Bell Siphon Rain Gauge: 8 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Μια βελτιωμένη έκδοση αυτού είναι το PiSiphon Rain Gauge

Παραδοσιακά η βροχόπτωση μετριέται με χειροκίνητο μετρητή βροχής.

Οι αυτοματοποιημένοι μετεωρολογικοί σταθμοί (συμπεριλαμβανομένων των μετεωρολογικών σταθμών IoT) χρησιμοποιούν κανονικά κάδους ανατροπής, ακουστικά διαμετρητήρια ή διαστημόμετρα λέιζερ.

Οι κάδοι ανατροπής έχουν κινούμενα μέρη που μπορούν να φράξουν. Είναι βαθμονομημένα σε εργαστήρια και ενδέχεται να μην μετρούν σωστά σε ισχυρές καταιγίδες βροχής. Τα στροφόμετρα μπορεί να δυσκολευτούν να πάρουν μικρές σταγόνες ή βροχοπτώσεις από χιόνι ή ομίχλη. Τα στροφόμετρα απαιτούσαν επίσης περίπλοκα ηλεκτρονικά και αλγόριθμους επεξεργασίας για τον υπολογισμό των μεγεθών πτώσης και τη διάκριση μεταξύ βροχής, χιονιού και χαλαζιού.

Πίστευα ότι ένας μετρητής βροχής Bell Siphon Rain μπορεί να είναι χρήσιμος για να ξεπεραστούν μερικά από τα παραπάνω ζητήματα. Το Bell Siphon μπορεί εύκολα να εκτυπωθεί σε έναν κανονικό FDM 3d Printer (Τα φθηνά με εξωθητές, όπως RipRaps και Prusas).

Τα σιφόνια κουδουνιών χρησιμοποιούνται συχνά στην ακουαπονική και τις δεξαμενές ψαριών για να αδειάζουν αυτόματα τις δεξαμενές όταν η στάθμη του νερού φτάσει σε ένα ορισμένο ύψος. Μόνο φυσικές δυνάμεις χρησιμοποιούνται για να αδειάσουν τη δεξαμενή σχετικά γρήγορα. Το σιφόνι δεν έχει κινούμενα μέρη.

Ο μετρητής βροχής σιφόνι κουδουνιού περιέχει δύο ανιχνευτές συνδεδεμένους κοντά ο ένας στον άλλο (αλλά δεν έρχονται σε επαφή μεταξύ τους) στην έξοδο του σιφονιού κουδουνιού. Τα άλλα άκρα των ανιχνευτών συνδέονται με καρφίτσες GPIO του πιπεριού πι. Ο ένας πείρος θα είναι ένας πείρος εξόδου, ο άλλος πείρος θα είναι ένας πείρος εισόδου. Όταν ο μετρητής βροχής περιέχει μια ορισμένη ποσότητα νερού, οι φυσικές δυνάμεις θα αδειάσουν το μετρητή. Νερό θα ρέει πέρα από τους ανιχνευτές στην έξοδο του σιφώνι κουδουνιού και ένα υψηλό θα καταχωρηθεί στον πείρο εισόδου GPIO. Αυτή η ενέργεια σιφονισμού θα καταγράψει περίπου 2,95 γραμμάρια (ml) χρησιμοποιώντας το σχέδιο σιφόνι μου. Τα 2,8 γραμμάρια νερού θα είναι ίσα με +/- 0,21676 mm βροχή εάν χρησιμοποιηθεί ο μετρητής βροχής με διάμετρο χοάνης 129 mm. Μετά από κάθε ενέργεια σιφονισμού (συμβάν απελευθέρωσης νερού) ο πείρος εισόδου θα γίνει η έξοδος και η έξοδος θα γίνει μια είσοδος για την αποτροπή πιθανής ηλεκτρόλυσης.

