Bell Siphon Regenmesser - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Eine verbesserte Version davon ist der PiSiphon Regenmesser

Traditionell wird der Niederschlag mit einem manuellen Regenmesser gemessen.

Automatisierte Wetterstationen (einschließlich IoT-Wetterstationen) verwenden normalerweise Kippschaufeln, akustische Disdrometer oder Laser-Disdrometer.

Kippschaufeln haben bewegliche Teile, die verstopft werden können. Sie werden in Labors kalibriert und messen bei starkem Regensturm möglicherweise nicht richtig. Disdrometer können Schwierigkeiten haben, kleine Tropfen oder Niederschlag aus Schnee oder Nebel aufzunehmen. Disdrometer erforderten auch komplizierte Elektronik und Verarbeitungsalgorithmen, um Tropfengrößen zu schätzen und zwischen Regen, Schnee und Hagel zu unterscheiden.

Ich dachte, ein Bell Siphon Regenmesser könnte nützlich sein, um einige der oben genannten Probleme zu lösen. Der Bell Siphon kann problemlos auf einem normalen FDM 3D-Drucker (die billigen mit Extrudern, wie RipRaps und Prusas) gedruckt werden.

Glockensiphons werden häufig in Aquaponik und Aquarien verwendet, um Tanks automatisch zu entleeren, wenn der Wasserstand eine bestimmte Höhe erreicht. Um den Tank relativ schnell zu entleeren, werden nur Naturkräfte eingesetzt. Der Siphon hat keine beweglichen Teile.

Der Glockensiphon-Regenmesser enthält zwei Fühler, die nahe beieinander (aber sich nicht berührend) an den Auslass des Glockensiphons angeschlossen sind. Die anderen Enden der Sonden sind mit GPIO-Pins des Himbeer-Pi verbunden. Ein Pin ist ein Ausgangspin, der andere Pin ist ein Eingangspin. Wenn der Regenmesser eine bestimmte Wassermenge enthält, wird der Regenmesser durch Naturgewalten entleert. Wasser fließt durch die Sonden am Glockensiphonauslass und ein Hoch wird am GPIO-Eingangspin registriert. Diese Absaugaktion nimmt mit meinem Glockensiphon-Design ungefähr 2,95 Gramm (ml) auf. Die 2,8 Gramm Wasser entsprechen +/-0,21676 mm Regen, wenn mein Regenmesser mit einem Trichterdurchmesser von 129 mm verwendet wird. Nach jedem Absaugvorgang (Wasserfreisetzungsereignis) wird der Eingangsstift zum Ausgang und der Ausgang zum Eingang, um eine mögliche Elektrolyse zu verhindern.

Mein Ziel dieses Projekts ist es, einen Sensor bereitzustellen, der von Bastlern verwendet werden kann, um an offene Hardware-Wetterstationen anzuschließen. Dieser Sensor wurde auf einem Himbeer-Pi getestet, aber auch andere Mikrocontroller sollten funktionieren.

Um ein besseres Verständnis von Glockensiphons zu erhalten, sehen Sie sich dies an

Schritt 1: Was Sie brauchen

1. Ein Himbeer-Pi.
2. 3D-Drucker-(Um den Glockensiphon zu drucken. Ich werde mein Design zur Verfügung stellen. Sie können es auch zu einem Druckservice bringen)
3. Alter Regenmessertrichter (Oder Sie können einen drucken. Ich werde mein Design zur Verfügung stellen.)
4. 2 X Unterlegscheiben als Sonden (5x25x1,5 mm für mein Design)
5. Steckbrett (optional zum Testen).
6. Einige Python-Kenntnisse helfen, aber der gesamte Code wird bereitgestellt.
7. Eine elektronische Waage zur Feinabstimmung der Kalibrierung. Eine große Spritze (60 ml) kann ebenfalls verwendet werden.
8. Wasserdichtes Gehäuse für den Raspberry Pi.
9. Sekundenkleber
10. 2 Alligator-Pullover und 2 männliche zu weibliche Pullover
11. 110mm PVC-Rohr, +/-40 cm lang

Schritt 2: ENTWERFEN UND DRUCKEN SIE DEN GLOCKENSIPHON

Hängen Sie mein Design im Autocad123D- und STL-Format an. Sie können mit dem Design herumspielen, aber eine Änderung des Designs kann zu einem undichten und nicht funktionierenden Glockensiphon führen. Meins wurde auf einem XYZ DaVinci AIO gedruckt. Die Stützen sind bereits im Design enthalten, so dass zusätzliche Stützen möglicherweise nicht benötigt werden. Ich wählte dicke Schalen, 90% Füllung, 0,2 mm hoch. ABS-Filament wird verwendet, da PLA im Freien abgebaut wird. Tragen Sie nach dem Bedrucken des Trichters ein Acrylspray darauf auf, um ihn vor Witterungseinflüssen zu schützen. Halten Sie Acrylspray von der Innenseite des Glockensiphons fern, da es den Wasserfluss im Siphon blockieren kann. Geben Sie dem Siphon kein Acetonbad

Harzdrucker habe ich noch nicht getestet. Wenn Sie Harz verwenden, müssen Sie das Harz vor der Sonne schützen, um eine Verformung des Siphons zu verhindern.

