Bell Siphon Rain Gauge: 8 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

En förbättrad version av detta är PiSiphon Rain Gauge

Traditionellt mäts nederbörd med en manuell regnmätare.

Automatiserade väderstationer (inklusive IoT -väderstationer) använder normalt tippskopor, akustiska disdrometrar eller laserdistometrar.

Tipphinkar har rörliga delar som kan täppas till. De är kalibrerade i laboratorier och kanske inte mäter korrekt vid kraftiga regnskurar. Disdrometrar kan kämpa för att få upp små droppar eller nederbörd från snö eller dimma. Disdrometrar krävde också komplicerad elektronik och algoritmer för att uppskatta fallstorlekar och för att skilja mellan regn, snö och hagel.

Jag trodde att en Bell Siphon Rain -mätare kan vara användbar för att övervinna några av ovanstående problem. Bell Siphon kan enkelt skrivas ut på en vanlig FDM 3d -skrivare (De billiga med extruder, som RipRaps och Prusas).

Bell Siphons används ofta i vatten- och fisktankar för att automatiskt tömma tankar när vattennivån når en viss höjd. Endast naturkrafter används för att tömma tanken relativt snabbt. Sifonen har inga rörliga delar.

Klockhävertens regnmätare innehåller två givare som är anslutna nära varandra (men inte kommer i kontakt med varandra) till utloppet på klocksifonen. De andra ändarna av sonderna är anslutna till GPIO -stiften på hallon -pi. En stift kommer att vara en utgångsstift, den andra stiftet kommer att vara en ingångsstift. När regnmätaren innehåller en viss mängd vatten kommer naturliga krafter att tömma mätaren. Vatten kommer att flöda förbi sonderna vid klockans sifonuttag och en hög kommer att registreras på GPIO -ingångsstiften. Denna sifonåtgärd kommer att spela in cirka 2,95 gram (ml) med min klockhävertdesign. 2,8 gram vatten kommer att vara lika med +/- 0,21676 mm regn om min regnmätare med en trattdiameter på 129 mm används. Efter varje sifonåtgärd (vattenfrisättningshändelse) blir ingångsstiftet utgången och utgången blir en ingång för att förhindra eventuell elektrolys.

Mitt mål med det här projektet är att tillhandahålla en sensor som kan användas av tinkerers för att fästa på öppna hårdvaruväderstationer. Denna sensor testades på en hallon pi, men andra mikrokontroller bör också fungera.

För att få en bättre förståelse av klocksifoner, titta på detta

Steg 1: Vad du behöver

1. En hallon pi.
2. 3D-skrivare- (För att skriva ut klockans sifon. Jag tillhandahåller min design. Du kan också ta den till en utskriftstjänst)
3. Gammal regnmåtttratt (Eller så kan du skriva ut en. Jag tillhandahåller min design.)
4. 2 X brickor som sonder (5x25x1,5 mm för min design)
5. Brödbräda (valfritt för testning).
6. Vissa Python -färdigheter hjälper, men all kod tillhandahålls.
7. En elektronisk skala för att finjustera kalibrering. En stor spruta (60 ml) kan också användas.
8. Vattentätt hölje för hallon pi.
9. superlim
10. 2 Alligatorhoppare och 2 manliga till kvinnliga hoppare
11. 110 mm PVC-rör, +/- 40 cm långt

Steg 2: DESIGN OCH SKRIV UT KLOCKHÄLLEN

Bifoga hitta min design i Autocad123D och STL -format. Du kan leka med designen, men att ändra designen kan skapa en läckande och icke -funktionell klocksifon. Min trycktes på en XYZ DaVinci AIO. Stöden ingår redan i designen, så extra stöd kanske inte behövs. Jag valde tjocka skal, 90% fyllning, 0,2 mm nivå hög. ABS -filament används eftersom PLA kommer att brytas utomhus. Efter utskrift av tratten, applicera en akrylspray på den för att skydda den från väder och vind. Håll akrylspray borta från insidan av ringklockans sifon eftersom det kan blockera vattenflödet i sifonen. Ge inte sifonen ett acetonbad

Jag har inte testat hartsskrivare än. Om du använder harts måste du skydda hartset från solen för att förhindra missformning av sifonen.

(Denna design är en förbättring av originalet: Versionsdatum 27 juni 2019)

Steg 3: Montera sifonen

Studera bifogade bilder. Använd superlim för att fästa alla föremål ihop. Kom ihåg att superlim är icke ledande och alla dina kontaktpunkter ska hålla sig borta från superlim. Jag använde alligatorhoppare för att ansluta sonderna (brickor) till han- till kvinnliga hoppare på min hallonpi. Den ena sonden ska anslutas till GPIO 20, den andra till 21. Inga motstånd krävs i denna krets. Försök att göra sonden vattentät när du använder superlimet. Kiselgel kan också hjälpa.

Täck inte din sifon i 110 mm PVC -röret ännu, den måste först testas.

Steg 4: Test av sonden

Skapa en fil "rain_log.txt" i din katalog där du vill spara din pythonkod.

Öppna din favorit python IDE och skriv följande kod i den. Spara det som siphon_rain_gauge2.py. Kör pythonkoden. Lägg till lite konstigt regn i din tratt. Se till att det bara finns en räkning varje gång sifonen släpper ut vatten. Om sifonen räknar fel, se avsnittet om felsökning.

