Bell Siphon Rain Gauge: 8 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

En forbedret version af dette er PiSiphon Rain Gauge

Traditionelt måles nedbør med en manuel regnmåler.

Automatiserede vejrstationer (inklusive IoT -vejrstationer) bruger normalt tipskovle, akustiske disdrometre eller laser -disdrometre.

Tipskovle har bevægelige dele, der kan tilstoppes. De er kalibreret i laboratorier og måler muligvis ikke korrekt i kraftige regnskyl. Disdrometre kan kæmpe med at opsamle små dråber eller nedbør fra sne eller tåge. Disdrometre krævede også kompliceret elektronik og behandlingsalgoritmer til at estimere faldstørrelser og til at skelne mellem regn, sne og hagl.

Jeg tænkte, at en Bell Siphon Rain -måler kan være nyttig til at overvinde nogle af ovenstående problemer. Bell sifonen kan let udskrives på en normal FDM 3d printer (de billige med ekstrudere, som RipRaps og Prusas).

Bell sifoner bruges ofte i aquaponics og fisketanke til automatisk at tømme tanke, når vandstanden når en bestemt højde. Kun naturlige kræfter bruges til at tømme tanken relativt hurtigt. Vandlåsen har ingen bevægelige dele.

Klokkesifonens regnmåler indeholder to sonder, der er forbundet tæt på hinanden (men ikke kommer i kontakt med hinanden) til klokkesifonens udløb. De andre ender af proberne er forbundet til GPIO -ben på hindbærpien. Den ene pin vil være en output pin, den anden pin vil være en input pin. Når regnmåleren indeholder en vis mængde vand, vil naturlige kræfter tømme måleren. Vand vil strømme forbi sonderne ved klokkehævertåbningen, og en høj vil blive registreret på GPIO -indgangsstiften. Denne sifonaktion registrerer cirka 2,95 gram (ml) ved hjælp af mit klokkehævert design. De 2,8 gram vand vil svare til +/- 0,21676 mm regn, hvis min regnmåler med en tragtdiameter på 129 mm bruges. Efter hver vandlåsende handling (vandudslipshændelse) bliver inputstiften output og output bliver en input for at forhindre mulig elektrolyse.

Mit formål med dette projekt er at tilvejebringe en sensor, der kan bruges af tinkerers til at fastgøre til åbne hardware vejrstationer. Denne sensor blev testet på en hindbær pi, men andre mikrokontrollere burde også fungere.

For at få en bedre forståelse af klokkesifoner kan du se dette

Trin 1: Hvad du får brug for

1. En hindbær pi.
2. 3D-printer- (For at udskrive klokken sifon. Jeg giver mit design. Du kan også tage det med til en udskrivningstjeneste)
3. Gammel regnmåletragter (Eller du kan printe en. Jeg giver mit design.)
4. 2 X skiver som prober (5x25x1,5 mm til mit design)
5. Brødbræt (valgfrit til test).
6. Nogle Python Skills hjælper, men al kode leveres.
7. En elektronisk skala til finjustering af kalibrering. En stor sprøjte (60 ml) kan også bruges.
8. Vandtæt kappe til hindbær pi.
9. super lim
10. 2 Alligator jumpere og 2 mandlige til kvindelige jumpere
11. 110 mm PVC-rør, +/- 40 cm langt

Trin 2: DESIGN OG UDSKRIV BELLSIPHON

Vedhæft find mit design i Autocad123D og STL -format. Du kan lege med designet, men ændring af designet kan skabe en utæt og ikke -funktionel klokkesifon. Min blev trykt på en XYZ DaVinci AIO. Støtterne er allerede inkluderet i designet, så ekstra understøtninger er muligvis ikke nødvendige. Jeg valgte tykke skaller, 90% fyldning, 0,2 mm høj. ABS filament bruges, da PLA nedbrydes udendørs. Efter udskrivning af tragten påføres en akrylspray på den for at beskytte den mod elementerne. Hold akrylspray væk fra indersiden af klokkesifonen, da sprøjten kan blokere vandstrømmen i sifonen. Giv ikke sifonen et acetone -bad

Jeg har ikke testet harpiks -printere endnu. Hvis du bruger harpiks, skal du beskytte harpiksen mod solen for at forhindre misformning af sifonen.

(Dette design er en forbedring af originalen: Versionsdato 27. juni 2019)

Trin 3: Monter sifonen

Undersøg vedhæftede billeder. Brug superlim til at fastgøre alle emner sammen. Husk, at superlim ikke er ledende, og alle dine kontaktpunkter bør holde sig fri for superlim. Jeg brugte alligator -jumpere til at forbinde proberne (skiver) til han- til hun -jumpere på min hindbærpi. Den ene sonde skal tilsluttes GPIO 20, den anden til 21. Ingen modstande er nødvendige i dette kredsløb. Prøv at gøre sonden vandtæt, når du bruger superlim. Siliciumgel kan også hjælpe.

Dæk endnu ikke din sifon i 110 mm PVC -røret endnu, det skal først testes.

Trin 4: Test af proben

Opret en fil "rain_log.txt" i dit bibliotek, hvor du vil gemme din python -kode.

Åbn din yndlingspython IDE, og indtast følgende kode i den. Gem det som siphon_rain_gauge2.py. Kør python -koden. Føj lidt kunstig regn til din tragt. Sørg for, at der kun er en tælling, hver gang vandlåsen frigiver vand. Hvis sifonen tæller forkert, skal du se afsnittet om fejlfinding.

