Wskaźnik deszczu syfonu dzwonkowego: 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Ulepszoną wersją tego jest miernik deszczu PiSiphon

Tradycyjnie opady mierzy się ręcznym deszczomierzem.

Zautomatyzowane stacje pogodowe (w tym stacje pogodowe IoT) zwykle używają wiaderek przechylnych, disdrometrów akustycznych lub disdrometrów laserowych.

Łyżki wywrotu mają ruchome części, które mogą się zatkać. Są one kalibrowane w laboratoriach i mogą nie mierzyć prawidłowo podczas ulewnych burz. Disdrometry mogą mieć trudności z wychwytywaniem małych kropel lub opadów ze śniegu lub mgły. Disdrometry wymagały również skomplikowanej elektroniki i algorytmów przetwarzania w celu oszacowania wielkości kropli oraz rozróżnienia deszczu, śniegu i gradu.

Pomyślałem, że wskaźnik deszczu Bell Siphon może być przydatny do przezwyciężenia niektórych z powyższych problemów. Syfon Bell można łatwo wydrukować na zwykłej drukarce 3d FDM (te tanie z ekstruderami, takie jak RipRaps i Prusas).

Syfony dzwonowe są często używane w akwaponice i akwariach do automatycznego opróżniania zbiorników, gdy poziom wody osiągnie określoną wysokość. Do stosunkowo szybkiego opróżnienia zbiornika wykorzystywane są wyłącznie siły natury. Syfon nie posiada ruchomych części.

Deszczomierz syfonu dzwonowego zawiera dwie sondy podłączone blisko siebie (ale nie stykające się ze sobą) do wylotu syfonu dzwonowego. Drugie końce sond są podłączone do pinów GPIO raspberry pi. Jeden pin będzie pinem wyjściowym, drugi pin będzie pinem wejściowym. Gdy miernik deszczu zawiera pewną ilość wody, siły natury opróżnią miernik. Woda przepłynie przez sondy na wylocie syfonu dzwonowego, a wysoki zostanie zarejestrowany na bolcu wejściowym GPIO. Ta akcja syfonowania będzie rejestrować około 2,95 grama (ml) przy użyciu mojego projektu syfonu dzwonowego. 2,8 grama wody będzie równe opadowi +/- 0,21676 mm, jeśli użyje się mojego miernika deszczu o średnicy lejka 129 mm. Po każdym działaniu syfonowania (zwolnieniu wody) pin wejściowy stanie się wyjściem, a wyjście stanie się wejściem, aby zapobiec ewentualnej elektrolizie.

Moim celem tego projektu jest dostarczenie czujnika, który może być używany przez majsterkowiczów do podłączenia do otwartych sprzętowych stacji pogodowych. Ten czujnik był testowany na raspberry pi, ale inne mikrokontrolery też powinny działać.

Aby lepiej zrozumieć syfony dzwonowe, obejrzyj ten

Krok 1: Czego będziesz potrzebować

1. Jedna pi malinowa.
2. Drukarka 3D-(do wydrukowania syfonu dzwonkowego. Dostarczę swój projekt. Można go również oddać do serwisu poligraficznego)
3. Stary lejek deszczomierza (Lub możesz go wydrukować. Dostarczę mój projekt.)
4. 2 X podkładki jako sondy (5x25x1,5 mm dla mojego projektu)
5. Deska do krojenia chleba (opcjonalnie do testowania).
6. Niektóre umiejętności Pythona będą pomocne, ale cały kod jest dostępny.
7. Elektroniczna waga do precyzyjnej kalibracji. Można również użyć dużej strzykawki (60 ml).
8. Wodoodporna obudowa do Raspberry Pi.
9. Super klej
10. 2 swetry ze skóry aligatora i 2 swetry męskie-żeńskie
11. Rura PVC 110mm o długości +/-40 cm

Krok 2: ZAPROJEKTUJ I WYDRUKUJ SYFON DZWONOWY

Dołącz znajdź mój projekt w formacie Autocad123D i STL. Możesz bawić się projektem, ale zmiana projektu może spowodować nieszczelny i niefunkcjonalny syfon dzwonkowy. Mój został wydrukowany na XYZ DaVinci AIO. Podpory są już uwzględnione w projekcie, więc dodatkowe podpory mogą nie być potrzebne. Wybrałem grube muszle, wypełnienie 90%, wysokość 0,2 mm. Włókno ABS jest używane, ponieważ PLA ulega degradacji na zewnątrz. Po wydrukowaniu lejka nanieś na niego akrylowy spray, aby zabezpieczyć go przed żywiołami. Trzymaj spray akrylowy z dala od wnętrza syfonu dzwonowego, ponieważ rozpylany może blokować przepływ wody w syfonie. Nie poddawaj syfonowi kąpieli acetonowej

Nie testowałem jeszcze drukarek żywicznych. Jeśli używasz żywicy, musisz chronić żywicę przed słońcem, aby zapobiec zniekształceniu syfonu.