#Bell-Siphon Rain Gauge

#Utvecklad av JJ Slabbert -tryck ("Bell Sifons regnmätare väntar på några droppar …") import gpiozero importtid r = 0.21676 #Detta är den kalibrerade nederbörden per sifonfrisättning. t = 0 #Total Rainfall f = open ("rain_log.txt", "a+") n = 0 medan True: #Efter varje sifon bör pin 20, 21 växla för att förhindra eventuell elektrolys om 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 ("Totalt regnfall:"+str (float (t))+" mm "+lokal tid) f.write (str (t)+", "+lokal tid+" / n ") siphon.close () output.close () time.sleep (1.5)

Steg 5: BERÄKNINGAR OCH KALIBRERINGAR

Varför mäts nederbörd som ett avstånd? Vad betyder 1 millimeter regn? Om du hade en kub på 1000mm X 1000mm X 1000mm eller 1m X 1m X 1m, kommer kuben att ha ett djup av 1 mm regnvatten om du lämnade den utanför när det regnade. Om du tömmer detta regn i en flaska med 1 kull fyller den 100 % och vattnet mäter också 1 kg. Olika regnmätare har olika upptagningsområden.

Dessutom är 1 gram vatten konventionell 1 ml.

Om du använder mina mönster som bifogade kanske kalibrering inte behövs.

För att kalibrera din regnmätare kan du använda två metoder. För båda metoderna använder du appen bifoga python (föregående steg) för att räkna utgåvor (sifonåtgärder). Se till att det finns en och bara en räkning varje gång sifonen släpper ut vatten. Om sifonen räknar fel, se avsnittet om felsökning

Metod ett: Använd en befintlig (kontroll) regnmätare

För att den här metoden ska fungera måste din sifonstratt vara i samma område som kontrollregnmätaren. Skapa konstgjort regn över din sifontratt och räkna antalet släpp med python. Samla all vattenutsläpp med sifonen. i din kontroll regnmätare. Efter cirka 50 släppningar (Siphoning -åtgärder) mäter du nederbörden i kontrollregnmätaren

Låt R vara den genomsnittliga nederbörden i mm per sifonåtgärd

R = (Total nederbörd i kontrollmätare)/(Antal sifonåtgärder)

Metod två: Vikta din nederbörd (du behöver en elektronisk våg)

Låt R vara den genomsnittliga nederbörden i mm per sifonåtgärd

Låt W vara vattnets vikt per sifonåtgärd i gram eller ml

Låt A vara trattens upptagningsområde

R = (Bx1000)/A

För kalibrering, använd en spruta för att injicera vatten långsamt i klocksifonen. Fånga vattnet i ett glas med en känd vikt. Fortsätt injicera vattnet tills sifonen tömde sig minst 50 gånger. Vikta vattnet i glaset. Beräkna medelvikten (W) för vatten som släpps ut varje gång sifonen släpper ut vatten. För min design var det cirka 2,95 gram (ml). För min tratt med diameter 129 mm och radie 64,5 mm

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

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

R = 0,21676

Om du inte har en elektronisk våg kan du bara använda en stor (60 ml/gram) spruta. Räkna bara antalet sifonvattenutsläpp

W = (Sprutvolym i mm)/(Antal sifonvattenutsläpp)

Uppdatera python -appen med det nya R -värdet.

Bell Siphon (Min design) tar cirka 1 sekund att släppa ut allt vatten. Som tumregel kommer vatten som kommer in i sifonen under släppningen också att släppas ut. Detta kan påverka mätningens linearitet under kraftigt regn. En bättre statistisk modell kan förbättra uppskattningarna.

Steg 6: Gå till fältet

Lägg din monterade klocksifon och tratt i lämpligt hölje. Jag använde ett 110 mm PVC -rör. Se också till att din anslutna hallon pi är i vattentätt hölje. Min PI drivs med en powerbank för demoändamål, men en riktig extern strömförsörjning eller solsystem måste användas.

Jag använde VNC för att ansluta till PI via min surfplatta. Det betyder att jag kan övervaka nederbörd vid min installation var som helst.

Skapa konstigt regn och se hur sensorn fungerar.

Steg 7: Felsökning

1) Problem: Om jag räknar sifonutgåvorna med python -appen, räknar appen extra versioner.

Råd: Dina sonder i klocksifonen kan vara att stänga och en vattendroppe fastnar mellan dem.

2) Problem: Vatten droppar genom sifonen.

Råd: Detta är ett designfel. Förbättra designen. Sifonutloppsradien är förmodligen för stor. Viss hjälp från forskare kan hjälpa. Om du har designat din egen klocksifon, prova den som jag gav. Du kan också fästa ett kort (15 cm) fisktankrör till sifonutloppet för att förbättra släppkraften.

3) Problem: Prober hämtar inte alla sifonutgåvor.

Råd: Rengör sonderna med en öronstick. Kontrollera alla kabelanslutningar. Det kan finnas lim på dina sonder. ta bort den med en fin precisionsfil.

4) Problem: Mina sifonutsläpp räknas alla korrekt, men uppskattningen av nederbörd är fel.

Råd: Du måste kalibrera om din sensor. Om du har under uppskattningar måste r (nederbörd per sifonåtgärd) ökas.

Steg 8: Framtida förbättringar och test

1. Guldplatta sonderna (brickor). Detta hjälper igen möjlig korrosion.
2. Ersätt sonderna med en laserdiod och ett fotomotstånd.
3. Förbättra uppskattningsmodellen. Den enkla linjära modellen är kanske inte lämplig vid kraftigt regn.
4. En andra större Bell Siphon kan läggas till under (vid utloppet) av den första för att mäta regn med hög densitet.
5. För ett GUI föreslår jag Caynne IOT.

Obs: En stor förbättring publiceras. Se PiSiphon Rain Gauge