Ο στόχος μου αυτού του έργου είναι να παράσχω έναν αισθητήρα που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τους εργάτες αγκύρωσης για να προσαρτηθούν σε ανοιχτούς μετεωρολογικούς σταθμούς υλικού. Αυτός ο αισθητήρας δοκιμάστηκε σε βατόμουρο pi, αλλά πρέπει να λειτουργούν και άλλοι μικροελεγκτές.

Για να κατανοήσετε καλύτερα τα σιφόνια καμπάνας, δείτε αυτό το

Βήμα 1: Τι θα χρειαστείτε

1. Ένα σμέουρο πι.
2. Τρισδιάστατος εκτυπωτής- (Για να εκτυπώσετε το κουδούνι Siphon. Θα παράσχω το σχέδιό μου. Μπορείτε επίσης να το μεταφέρετε σε υπηρεσία εκτύπωσης)
3. Παλιά χωνί μετρητή βροχής (Or μπορείτε να εκτυπώσετε ένα. Θα παράσχω το σχέδιό μου.)
4. 2 ροδέλες ως ανιχνευτές (5x25x1,5 mm για το σχέδιό μου)
5. Breadboard (προαιρετικό για δοκιμή).
6. Ορισμένες δεξιότητες Python θα βοηθήσουν, αλλά παρέχεται όλος ο κώδικας.
7. Μια ηλεκτρονική ζυγαριά για τη λεπτομερή ρύθμιση της βαθμονόμησης. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί μια μεγάλη σύριγγα (60ml).
8. Αδιάβροχο περίβλημα για το raspberry pi.
9. υπερκόλλα
10. 2 άλτες αλιγάτορα και 2 άλτες από άνδρες έως γυναίκες
11. Σωλήνας PVC 110mm, μήκους +/- 40 cm

Βήμα 2: ΣΧΕΔΙΑΣΤΕ ΚΑΙ ΕΚΤΥΠΩΣΤΕ ΤΟ ΣΙΦΩΝΟ ΤΗΣ ΚΟΥΜΠΟΥΡΑΣ

Επισυνάψτε βρείτε το σχέδιό μου σε μορφή Autocad123D και STL. Μπορείτε να παίξετε με το σχέδιο, αλλά η αλλαγή του σχεδίου μπορεί να δημιουργήσει ένα διαρρέον και μη λειτουργικό σιφόνι καμπάνας. Το δικό μου εκτυπώθηκε σε XYZ DaVinci AIO. Τα στηρίγματα περιλαμβάνονται ήδη στο σχέδιο, επομένως ενδέχεται να μην χρειάζονται επιπλέον στηρίγματα. Επέλεξα χοντρά κελύφη, 90% γέμισμα, επίπεδο 0,2 mm. Το νήμα ABS χρησιμοποιείται επειδή το PLA θα υποβαθμιστεί σε εξωτερικούς χώρους. Αφού εκτυπώσετε το χωνί, εφαρμόστε ένα ακρυλικό σπρέι πάνω του για να το προστατέψετε από τα στοιχεία. Κρατήστε το ακρυλικό σπρέι μακριά από το εσωτερικό του σιφόνι καμπάνας, καθώς μπορεί να εμποδίσει τη ροή νερού στο σιφόνι. Μην κάνετε στο σιφόνι λουτρό ακετόνης

Δεν έχω δοκιμάσει ακόμα εκτυπωτές ρητίνης. Εάν χρησιμοποιείτε ρητίνη, πρέπει να προστατέψετε τη ρητίνη από τον ήλιο για να αποφύγετε την παραμόρφωση του σιφονιού.