#Bell-sifon regnmåler

#Udviklet af JJ Slabbert print ("Bell Siphon regnmåler venter på nogle dråber …") import gpiozero importtid r = 0.21676 #Dette er den kalibrerede nedbør pr. Sifonfrigivelse. t = 0 #Total Rainfall f = open ("rain_log.txt", "a+") n = 0 mens True: #Efter hver sifon skal pin 20, 21 skifte for at forhindre mulig elektrolyse, hvis n/2 == int (n): sifon = 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 ("Samlet regnfald:"+str (float (t))+" mm "+lokal tid) f.write (str (t)+", "+lokal tid+" / n ") sifon.luk () output.close () time.sleep (1.5)

Trin 5: BEREGNINGER OG KALIBRERINGER

Hvorfor måles nedbør som en afstand? Hvad betyder 1 millimeter regn? Hvis du havde en terning på 1000mm X 1000mm X 1000mm eller 1m X 1m X 1m, vil terningen have en dybde på 1 mm regnvand, hvis du forlod den udenfor, når det regnede. Hvis du tømmer denne regn i en 1 kuld flaske, vil den fylde flasken 100 %, og vandet måler også 1 kg. Forskellige regnmålere har forskellige opland.

Også 1 gram vand er konventionel 1 ml.

Hvis du bruger mine designs som vedhæftet fil, er kalibrering muligvis ikke nødvendig.

For at kalibrere din regnmåler kan du bruge 2 metoder. For begge metoder skal du bruge vedhæft python -appen (forrige trin) til at tælle udgivelser (sifonhandlinger). Sørg for, at der kun er en tælling, hver gang vandlåsen frigiver vand. Hvis sifonen tæller forkert, skal du se afsnittet om fejlfinding

Metode 1: Brug en eksisterende (kontrol) regnmåler

For at denne metode kan fungere, skal din bell -sifon -tragt være det samme område som kontrolregnemåleren. Opret kunstig regn over din sifontragt og tæl antallet af udgivelser med python. Saml alt vandudslippet ved sifonen. i din kontrol regnmåler. Efter cirka 50 udgivelser (hævningshandlinger) måles nedbøren i kontrolregnemåleren

Lad R være den gennemsnitlige nedbør i mm pr. Hævertaktion

R = (Samlet nedbør i kontrolmåleren)/(Antal sifonhandlinger)

Metode to: Vægt din nedbør (du skal bruge en elektronisk vægt)

Lad R være den gennemsnitlige nedbør i mm pr. Hævertaktion

Lad W være vandets vægt pr. Hævertaktion i gram eller ml

Lad A være tragts opland

R = (Bx1000)/A

Til kalibrering skal du bruge en sprøjte til langsomt at injicere vand i klokkesifonen. Fang vandet i et glas med en kendt vægt. Fortsæt med at injicere vandet, indtil sifonen tømmer sig selv i mindst 50 gange. Vægt vandet i glasset. Beregn den gennemsnitlige vægt (W) af vand, der frigives, hver gang vandlåsen frigiver vand. Til mit design var det omkring 2,95 gram (ml). Til min tragt 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 vægt, kan du bare bruge en stor (60 ml/gram) sprøjte. Tæl bare antallet af vandlåse fra vandlåsen

W = (Sprøjtevolumen i mm)/(Antal vandlåse fra sifon)

Opdater python -appen med den nye R -værdi.

Bell Siphon (mit design) tager cirka 1 sekund at frigive alt vand. Som en tommelfingerregel frigives der også vand, der kommer ind i sifonen under frigivelsen. Dette kan påvirke målingernes linearitet under kraftig regn. En bedre statistisk model kan forbedre estimaterne.

Trin 6: Gå til feltet

Læg din samlede klokkesifon og tragt i et passende kabinet. Jeg brugte et 110 mm PVC -rør. Sørg også for, at din tilsluttede hindbær pi er i vandtæt kappe. Min PI drives af en powerbank til demo -formål, men der skal bruges en ordentlig ekstern strømforsyning eller solsystem.

Jeg brugte VNC til at oprette forbindelse til PI'en via min tablet. Det betyder, at jeg kan overvåge nedbør på min installation hvor som helst.

Opret kunstig regn og se, hvordan sensoren fungerer.

Trin 7: Fejlfinding

1) Problem: Hvis jeg tæller sifonudgivelserne med python -appen, tæller appen ekstra udgivelser.

Råd: Dine sonder i klokkesifonen kan være at lukke, og en vanddråbe sidder fast mellem dem.

2) Problem: Vand drypper gennem sifonen.

Råd: Dette er en designfejl. Forbedre designet. Siphon -udløbsradius er sandsynligvis for stor. Nogle hjælp fra videnskabsmand kan hjælpe. Hvis du har designet din egen klokkesifon, kan du prøve den, jeg leverede. Du kan også fastgøre et kort (15 cm) akvarierør til sifonudløbet for at forbedre frigivelsens "trækstyrke".

3) Problem: Prober henter ikke alle sifonudgivelser.

Råd: Rengør sonderne med en ørepind. Kontroller alle kabelforbindelser. Der kan være lim på dine prober. fjern det med en fin præcisionsfil.

4) Problem: Mine sifonudgivelser tælles alle korrekt, men estimatet af nedbør er forkert.

Råd: Du skal kalibrere din sensor igen. Hvis du har under estimater, skal r (nedbør pr. Sifonhandling) øges.

Trin 8: Fremtidige forbedringer og test

1. Guldplade sonder (skiver). Dette hjælper igen mulig korrosion.
2. Udskift proberne med en laserdiode og en fotomodstand.
3. Forbedre estimationsmodellen. Den enkle lineære model er muligvis ikke egnet i kraftig regn.
4. En anden større Bell Siphon kan tilføjes under (ved udløbet) af den første for at måle regn med høj densitet.
5. For en GUI foreslår jeg Caynne IOT.

Bemærk: En større forbedring er offentliggjort. Se PiSiphon Rain Gauge