Bell Siphon Rain Gauge: 8 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

En forbedret versjon av dette er PiSiphon Rain Gauge

Tradisjonelt måles nedbør med en manuell regnmåler.

Automatiserte værstasjoner (inkludert IoT -værstasjoner) bruker normalt tippbøtter, akustiske disdrometre eller laserdisometre.

Tippeskuffer har bevegelige deler som kan tettes. De er kalibrert i laboratorier og måler kanskje ikke riktig i kraftig regnvær. Disdrometre kan slite med å få små dråper eller nedbør fra snø eller tåke. Disdrometre krevde også komplisert elektronikk og behandlingsalgoritmer for å estimere fallstørrelser og for å skille mellom regn, snø og hagl.

Jeg tenkte at en Bell Siphon Rain -måler kan være nyttig for å overvinne noen av problemene ovenfor. Bell Siphon kan enkelt skrives ut på en vanlig FDM 3d -skriver (de billige med ekstrudere, som RipRaps og Prusas).

Bell Siphons brukes ofte i akvaponikk og fisketanker for å automatisk tømme tanker når vannivået når en viss høyde. Bare naturlige krefter brukes for å tømme tanken relativt raskt. Sifonen har ingen bevegelige deler.

Klokkehevertens regnmåler inneholder to sonder som er koblet tett til hverandre (men ikke kommer i kontakt med hverandre) til utløpet til ringeklokken. De andre ender av prober er koblet til GPIO -pinner på bringebær pi. Den ene pinnen vil være en utgangspinne, den andre pinnen vil være en inngangspinne. Når regnmåleren inneholder en viss mengde vann, vil naturlige krefter tømme måleren. Vann vil strømme forbi sonderne ved utløpet av ringeklokken og en høy vil bli registrert på GPIO -inngangspinnen. Denne sifonaksjonen vil registrere omtrent 2,95 gram (ml) ved hjelp av min klokkehylundesign. De 2,8 gram vann vil være lik +/- 0,21676 mm regn hvis min regnmåler med en traktdiameter på 129 mm brukes. Etter hver sifonhandling (vannutslippshendelse) blir inngangspinnen utgangen og utgangen blir en inngang for å forhindre mulig elektrolyse.

Målet mitt med dette prosjektet er å skaffe en sensor som kan brukes av tinkerere til å feste til åpne maskinvarestasjoner. Denne sensoren ble testet på en bringebær pi, men andre mikrokontrollere burde også fungere.

For å få en bedre forståelse av klokkesifoner, se denne

Trinn 1: Det du trenger

1. En bringebær pi.
2. 3D-skriver- (For å skrive ut ringeklokken. Jeg vil levere designet mitt. Du kan også ta det med til en utskriftstjeneste)
3. Gammel regnmåletrakt (Eller du kan skrive ut en. Jeg gir designet mitt.)
4. 2 X skiver som sonder (5x25x1,5 mm for mitt design)
5. Brødbrett (valgfritt for testing).
6. Noen Python -ferdigheter vil hjelpe, men all kode er gitt.
7. En elektronisk skala for å finjustere kalibrering. En stor sprøyte (60 ml) kan også brukes.
8. Vanntett hus for bringebærpi.
9. superlim
10. 2 Alligatorhoppere og 2 mannlige til kvinnelige hoppere
11. 110 mm PVC-rør, +/- 40 cm langt

Trinn 2: DESIGN OG SKRIV UT BELLSIFONEN

Legg ved designen min i Autocad123D og STL -format. Du kan leke med designet, men hvis du endrer designet, kan det føre til en lekkasje og ikke -funksjonell klokkesifon. Min ble skrevet ut på en XYZ DaVinci AIO. Støttene er allerede inkludert i designet, så ekstra støtter er kanskje ikke nødvendig. Jeg valgte tykke skall, 90% fylling, 0,2 mm høyt nivå. ABS -filament brukes siden PLA vil nedbrytes utendørs. Etter å ha skrevet ut trakten, påfør en akrylspray for å beskytte den mot elementene. Hold akrylspray borte fra innsiden av ringeklokken, siden sprayen kan blokkere vannstrømmen i sifonen. Ikke gi vannlåsen et acetonbad

Jeg har ikke testet harpiksskrivere ennå. Hvis du bruker harpiks, må du beskytte harpiksen mot solen for å forhindre feilforming av sifonen.