(Dieses Design ist eine Verbesserung des Originals: Versionsdatum 27. Juni 2019)

Schritt 3: Zusammenbau des Siphons

Studieren Sie die beigefügten Bilder. Verwenden Sie Superkleber, um alle Elemente zusammenzufügen. Denken Sie daran, dass Sekundenkleber nicht leitfähig ist und alle Ihre Kontaktpunkte frei von Sekundenkleber bleiben sollten. Ich habe Alligator-Jumper verwendet, um die Sonden (Unterlegscheiben) mit männlichen zu weiblichen Jumpern auf meinem Himbeer-Pi zu verbinden. Die eine Sonde sollte an GPIO 20 angeschlossen werden, die andere an 21. In dieser Schaltung sind keine Widerstände erforderlich. Versuchen Sie, die Sonde wasserdicht zu machen, wenn Sie den Sekundenkleber verwenden. Auch Silikongel kann helfen.

Decken Sie Ihren Siphon noch nicht im 110mm PVC-Rohr ab, er muss zuerst getestet werden.

Schritt 4: Testen der Sonde

Erstellen Sie eine Datei "rain_log.txt" in Ihrem Verzeichnis, in der Sie Ihren Python-Code speichern möchten.

Öffnen Sie Ihre bevorzugte Python-IDE und geben Sie den folgenden Code ein. Speichern Sie es als siphon_rain_gauge2.py. Führen Sie den Python-Code aus. Fügen Sie Ihrem Trichter etwas künstlichen Regen hinzu. Stellen Sie sicher, dass jedes Mal, wenn der Siphon Wasser abgibt, nur eine Zählung erfolgt. Wenn der Siphon falsch zählt, lesen Sie den Abschnitt zur Fehlerbehebung.

#Glocke-Siphon-Regenmesser

#Entwickelt von JJ Slabbert print("Der Bell-Siphon-Regenmesser wartet auf einige Tropfen…") import gpiozero import time r=0.21676 #Dies ist der kalibrierte Niederschlag pro Siphon-Freigabeaktion. t=0 #Gesamtniederschlag f=open("rain_log.txt", "a+") n=0 while True: #Nach jedem Absaugen sollten sich Pin 20, 21 abwechseln, um eine mögliche Elektrolyse zu verhindern, wenn n/2==int(n): siphon=gpiozero. Button(21, False) output=gpiozero. LED(20) output.on() sonst: 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("Gesamtniederschlag: "+str(float(t))+" mm "+Ortszeit) f.write(str(t)+", "+Ortszeit+"\n") siphon.close() output.close() time.sleep(1.5)

Schritt 5: BERECHNUNGEN UND KALIBRIERUNGEN

Warum wird Niederschlag als Entfernung gemessen? Was bedeutet 1 Millimeter Regen? Wenn Sie einen Würfel von 1000 mm x 1000 mm x 1000 mm oder 1 m x 1 m x 1 m hatten, hat der Würfel eine Tiefe von 1 mm Regenwasser, wenn Sie ihn bei Regen draußen gelassen haben. Wenn Sie diesen Regen in eine 1-Litter-Flasche leeren, wird die Flasche zu 100 % gefüllt und das Wasser misst auch 1 kg. Unterschiedliche Regenmesser haben unterschiedliche Einzugsgebiete.

Auch 1 Gramm Wasser ist üblich 1 ml.

Wenn Sie meine Designs wie beigefügt verwenden, ist möglicherweise keine Kalibrierung erforderlich.

Um Ihren Regenmesser zu kalibrieren, können Sie zwei Methoden verwenden. Verwenden Sie für beide Methoden die App zum Anhängen von Python (vorheriger Schritt), um Releases (Absaugaktionen) zu zählen. Stellen Sie sicher, dass jedes Mal, wenn der Siphon Wasser abgibt, nur eine Zählung erfolgt. Wenn der Siphon falsch zählt, lesen Sie den Abschnitt zur Fehlerbehebung

Methode 1: Verwenden Sie einen vorhandenen (Kontroll-)Regenmesser

Damit diese Methode funktioniert, muss sich Ihr Glockensiphontrichter im gleichen Bereich wie der Kontroll-Regenmesser befinden. Erstellen Sie künstlichen Regen über Ihrem Siphon-Trichter und zählen Sie die Anzahl der Freisetzungen mit Python. Sammeln Sie das gesamte Wasser, das durch den Siphon freigesetzt wird. in Ihrem Kontroll-Regenmesser. Messen Sie nach ca. 50 Auslösungen (Absaugaktionen) den Niederschlag im Kontroll-Regenmesser

Sei R der durchschnittliche Niederschlag in mm pro Saugvorgang

R=(Gesamtniederschlag im Kontrollmesser)/(Anzahl der Absaugaktionen)