(Αυτός ο σχεδιασμός είναι μια βελτίωση του πρωτότυπου: Ημερομηνία έκδοσης 27 Ιουνίου 2019)

Βήμα 3: Συναρμολογήστε το σιφόνι

Μελετήστε τις συνημμένες εικόνες. Χρησιμοποιήστε σούπερ κόλλα για να συνδέσετε όλα τα αντικείμενα μαζί. Θυμηθείτε ότι η σούπερ κόλλα δεν είναι αγώγιμη και όλα τα σημεία επαφής σας πρέπει να είναι καθαρά από σούπερ κόλλα. Χρησιμοποίησα άλματα αλιγάτορα για να συνδέσω τους ανιχνευτές (ροδέλες) σε αρσενικούς και θηλυκούς άλτες στο βατόμουρο pi μου. Ο ένας αισθητήρας πρέπει να είναι συνδεδεμένος στο GPIO 20 και ο άλλος στο 21. Δεν απαιτούνται αντιστάσεις σε αυτό το κύκλωμα. Προσπαθήστε να κάνετε τον αισθητήρα στεγανό όταν χρησιμοποιείτε την υπερκολλή. Το τζελ πυριτίου μπορεί επίσης να βοηθήσει.

Μην καλύπτετε ακόμη το σιφόνι σας στον σωλήνα PVC 110 mm, πρέπει πρώτα να δοκιμαστεί.

Βήμα 4: Δοκιμή του καθετήρα

Δημιουργήστε ένα αρχείο "rain_log.txt" στον κατάλογό σας όπου θέλετε να αποθηκεύσετε τον κώδικα python σας.

Ανοίξτε το αγαπημένο σας Python IDE και πληκτρολογήστε τον ακόλουθο κώδικα σε αυτό. Αποθηκεύστε το ως siphon_rain_gauge2.py. Εκτελέστε τον κώδικα python. Προσθέστε τεχνητή βροχή στη χοάνη σας. Βεβαιωθείτε ότι υπάρχει ένας και μόνο ένας αριθμός, κάθε φορά που το σιφόνι απελευθερώνει νερό. Εάν το Siphon μετράει λάθος, ανατρέξτε στην ενότητα αντιμετώπισης προβλημάτων.

#Bell-Siphon Rain Gauge

#Αναπτύχθηκε από την εκτύπωση JJ Slabbert ("The Bell Siphon rain μετρητή βροχής περιμένει μερικές σταγόνες …") εισαγωγή gpiozero χρόνος εισαγωγής r = 0.21676 #Αυτή είναι η βαθμονομημένη βροχόπτωση ανά δράση απελευθέρωσης σιφονιού. t = 0 #Total Rainfall f = open ("rain_log.txt", "a+") n = 0 while True: #Μετά από κάθε σιφονισμό, οι ακίδες 20, 21 πρέπει να εναλλάσσονται για να αποφευχθεί πιθανή ηλεκτρόλυση εάν n/2 == int (n): σιφόνι = gpiozero. Κουμπί (21, False) έξοδος = gpiozero. LED (20) έξοδος. σε () άλλο: σιφόνι = gpiozero. Κουμπί (20, False) έξοδος = gpiozero. LED (21) έξοδος. σε () siphon.wait_for_press () n = n+1 t = t+r localtime = time.asctime (time.localtime (time.time ())) print ("Total rain rain:"+str (float (t))+" mm "+localtime) f.write (str (t)+", "+localaltime+" / n ") siphon.close () output.close () time.sleep (1.5)

Βήμα 5: ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΕΙΣ

Γιατί οι βροχοπτώσεις μετρώνται ως Απόσταση; Τι σημαίνει βροχή 1 χιλιοστό; Αν είχατε έναν κύβο 1000mm X 1000mm X 1000mm ή 1m X 1m X 1m, ο κύβος θα έχει βάθος 1 mm νερό βροχής αν τον αφήσετε έξω όταν βρέχει. Εάν αδειάσετε αυτή τη βροχή σε ένα μπουκάλι 1 Litter, θα γεμίσει το μπουκάλι 100 % και το νερό θα μετρήσει επίσης 1 κιλό. Διαφορετικοί μετρητές βροχής έχουν διαφορετικές περιοχές απορροής.

Επίσης, 1 γραμμάριο νερού είναι συμβατικό 1 ml.

Εάν χρησιμοποιείτε τα σχέδιά μου ως συνημμένα, μπορεί να μην απαιτείται βαθμονόμηση.

