Bell Siphon regenmeter - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Een verbeterde versie hiervan is de PiSiphon Rain Gauge

Traditioneel wordt regenval gemeten met een handmatige regenmeter.

Geautomatiseerde weerstations (inclusief IoT-weerstations) gebruiken normaal gesproken kantelbakken, akoestische disdrometers of laserdisdrometers.

Kiepbakken hebben bewegende delen die verstopt kunnen raken. Ze zijn gekalibreerd in laboratoria en meten mogelijk niet correct bij zware regenbuien. Disdrometers kunnen moeite hebben om kleine druppels of neerslag van sneeuw of mist op te nemen. Disdrometers hadden ook ingewikkelde elektronica en verwerkingsalgoritmen nodig om de druppelgroottes te schatten en onderscheid te maken tussen regen, sneeuw en hagel.

Ik dacht dat een Bell Siphon Rain-meter nuttig zou kunnen zijn om enkele van de bovenstaande problemen op te lossen. De Bell Siphon kan eenvoudig worden geprint op een normale FDM 3D-printer (de goedkope met extruders, zoals RipRaps en Prusas).

Bell Siphons worden vaak gebruikt in aquaponics en aquaria om tanks automatisch te legen wanneer het waterniveau een bepaalde hoogte bereikt. Alleen natuurlijke krachten worden gebruikt om de tank relatief snel leeg te maken. De Siphon heeft geen bewegende delen.

De kloksifon regenmeter bevat twee sondes die dicht bij elkaar zijn aangesloten (maar niet met elkaar in contact komen) met de uitgang van de kloksifon. De andere uiteinden van de sondes zijn verbonden met GPIO-pinnen van de Raspberry Pi. Eén pin is een output-pin, de andere pin is een input-pin. Wanneer de regenmeter een bepaalde hoeveelheid water bevat, zullen natuurkrachten de meter leegpompen. Er zal water langs de sondes bij de sifonuitlaat van de bel stromen en een hoog wordt geregistreerd op de GPIO-ingangspin. Deze hevelactie zal ongeveer 2,95 gram (ml) opnemen met behulp van mijn belsifonontwerp. De 2,8 gram water zal gelijk zijn aan +/- 0,21676 mm regen als mijn regenmeter met een trechterdiameter van 129 mm wordt gebruikt. Na elke hevelactie (watervrijgavegebeurtenis) wordt de ingangspen de uitgang en wordt de uitgang een ingang om mogelijke elektrolyse te voorkomen.

Mijn doel van dit project is om een sensor te leveren die door knutselaars kan worden gebruikt om te bevestigen aan open hardware-weerstations. Deze sensor is getest op een Raspberry pi, maar andere microcontrollers zouden ook moeten werken.

Bekijk deze https://www.youtube.com/embed/_vV_z_0lFQ8 voor een beter begrip van kloksifons

Stap 1: Wat heb je nodig?

1. Een frambozenpi.
2. 3D Printer-(Om de bel Siphon te printen. Ik zal mijn ontwerp aanleveren. Je kunt het ook naar een printservice brengen)
3. Oude regenmeter trechter (of je kunt er een afdrukken. Ik zal mijn ontwerp leveren.)
4. 2 X Ringen als sondes (5x25x1.5 mm voor mijn ontwerp)
5. Breadboard (optioneel om te testen).
6. Sommige Python-vaardigheden zullen helpen, maar alle code is aanwezig.
7. Een elektronische weegschaal om de kalibratie nauwkeurig af te stemmen. Er kan ook een grote spuit (60 ml) worden gebruikt.
8. Waterdichte behuizing voor de Raspberry Pi.
9. superlijm
10. 2 Alligator-truien en 2 man-vrouw-truien
11. 110mm PVC pijp, +/-40 cm lang

Stap 2: ONTWERP EN PRINT DE BELL SIPHON

Bijgevoegd vind mijn ontwerp in Autocad123D en STL formaat. U kunt met het ontwerp spelen, maar het veranderen van het ontwerp kan een lekkende en niet-functionele belsifon veroorzaken. De mijne is afgedrukt op een XYZ DaVinci AIO. De steunen zijn al in het ontwerp opgenomen, dus extra steunen zijn mogelijk niet nodig. Ik heb dikke schelpen geselecteerd, 90% vulling, 0,2 mm hoog. ABS-filament wordt gebruikt omdat PLA buitenshuis afbreekt. Breng na het bedrukken van de trechter een acrylspray aan om deze tegen de elementen te beschermen. Houd acrylspray uit de buurt van de binnenkant van de sifon, omdat de spray de waterstroom in de sifon kan blokkeren. Geef de sifon geen acetonbad

Ik heb nog geen harsprinters getest. Als u hars gebruikt, moet u de hars tegen de zon beschermen om misvorming van de sifon te voorkomen.