(Dette designet er en forbedring av originalen: Versjonsdato 27. juni 2019)

Trinn 3: Monter sifonen

Studer vedleggsbildene. Bruk superlim for å feste alle elementene sammen. Husk at superlim ikke er ledende, og alle kontaktpunktene dine bør holde seg unna superlim. Jeg brukte alligatorhoppere til å koble prober (skiver) til mannlige til kvinnelige hoppere på bringebærpien min. Den ene sonden skal kobles til GPIO 20, den andre til 21. Ingen motstander kreves i denne kretsen. Prøv å gjøre proben vanntett når du bruker superlim. Silisiumgel kan også hjelpe.

Ikke dekk til vannlåsen din i 110 mm PVC -røret ennå, den må først testes.

Trinn 4: Testing av proben

Lag en fil "rain_log.txt" i katalogen der du vil lagre python -koden.

Åpne din favoritt python IDE og skriv inn følgende kode i den. Lagre den som siphon_rain_gauge2.py. Kjør python -koden. Legg litt kunstig regn på trakten. Sørg for at det er én og bare én telling hver gang sifonen slipper ut vann. Hvis vannlåsen teller feil, kan du se feilsøkingsdelen.

#Bell-Siphon Rain Gauge

#Utviklet av JJ Slabbert -utskrift ("The Bell Siphon regnmåler venter på noen dråper …") import gpiozero importtid r = 0.21676 #Dette er kalibrert nedbør per sifonfrigjøringshandling. t = 0 #Total nedbør f = open ("rain_log.txt", "a+") n = 0 mens True: #Efter hver sifon bør pin 20, 21 vekselvis for å forhindre mulig elektrolyse hvis n/2 == int (n): vannlås = gpiozero. Button (21, False) output = gpiozero. LED (20) output.on () else: sifon = gpiozero. Button (20, False) output = gpiozero. LED (21) output.on () siphon.wait_for_press () n = n+1 t = t+r localtime = time.asctime (time.localtime (time.time ())) print ("Total regnfall:"+str (float (t))+" mm "+lokal tid) f.write (str (t)+", "+lokal tid+" / n ") siphon.close () output.close () time.sleep (1.5)

Trinn 5: BEREGNINGER OG KALIBRASJONER

Hvorfor måles nedbør som en avstand? Hva betyr 1 millimeter regn? Hvis du hadde en kube på 1000mm X 1000mm X 1000mm eller 1m X 1m X 1m, vil kuben ha en dybde på 1 mm regnvann hvis du lot den stå ute når det regnet. Hvis du tømmer dette regnet i en 1 kull flaske, vil den fylle flasken 100 % og vannet vil også måle 1 kg. Ulike regnmålere har forskjellige nedbørfelt.

Dessuten er 1 gram vann konvensjonell 1 ml.

Hvis du bruker designene mine som vedlagt, er det ikke nødvendig med kalibrering.

For å kalibrere regnmåler kan du bruke to metoder. For begge metodene, bruk vedlegg -pyton -appen (forrige trinn) for å telle utgivelser (sifonhandlinger). Sørg for at det er én og bare én telling hver gang sifonen slipper ut vann. Hvis vannlåsen teller feil, kan du se feilsøkingsdelen

Metode én: Bruk en eksisterende (kontroll) regnmåler

For at denne metoden skal fungere, må din sifon -trakt være det samme området som kontrollregnmåler. Lag kunstig regn over hevertrakten og tell antall utgivelser med pyton. Samle all vannutslipp med sifonen. i din kontroll regnmåler. Etter omtrent 50 utgivelser (Siphoning -handlinger) måles nedbøren i kontrollregnemåler