Για τη βαθμονόμηση του μετρητή βροχής, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε 2 μεθόδους. Και για τις δύο μεθόδους, χρησιμοποιήστε την εφαρμογή επισύναψης python (προηγούμενο βήμα) για να μετρήσετε τις εκδόσεις (ενέργειες σιφόνι). Βεβαιωθείτε ότι υπάρχει ένας και μόνο ένας αριθμός, κάθε φορά που το σιφόνι απελευθερώνει νερό. Εάν το Siphon μετράει λάθος, ανατρέξτε στην ενότητα αντιμετώπισης προβλημάτων

Μέθοδος Πρώτη: Χρησιμοποιήστε ένα υπάρχον μετρητή βροχής (ελέγχου)

Για να λειτουργήσει αυτή η μέθοδος, η χοάνη του σιφονιού σας πρέπει να είναι στην ίδια περιοχή με το μανόμετρο ελέγχου βροχής. Δημιουργήστε τεχνητή βροχή πάνω από τη χοάνη σιφόνι σας και μετρήστε τον αριθμό των εκδόσεων με python. Συλλέξτε όλη την απελευθέρωση νερού από το σιφόνι. στο μανόμετρο ελέγχου βροχής σας. Μετά από περίπου 50 εκδόσεις (ενέργειες σιφόνι), μετρήστε τη βροχόπτωση στο μανόμετρο βροχής ελέγχου

Έστω R η μέση βροχόπτωση σε mm ανά δράση σιφονισμού

R = (Συνολική βροχόπτωση στο μανόμετρο ελέγχου)/(Αριθμός ενεργειών σιφόνι)

Μέθοδος δεύτερη: Ζυγίστε τις βροχοπτώσεις σας (θα χρειαστείτε μια ηλεκτρονική ζυγαριά)

Έστω R η μέση βροχόπτωση σε mm ανά δράση σιφονισμού

Έστω W το βάρος του νερού ανά δράση σιφονισμού σε γραμμάρια ή ml

Αφήστε το Α να είναι η λεκάνη απορροής της χοάνης

R = (Πx1000)/Α

Για βαθμονόμηση, χρησιμοποιήστε μια σύριγγα για να εγχύσετε νερό αργά στο σιφόνι καμπάνας. Πιάστε το νερό σε ένα ποτήρι με γνωστό βάρος. Συνεχίστε την ένεση του νερού μέχρι το σιφόνι να αδειάσει για τουλάχιστον 50 φορές. Ζυγίστε το νερό στο ποτήρι. Υπολογίστε το μέσο βάρος (W) του νερού που απελευθερώνεται κάθε φορά που το σιφόνι απελευθερώνει νερό. Για το σχέδιό μου ήταν περίπου 2,95 γραμμάρια (ml). Για το χωνί μου με διάμετρο 129mm και ακτίνα 64,5 mm

A = pi*(64.5)^2 = 13609.8108371

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

R = 0,21676

Εάν δεν έχετε ηλεκτρονική ζυγαριά, μπορείτε απλώς να χρησιμοποιήσετε μια μεγάλη σύριγγα (60 ml/γραμμάριο). Απλώς μετρήστε τον αριθμό των απελευθερώσεων νερού από σιφόνια

W = (Όγκος σύριγγας σε mm)/(Αριθμός απελευθερώσεων νερού σιφονιού)

Ενημερώστε την εφαρμογή python με τη νέα τιμή R.

Το Bell Siphon (Ο σχεδιασμός μου) διαρκεί περίπου 1 δευτερόλεπτο για να απελευθερώσει όλο το νερό. Κατά κανόνα, το νερό που εισέρχεται στο σιφόνι κατά την απελευθέρωση θα απελευθερωθεί επίσης. Αυτό μπορεί να επηρεάσει τη γραμμικότητα των μετρήσεων, κατά τη διάρκεια έντονης βροχής. Ένα καλύτερο στατιστικό μοντέλο μπορεί να βελτιώσει τις εκτιμήσεις.