(Ten projekt jest ulepszeniem oryginału: Data wersji 27 czerwca 2019 r.)

Krok 3: Montaż syfonu

Przestudiuj załączone obrazy. Użyj super kleju, aby połączyć wszystkie elementy. Pamiętaj, że super klej nie przewodzi, a wszystkie punkty kontaktowe powinny być wolne od superkleju. Użyłem zworek aligatora do podłączenia sond (podkładek) do zworek męskich i żeńskich na moim Raspberry Pi. Jedna sonda powinna być podłączona do GPIO 20, druga do 21. W tym obwodzie nie są wymagane żadne rezystory. Postaraj się, aby sonda była wodoszczelna, gdy używasz superglue. Pomocny może być również żel silikonowy.

Nie zakrywaj jeszcze syfonu w rurze PVC 110 mm, najpierw należy go przetestować.

Krok 4: Testowanie sondy

Utwórz plik „rain_log.txt” w swoim katalogu, w którym chcesz zapisać kod Pythona.

Otwórz swoje ulubione IDE Pythona i wpisz w nim następujący kod. Zapisz go jako siphon_rain_gauge2.py. Uruchom kod Pythona. Dodaj trochę sztucznego deszczu do lejka. Upewnij się, że jest tylko jedna liczba, za każdym razem, gdy syfon wypuszcza wodę. Jeśli syfon liczy źle, zobacz sekcję rozwiązywania problemów.

# Wskaźnik deszczu dzwonowo-syfonowego

# Opracowany przez JJ Slabbert print("Deszczomierz Bell Siphon czeka na kilka kropli…") import gpiozero import time r=0.21676 #To jest skalibrowane opady przypadające na uwolnienie syfonu. t=0 #Całkowite opady deszczu f=open("rain_log.txt", "a+") n=0 while True: #Po każdym syfonowaniu piny 20, 21 powinny się zmieniać, aby zapobiec możliwej elektrolizie, jeśli 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("Całkowity opad deszczu: "+str(float(t))+" mm "+czas lokalny) f.write(str(t)+", "+czas lokalny+"\n") siphon.close() output.close() time.sleep(1.5)

Krok 5: OBLICZENIA I KALIBRACJE

Dlaczego opady są mierzone jako odległość? Co oznacza 1 milimetr deszczu? Jeśli miałeś kostkę 1000mm X 1000mm X 1000mm lub 1m X 1m X 1m, kostka będzie miała głębokość 1 mm wody deszczowej, jeśli zostawisz ją na zewnątrz podczas deszczu. Jeśli opróżnisz ten deszcz do 1-litrowej butelki, wypełni ona butelkę w 100%, a woda również zmierzy 1 kg. Różne mierniki deszczu mają różne obszary zlewni.

Również 1 gram wody to konwencjonalny 1 ml.

Jeśli użyjesz moich projektów w załączeniu, kalibracja może nie być potrzebna.

Aby skalibrować miernik deszczu, możesz użyć 2 metod. W przypadku obu metod użyj aplikacji Dołącz Pythona (poprzedni krok), aby zliczyć wydania (akcje syfonowania). Upewnij się, że jest tylko jedna liczba, za każdym razem, gdy syfon wypuszcza wodę. Jeśli syfon liczy źle, zapoznaj się z sekcją rozwiązywania problemów

Metoda pierwsza: Użyj istniejącego (kontrolnego) deszczomierza

Aby ta metoda działała, lejek syfonu dzwonowego musi znajdować się w tym samym obszarze, co deszczomierz kontrolny. Stwórz sztuczny deszcz nad lejkiem syfonowym i policz liczbę uwolnień za pomocą Pythona. Zbierz całą uwolnioną wodę przez syfon. w swoim kontrolnym deszczomierzu. Po około 50 zwolnieniach (działania syfonowania) zmierz opady w kontrolnym deszczomierzu