Methode 2: Wiegen Sie Ihren Niederschlag (Sie benötigen eine elektronische Waage)

Sei R der durchschnittliche Niederschlag in mm pro Saugvorgang

Sei W das Gewicht des Wassers pro Saugvorgang in Gramm oder ml

Sei A das Einzugsgebiet des Trichters

R=(Wx1000)/A

Zur Kalibrierung verwenden Sie eine Spritze, um Wasser langsam in den Glockensiphon zu injizieren. Fangen Sie das Wasser in einem Glas mit bekanntem Gewicht auf. Fahren Sie mit dem Injizieren des Wassers fort, bis sich der Siphon mindestens 50 Mal von selbst entleert hat. Wiege das Wasser im Glas. Berechnen Sie das durchschnittliche Gewicht (W) des Wassers, das jedes Mal freigesetzt wird, wenn der Siphon Wasser freisetzt. Für mein Design waren es ca. 2,95 Gramm (ml). Für meinen Trichter mit Durchmesser 129mm und Radius 64,5mm

A=pi*(64.5)^2=13609.8108371

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

R=0,21676

Wenn Sie keine elektronische Waage haben, können Sie einfach eine große Spritze (60 ml/Gramm) verwenden. Zählen Sie einfach die Anzahl der Siphonwasserfreisetzungen

W=(Spritzenvolumen in mm)/(Anzahl der Siphonwasserabgaben)

Aktualisieren Sie die Python-App mit dem neuen R-Wert.

Der Bell Siphon (Mein Design) braucht etwa 1 Sekunde, um das gesamte Wasser freizugeben. Als Faustregel gilt, dass beim Ablassen auch Wasser abgelassen wird, das in den Siphon eindringt. Dies kann die Linearität der Messungen bei starkem Regen beeinträchtigen. Ein besseres statistisches Modell kann die Schätzungen verbessern.

Schritt 6: Gehen Sie zum Feld

Setzen Sie Ihren montierten Glockensiphon und Trichter in ein geeignetes Gehäuse. Ich habe ein 110 mm PVC-Rohr verwendet. Stellen Sie außerdem sicher, dass sich Ihr verbundener Himbeer-Pi in einem wasserdichten Gehäuse befindet. Mein PI wird zu Demozwecken mit einer Powerbank betrieben, es muss jedoch ein geeignetes externes Netzteil oder Solarsystem verwendet werden.

Ich habe VNC verwendet, um mich über mein Tablet mit dem PI zu verbinden. So kann ich den Niederschlag an meiner Anlage von überall aus überwachen.

Erstellen Sie künstlichen Regen und sehen Sie, wie der Sensor funktioniert.

Schritt 7: Fehlerbehebung

1) Problem: Wenn ich die Siphon-Releases mit der Python-App zähle, zählt die App zusätzliche Releases.

Hinweis: Eventuell sind Ihre Sonden im Glockensiphon zu eng und ein Wassertropfen steckt dazwischen.

2) Problem: Wasser tropft durch den Siphon.

Hinweis: Dies ist ein Konstruktionsfehler. Verbessern Sie das Design. Der Auslaufradius des Siphons ist wahrscheinlich zu groß. Etwas Hilfe von Wissenschaftlern kann helfen. Wenn Sie Ihren eigenen Glockensiphon entworfen haben, versuchen Sie es mit dem, den ich bereitgestellt habe. Sie können auch ein kurzes (15 cm) Aquariumrohr am Siphonauslass anbringen, um die "Zugkraft" der Auslösung zu verbessern.

3) Problem: Sonden nehmen nicht alle Siphonfreigaben auf.

Hinweis: Reinigen Sie Ihre Sonden mit einem Ohrstöpsel. Überprüfen Sie alle Kabelverbindungen. Möglicherweise befindet sich Klebstoff auf Ihren Sonden. entfernen Sie es mit einer feinen Präzisionsfeile.

4) Problem: Meine Siphon-Freisetzungen werden alle richtig gezählt, aber die Niederschlagsschätzung ist falsch.

Hinweis: Sie müssen Ihren Sensor neu kalibrieren. Bei Unterschätzungen muss r (Niederschlag pro Absaugaktion) erhöht werden.

Schritt 8: Zukünftige Verbesserungen und Test

1. Vergolden Sie die Sonden (Unterlegscheiben). Dies hilft wieder möglicher Korrosion.
2. Ersetzen Sie die Sonden durch eine Laserdiode und einen Fotowiderstand.
3. Verbessern Sie das Schätzmodell. Das einfache lineare Modell ist bei starkem Regen möglicherweise nicht geeignet.
4. Ein zweiter größerer Glockensiphon kann unter (am Auslass) des ersten hinzugefügt werden, um Regen mit hoher Dichte zu messen.
5. Für eine GUI empfehle ich Caynne IOT.

Hinweis: Eine wesentliche Verbesserung wird veröffentlicht. Siehe den PiSiphon-Regenmesser