Βήμα 6: Μεταβείτε στο πεδίο

Βάλτε το συναρμολογημένο σιφόνι και τη χοάνη σας σε κατάλληλο περίβλημα. Χρησιμοποίησα σωλήνα PVC 110 mm. Επίσης, βεβαιωθείτε ότι το συνδεδεμένο βατόμουρο pi βρίσκεται σε αδιάβροχο περίβλημα. Το PI μου τροφοδοτείται με power bank για demo σκοπό, αλλά πρέπει να χρησιμοποιείται σωστή εξωτερική τροφοδοσία ή ηλιακό σύστημα.

Χρησιμοποίησα το VNC για σύνδεση στο PI μέσω του tablet μου. Αυτό σημαίνει ότι μπορώ να παρακολουθώ τις βροχοπτώσεις στην εγκατάστασή μου από οπουδήποτε.

Δημιουργήστε τεχνητή βροχή και δείτε πώς λειτουργεί ο αισθητήρας.

Βήμα 7: Αντιμετώπιση προβλημάτων

1) Πρόβλημα: Εάν μετράω τις εκδόσεις σιφονιών με την εφαρμογή python, η εφαρμογή μετρά επιπλέον εκδόσεις.

Συμβουλή: Οι ανιχνευτές σας στο σιφόνι καμπάνας μπορεί να κλείσουν και μια σταγόνα νερού να κολλήσει μεταξύ τους.

2) Πρόβλημα: Το νερό στάζει μέσα από το σιφόνι.

Συμβουλή: Πρόκειται για σφάλμα σχεδιασμού. Βελτιώστε το σχέδιο. Η ακτίνα εξόδου του Siphon είναι πιθανώς πολύ μεγάλη. Κάποια βοήθεια επιστήμονα μπορεί να βοηθήσει. Εάν σχεδιάσατε το δικό σας σιφόνι καμπάνας, δοκιμάστε αυτό που σας παρείχα. Μπορείτε επίσης να συνδέσετε έναν κοντό σωλήνα δεξαμενής ψαριών (15 εκατοστών) στην έξοδο του σιφονιού για να βελτιώσετε τη "δύναμη έλξης" της απελευθέρωσης.

3) Πρόβλημα: Οι ανιχνευτές δεν συλλέγουν όλες τις εκπομπές σιφώνιου.

Συμβουλή: Καθαρίστε τους ανιχνευτές σας με ένα ραβδί αυτιού. Ελέγξτε όλες τις συνδέσεις καλωδίων. Μπορεί να υπάρχει κόλλα στους ανιχνευτές σας. αφαιρέστε το με ένα λεπτό αρχείο ακριβείας.

4) Πρόβλημα: Οι εκπομπές σιφονιών μου υπολογίζονται σωστά, αλλά η εκτίμηση της βροχόπτωσης είναι λανθασμένη.

Συμβουλή: Πρέπει να βαθμονομήσετε ξανά τον αισθητήρα σας. Εάν έχετε υπό εκτιμήσεις το r (βροχόπτωση ανά δράση σιφονισμού) πρέπει να αυξηθεί.

Βήμα 8: Μελλοντικές βελτιώσεις και δοκιμή

1. Gold Plate οι ανιχνευτές (ροδέλες). Αυτό θα βοηθήσει ξανά στην πιθανή διάβρωση.
2. Αντικαταστήστε τους αισθητήρες με δίοδο λέιζερ και αντίσταση φωτογραφίας.
3. Βελτιώστε το μοντέλο εκτίμησης. Το απλό γραμμικό μοντέλο μπορεί να μην είναι κατάλληλο σε δυνατή βροχή.
4. Ένα δεύτερο μεγαλύτερο σιφόνι Bell μπορεί να προστεθεί κάτω (στην έξοδο) του πρώτου για τη μέτρηση βροχής υψηλής πυκνότητας.
5. Για GUI, προτείνω Caynne IOT.

Σημείωση: Δημοσιεύεται μια σημαντική βελτίωση. Δείτε το PiSiphon Rain Gauge