(Dit ontwerp is een verbetering van het origineel: Versie Datum 27 juni 2019)

Stap 3: Montage van de sifon

Bestudeer de bijgevoegde afbeeldingen. Gebruik superlijm om alle items aan elkaar te bevestigen. Onthoud dat superlijm niet geleidend is en dat al uw contactpunten vrij moeten blijven van superlijm. Ik gebruikte alligator-jumpers om de sondes (ringen) aan te sluiten op mannelijke naar vrouwelijke jumpers op mijn Raspberry Pi. De ene sonde moet worden aangesloten op GPIO 20, de andere op 21. In dit circuit zijn geen weerstanden vereist. Probeer de sonde waterdicht te maken wanneer u de secondelijm gebruikt. Siliciumgel kan ook helpen.

Dek je sifon nog niet af in de 110mm PVC pijp, deze moet eerst getest worden.

Stap 4: De sonde testen

Maak een bestand "rain_log.txt" in uw directory waar u uw python-code wilt opslaan.

Open je favoriete python-IDE en typ de volgende code erin. Sla het op als siphon_rain_gauge2.py. Voer de python-code uit. Voeg wat kunstmatige regen toe aan je trechter. Zorg ervoor dat er één en slechts één telling is, elke keer dat de sifon water laat ontsnappen. Als de sifon niet goed telt, raadpleegt u de sectie probleemoplossing.

#Bell-Siphon Regenmeter

#Ontwikkeld door JJ Slabbert print("De Bell Siphon regenmeter wacht op enkele druppels…") import gpiozero import time r=0.21676 #Dit is de gekalibreerde regenval per sifon release actie. t=0 #Totale regenval f=open("rain_log.txt", "a+") n=0 while True: #Na elke heveling moeten pen 20, 21 elkaar afwisselen om mogelijke elektrolyse te voorkomen indien n/2==int(n): siphon=gpiozero. Button(21, False) output=gpiozero. LED(20) output.on() else: siphon=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("Totale regenval: "+str(float(t))+" mm "+localtime) f.write(str(t)+", "+localtime+"\n") siphon.close() output.close() time.sleep(1.5)

Stap 5: BEREKENINGEN EN KALIBRATIES

Waarom wordt regenval gemeten als een afstand? Wat betekent 1 millimeter regen? Als u een kubus van 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm of 1 m X 1 m X 1 m had, zal de kubus een diepte van 1 mm regenwater hebben als u hem buiten laat als het regent. Als je deze regen in een fles van 1 Litter leegt, vult deze de fles voor 100% en meet het water ook 1 kg. Verschillende regenmeters hebben verschillende stroomgebieden.

Ook is 1 gram water conventioneel 1 ml.

Als u mijn ontwerpen gebruikt zoals bijgevoegd, is kalibratie mogelijk niet nodig.

Om je regenmeter te kalibreren kun je 2 methodes gebruiken. Gebruik voor beide methoden de app Attach Python (vorige stap) om releases (overhevelingsacties) te tellen. Zorg ervoor dat er één en slechts één telling is, elke keer dat de sifon water laat ontsnappen. Als de sifon niet goed telt, raadpleegt u de sectie probleemoplossing

Methode één: gebruik een bestaande (controle) regenmeter

Om deze methode te laten werken, moet uw belsifontrechter zich in hetzelfde gebied bevinden als de controle-regenmeter. Creëer kunstmatige regen over je sifontrechter en tel het aantal releases met python. Verzamel al het water dat vrijkomt via de sifon. in uw controle regenmeter. Meet na ongeveer 50 ontladingen (overhevelingsacties) de regenval in de controle-regenmeter

Laat R de gemiddelde neerslag in mm per hevelactie zijn

R=(Totale regenval in controlemeter)/(Aantal hevelacties)