La R være gjennomsnittlig nedbør i mm per sifonhandling

R = (Total nedbør i kontrollmåleren)/(Antall sifonhandlinger)

Metode to: Vekt nedbøren din (du trenger en elektronisk vekt)

La R være gjennomsnittlig nedbør i mm per sifonhandling

La W være vannets vekt per sifonvirkning i gram eller ml

La A være nedslagsfeltet i trakten

R = (Bx1000)/A

For kalibrering, bruk en sprøyte for å injisere vann sakte i ringeklokken. Ta vannet i et glass med en kjent vekt. Fortsett å injisere vannet til sifonen tømmes i minst 50 ganger. Vekt vannet i glasset. Beregn gjennomsnittlig vekt (W) av vann som slippes ut hver gang vannlåsen slipper ut vann. For mitt design var det omtrent 2,95 gram (ml). For trakten min med diameter 129 mm og radius 64,5 mm

A = pi*(64,5)^2 = 13609,8108371

R = (2,95*1000) /13609,8108371

R = 0,21676

Hvis du ikke har en elektronisk vekt, kan du bare bruke en stor sprøyte (60 ml/gram). Bare telle antall vannlåsutslipp

W = (Sprøytevolum i mm)/(Antall utløp av vannlås)

Oppdater python -appen med den nye R -verdien.

Bell Siphon (mitt design) tar omtrent 1 sekund å slippe ut alt vann. Som en tommelfingerregel vil vann som kommer inn i vannlåsen under utgivelsen også slippes ut. Dette kan påvirke målingens linearitet under kraftig regn. En bedre statistisk modell kan forbedre estimatene.

Trinn 6: Gå til feltet

Legg den monterte klokkesifonen og trakten i passende foringsrør. Jeg brukte et 110 mm PVC -rør. Sørg også for at den tilkoblede bringebær -pi er i vanntett foringsrør. Min PI er drevet med en powerbank for demoformål, men en skikkelig ekstern strømforsyning eller solsystem må brukes.

Jeg brukte VNC til å koble til PI via nettbrettet mitt. Dette betyr at jeg kan overvåke nedbøren på installasjonen min hvor som helst.

Lag kunstregn og se hvordan sensoren fungerer.

Trinn 7: Feilsøking

1) Problem: Hvis jeg teller sifonutgivelsene med python -appen, teller appen ekstra utgivelser.

Råd: Sondene i ringeklokken kan være å lukke og en vanndråpe sitter fast mellom dem.

2) Problem: Vann drypper gjennom sifonen.

Råd: Dette er en designfeil. Forbedre designet. Siphon -utløpsradius er sannsynligvis for stor. Noe hjelp fra forsker kan hjelpe. Hvis du har designet din egen klokkesifon, kan du prøve den jeg ga. Du kan også feste et kort (15 cm) fisketankrør til vannlåsutløpet for å forbedre "dragkraften" til utløsningen.

3) Problem: Prober henter ikke alle sifonutgivelsene.

Råd: Rengjør sonderne med en ørepinne. Kontroller alle kabeltilkoblinger. Det kan være lim på sonderne. fjern den med en fin presisjonsfil.

4) Problem: Mine vannlåsutgivelser er alle talt riktig, men anslaget på nedbør er feil.

Råd: Du må kalibrere sensoren din på nytt. Hvis du har under estimater må r (nedbør per sifonhandling) økes.

Trinn 8: Fremtidige forbedringer og test

1. Gullplate sonder (skiver). Dette vil hjelpe igjen mulig korrosjon.
2. Erstatt sonderne med en laserdiode og en fotomotstand.
3. Forbedre estimeringsmodellen. Den enkle lineære modellen er kanskje ikke egnet i kraftig regn.
4. En annen større Bell Siphon kan legges til under (ved utløpet) av den første for å måle regn med høy tetthet.
5. For en GUI foreslår jeg Caynne IOT.

Merk: En større forbedring er publisert. Se PiSiphon Rain Gauge