ON o AUTO, premendo sulla relativa icona cambio lo stato sequenzialmente...

Quando il sistema è in automatico la luce sui vari canali viene regolata in base all'orario, una tabella editabile permette di variare la potenza a passi di mezz'ora, la potenza varia con continuità ogni minuto interpolando in modo lineare senza fare scatti nel modo più naturale possibile.
Per facilitare la comprensione del programma impostato è possibile visualizzare il grafico delle potenze:



inoltre se mi accorgo di aver creato una luce cromaticamente sbagliata posso variare percentualmente la potenza di ogni singolo canale con un correttore.

come ho detto la comunicazione tra controllore e centralina è in I2C, ho creato un protocollo di comunicazione dove il controllore regolarmente dice alla centralina luci lo stato che deve tenere, i correttori di potenza, la tabela oraria.. per gli appassionati di elettronica qui di seguito la schermata di comunicazione:

[supermonte]

CENTRALINA LUCI - Stadio di potenza

Ora con l'arduino ho risolto il problema dell'interfacciabilità, ottenendo un uscita PWM da 5V, ma io devo controllare 14 led da 10W con una tensione di 10V e una corrente di circa 1A, e il tutto senza utilizzare resistenze di potenza per non bruciare potenza.

la scelta ovvia è utilizzare un controllore in corrente switching, in questo modo controllo bene i led dissipando la minor corrente possibile...

Naturalmente non voglio costruirmi un alimentatore switching, ma voglio trovare un circuito integrato dedicato per controllare i led.. giro su internet e trovo l'integrato CAT4101



questo circuito integrato è in grado di sopportare tensioni di 25V, quindi posso mettere in serie 2 LED alimentandoli con un alimentatore da 24V direttamente e senza resistenza, la tensione di drop out è di soli 0,5V.

facendo 2 conti, le centraline in commercio danno in uscita 12V, i led con circa 1 A hanno una tensione di 9-10V e fanno cadere sulla resistenza 2-3V, perciò per 9-10W che vanno al led 2-3W vanno sulla resistenza con un rendimento del 70%, con questo integrato 23,5V su 24 vanno sul led e 0,5 cadono in drop out sul mosfet interno, per collegare 2 led da 10W perdo 0,5W sul componente, il rendimento è di circa il 97,5%, decisamente meglio dei 70% dei circuiti con resistenza... se su 140W complessivi se ne perde il 30% significa buttare via circa mezzo kWh al giorno, 180KWh all'anno... uno sproposito!

il lato negativo è che questi integrati sono in tecnologia SMD (Sourface Mounting Device) per cui non posso montarli su una scheda millefori, ma devo fare un circuito stampato apposta... disegno perciò un piccolo circuito stampato doppia faccia e lo faccio stampare da una ditta di prototipazione



Dopo una settimana di attesa che non finiva mai sono arrivate sia le schede stampate che gli integrati



Subito ho saldato tutti i componenti



i circuiti perdono solo il 2,5% della potenza, ma parliamo di 140W... per cui sono 4W, è consigliabile raffreddarli, per questo ho creato una barra in alluminio dove avvitare le schede (durante la progettazione ho creato dei collegamenti sui 2 lati in rame per condurre il calore sul retro dove avevo previsto il raffreddamento. La barra inoltre permette di tenere assieme tutte le schede, così che per fissarli nella scatola siano necessarie solo 2 viti.



naturalmente del calore viene prodotto, per cui dopo una giornata di funzionamento vado a controllare la temperatura della scheda:



adesso manca solo la scatola che devo ancora comprare e monterò nei prossimi giorni

le plafoniere devo ancora disegnarle e produrle da un blocco di alluminio con una fresa a controllo numerico, poi li anodizzerò, li impermeabilizzerò con una resina epossidica e li raffredderò utilizzando l'acqua dell'acquario... ma qui non sno ancora arrivato...

[RolandDiGilead]

Complimenti!!!
Tecnica fantastica.
Ha alcune domande "biologiche" , come intendi contrastare l'inevitabile accumulo di no3 che tutto il materiale biologico che stai setacciando inevitabilmente comporterà? In pratica tu non stai chiudendo il ciclo dell'azoto, questo non era un grosso problema con i pesci che sopportano carichi organici anche 50 volte superiori a quelli dei coralli, ma ora ho visto che intendi allevare coralli e credo che avrai difficoltà. Non ho parlato di po4 perchè uno può tenerli a bada con le resine (per te ce ne vorranno tante).
Quindi magari prima decidi bene anche quali coralli allevare, perchè ce ne sono di più resistenti e di delicatissimi.
Mettere insieme coralli e pesci è una delle sfide più difficili, ci sono pesci che mangiano coralli, quindi ti consiglio di non guardare solo la tecnica.
Seguo con interesse.