Methode twee: weeg uw regenval (u heeft een elektronische weegschaal nodig)

Laat R de gemiddelde neerslag in mm per hevelactie zijn

Laat W het gewicht zijn van het water per hevelactie in gram of ml

Laat A het stroomgebied van de trechter zijn

R=(Bx1000)/A

Gebruik voor kalibratie een injectiespuit om langzaam water in de kloksifon te injecteren. Vang het water op in een glas met een bekend gewicht. Ga door met het injecteren van het water totdat de sifon zichzelf minstens 50 keer heeft geleegd. Weeg het water in het glas. Bereken het gemiddelde gewicht (W) van het water dat vrijkomt telkens wanneer de sifon water afgeeft. Voor mijn ontwerp was het ongeveer 2,95 gram (ml). Voor mijn trechter met een diameter van 129 mm en een straal van 64,5 mm

A=pi*(64.5)^2=13609.8108371

R=(2,95*1000) /13609.8108371

R=0,21676

Als u geen elektronische weegschaal heeft, kunt u gewoon een grote spuit (60 ml/gram) gebruiken. Tel gewoon het aantal sifonwaterafgiftes

W=(Spuitvolume in mm)/(Aantal sifonwaterafgiftes)

Werk de python-app bij met de nieuwe R-waarde.

De Bell Siphon (Mijn ontwerp) heeft ongeveer 1 seconde nodig om al het water te laten ontsnappen. Als vuistregel geldt dat water dat tijdens het lossen in de sifon komt, ook vrijkomt. Dit kan de lineariteit van de metingen beïnvloeden bij hevige regen. Een beter statistisch model kan de schattingen verbeteren.

Stap 6: Ga naar het veld

Plaats uw gemonteerde sifon en trechter in een geschikte behuizing. Ik gebruikte een 110 mm PVC-buis. Zorg er ook voor dat uw aangesloten Raspberry Pi zich in een waterdichte behuizing bevindt. Mijn PI wordt gevoed met een powerbank voor demo-doeleinden, maar er moet een goede externe voeding of zonnestelsel worden gebruikt.

Ik gebruikte VNC om via mijn tablet verbinding te maken met de PI. Dit betekent dat ik de regenval in mijn installatie overal kan monitoren.

Creëer kunstmatige regen en zie hoe de sensor werkt.

Stap 7: Problemen oplossen

1) Probleem: als ik de sifon-releases tel met de python-app, telt de app extra releases.

Advies: Uw sondes in de sifon van de bel zijn mogelijk te dicht en er zit een waterdruppel tussen.

2) Probleem: Er druppelt water door de sifon.

Advies: Dit is een ontwerpfout. Verbeter het ontwerp. De straal van de sifonuitlaat is waarschijnlijk te groot. Wat hulp van een wetenschapper kan helpen. Als je je eigen belsifon hebt ontworpen, probeer dan degene die ik heb verstrekt. U kunt ook een korte (15 cm) aquariumpijp aan de sifonuitlaat bevestigen om de "sleepkracht" van de ontgrendeling te verbeteren.

3) Probleem: Sondes pikken niet alle sifonontgrendelingen op.

Advies: Maak je sondes schoon met een oorstokje. Controleer alle kabelverbindingen. Er kan lijm op uw sondes zitten. verwijder het met een fijne precisievijl.

4) Probleem: Mijn sifonafgiftes zijn allemaal correct geteld, maar de schatting van de regenval is verkeerd.

Advies: U moet uw sensor opnieuw kalibreren. Als u onderschattingen heeft, moet r (regenval per hevelactie) worden verhoogd.

Stap 8: Toekomstige verbeteringen en testen

1. Vergulde de sondes (ringen). Dit helpt weer mogelijke corrosie.
2. Vervang de sondes door een laserdiode en een fotoweerstand.
3. Verbeter het schattingsmodel. Het eenvoudige lineaire model is mogelijk niet geschikt bij hevige regen.
4. Een tweede grotere Bell Siphon kan onder (aan de uitlaat) van de eerste worden toegevoegd om regen met een hoge dichtheid te meten.
5. Voor een GUI raad ik Caynne IOT aan.

Let op: Er is een grote verbetering gepubliceerd. Bekijk de PiSiphon-regenmeter