Niech R będzie średnim opadem w mm na operację syfonowania

R=(Całkowite opady deszczu na wskaźniku kontrolnym)/(Liczba czynności syfonowania)

Metoda druga: zważ swoje opady (będziesz potrzebować wagi elektronicznej)

Niech R będzie średnim opadem w mm na operację syfonowania

Niech W będzie wagą wody na działanie syfonowania w gramach lub ml

Niech A będzie obszarem zlewni lejka

R=(Wx1000)/A

W celu kalibracji użyj strzykawki, aby powoli wstrzyknąć wodę do syfonu dzwonowego. Złap wodę w szklance o znanej wadze. Kontynuuj wstrzykiwanie wody, aż syfon opróżni się co najmniej 50 razy. Zważ wodę w szklance. Oblicz średnią wagę (W) wody uwalnianej za każdym razem, gdy syfon uwalnia wodę. Dla mojego projektu było to około 2,95 grama (ml). Do mojego lejka o średnicy 129mm i promieniu 64,5mm

A=pi*(64,5)^2=13609.8108371

R=(2,95*1000) /13609.8108371

R=0,21676

Jeśli nie masz wagi elektronicznej, możesz po prostu użyć dużej (60 ml/gram) strzykawki. Wystarczy policzyć liczbę uwolnień wody z syfonu

W=(Objętość strzykawki w mm)/(Liczba uwolnień wody z syfonu)

Zaktualizuj aplikację Pythona o nową wartość R.

Syfon dzwonkowy (Mój projekt) potrzebuje około 1 sekundy, aby uwolnić całą wodę. Z reguły woda dostająca się do syfonu podczas uwalniania również zostanie uwolniona. Może to mieć wpływ na liniowość pomiarów podczas ulewnego deszczu. Lepszy model statystyczny może poprawić oszacowania.

Krok 6: Idź na pole

Umieść zmontowany syfon dzwonkowy i lejek w odpowiedniej obudowie. Użyłem rury PVC 110 mm. Upewnij się również, że podłączony Raspberry Pi jest w wodoodpornej obudowie. Mój PI jest zasilany przez power bank do celów demonstracyjnych, ale należy użyć odpowiedniego zewnętrznego źródła zasilania lub systemu solarnego.

Użyłem VNC do połączenia z PI za pośrednictwem mojego tabletu. Oznacza to, że mogę monitorować opady deszczu w mojej instalacji z dowolnego miejsca.

Stwórz sztuczny deszcz i zobacz, jak działa czujnik.

Krok 7: Rozwiązywanie problemów

1) Problem: Jeśli liczę wydania syfonu za pomocą aplikacji python, aplikacja liczy dodatkowe wydania.

Porada: Twoje sondy w syfonie dzwonowym mogą się zamykać i między nimi utknęła kropla wody.

2) Problem: Woda kapie przez syfon.

Porada: To jest błąd projektowy. Popraw projekt. Promień wylotu syfonu jest prawdopodobnie za duży. Pomocna może być pomoc naukowca. Jeśli zaprojektowałeś własny syfon dzwonkowy, wypróbuj ten, który dostarczyłem. Do wylotu syfonu można również przymocować krótką (15 cm) rurkę akwariową, aby poprawić „siłę oporu” wyzwalacza.

3) Problem: Sondy nie wychwytują wszystkich zwolnień syfonów.

Porada: Wyczyść sondy za pomocą patyczków do uszu. Sprawdź wszystkie połączenia kablowe. Na sondach może być klej. usuń go precyzyjnym pilnikiem.

4) Problem: Moje zrzuty syfonu są liczone poprawnie, ale oszacowanie opadów jest błędne.

Porada: Musisz ponownie skalibrować czujnik. Jeśli masz niedoszacowane wartości, r (opady deszczu na działanie syfonowania) należy zwiększyć.

Krok 8: Przyszłe ulepszenia i testy

1. Pozłacać sondy (podkładki). Pomoże to ponownie w ewentualnej korozji.
2. Wymień sondy na diodę laserową i fotorezystor.
3. Popraw model estymacji. Prosty model liniowy może nie być odpowiedni podczas ulewnego deszczu.
4. Drugi większy syfon dzwonowy można dodać poniżej (na wylocie) pierwszego, aby zmierzyć deszcz o dużej gęstości.
5. Dla GUI sugeruję Caynne IOT.

Uwaga: opublikowano znaczną poprawę. Zobacz miernik deszczu PiSiphon