[Sandro S.]

seguo con interesse, complimenti per l'impegno

[supermonte]

grazie!
per il monento il ciclo dell'azoto sfruttava batteri aerobici e anaerobici e ripulivo i tensioattivi con schiumatoi... ne ho uno di 1,5 metri e uno di mezzo metro...
adesso aggiungeró un reattore calcio controllato da una centralina che sto progettando...
accetto consigli x qualsiasi tipo di filtraggio da aggiungere

[vikyqua]

Grazie per aver condiviso con noi i tuoi studi, o meglio, per averci raccontato quanto ti appassioni il tuo lavoro.....
Ora pero', credo sia giunto il momento di parlare di acquari e di come mettere in moto i 2,5mt di vasca.
Tutta la corallina recuperata,...per niente rara in quanto venduta per jumbo,...invece di bollirla nel micro onde, lavala in acido cloridico e conservala, in quanto ti servira' solo ed unicamente per il reattore di calcio. Hai detto che prima chiudevi il ciclo azotato e legavi tensioattivi con due schiumatoi diversi ed artigianali,.....ci rendi partecipi e ci spieghi con quali procedure e con 200kg di corallina jumbo come fondo e 10% di cambi ogni 6 mesi, mantenevi bassi gli inquinanti e chiudevi il ciclo?
...2,5mt di vasca e tanta elettronica, meritano attenzione.

[supermonte]

i coralli non li usavo per il fondo, anzi, li usavo solo in parte x il fondo, dove avevo un filtro sotto sabbia...
in realtà avevo un filtro nella stanza posteriore



2 sifoni pescavano l'acqua in basso e in alto nella vasca, l'acqua entrava nella parte centrale del filtro, dove passava in 2 colonne riempite di corallo dove vivevano batteri anaerobici e da quello che ricordo trasformavano l' NH3 in NO2 + H20... (nitriti) poi una serie di areatori insufflavano aria in modo che i batteri aerobici trasforma gli NO2 in NO3 nitrati che in parte vengono schiumati e in parte eliminati con i cambi parziali del' acqua.
I coralli rappresentavano un'enorme superficie dove i batteri si insediavano e vivevano, il filtro fu attivato introducendo 15 kg di materiale filtrante di un acquario preesistente, e introducendo la fauna a step per permettere ai batteri di riprodursi di conseguenza

una parte dell'acqua molto lentamente passava dentro a un percolatore pieno di biobol e rientrava in vasca

Prima dei 2 blocchi di corallo un filtro a spugna con lana di vetro tratteneva il particolato che cambiavo settimanalmente (lo mettevo bianco e lo estraevo marrone scuro.

questa era lo stato dell'arte di 15 anni fa, che tutti i costruttori di acquari consigliavano, io lo costruii così, non esistevano reattori calcio, impianti CO2, ecc

i 2 schiumatoi prelevavano parte dell'acqua estraendo circa un litro alla settimana di un liquido denso e nero.

adesso sto ricostruendo la cosa pezzo per pezzo, a parte la struttura in vetro che sicuramente non voglio modificare voglio migliorare i sistemi con i mezzi moderni, sto scrivendo in questo forum proprio per ricevere suggerimenti su cosa aggiungere per filtrare meglio l'acqua...

per ora ho visto come regolare il Ph e mettere in soluzione carbonato di calcio per i coralli con un reattore di calcio a CO2, e aspetto ulteriori suggerimenti, perchè come ho scritto all'inizio io sono un tecnico elettronico, mi intendo di meccanica, fluidodinamica, ma ho solo una conoscenza mediocre di biologia marina e non conosco lo stato dell'arte della tecnologia del filtraggio marino...

sono fermo alle pubblicazioni di chi ha fatto l'acquariodi amsterdam e di montecarlo (non esistevano neanche le pompe a rotazione e creavano i flussi d'acqua con i gorgogliatori, facevano le vasche con il cemento perchè non esisteva il silicone

per cui

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