Pluviòmetre sifó de campana: 8 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Una versió millorada d’això és el pluviòmetre PiSiphon

Tradicionalment les precipitacions es mesuren amb un pluviòmetre manual.

Les estacions meteorològiques automatitzades (incloses les estacions meteorològiques IoT) normalment fan servir dipòsits basculants, desdròmetres acústics o desdròmetres làser.

Els cubs basculants tenen parts mòbils que es poden obstruir. Es calibren als laboratoris i és possible que no es mesurin correctament en fortes tempestes de pluja. Els discòmetres poden tenir dificultats per recollir petites gotes o precipitacions de la neu o la boira. Els discòmetres també necessitaven electrònica complicada i algoritmes de processament per estimar les mides de caiguda i distingir entre pluja, neu i calamarsa.

Vaig pensar que un pluviòmetre Bell Sifó pot ser útil per superar alguns dels problemes anteriors. El Bell Siphon es pot imprimir fàcilment en una impressora FDM 3d normal (les barates amb extrusores, com RipRaps i Prusas).

Els sifons de campana s’utilitzen freqüentment en aquapònica i en tancs de peixos per buidar automàticament els tancs quan el nivell de l’aigua arriba a una certa alçada. Només s’utilitzen forces naturals per buidar el tanc relativament ràpid. El sifó no té parts mòbils.

El pluviòmetre del sifó de campana conté dues sondes connectades una a prop de l'altra (però que no es posen en contacte) a la sortida del sifó de campana. Els altres extrems de les sondes estan connectats als pins GPIO del raspberry pi. Un pin serà un pin de sortida i l’altre pin serà un pin d’entrada. Quan el pluviòmetre conté una certa quantitat d’aigua, les forces naturals buidaran l’indicador. L’aigua fluirà passant les sondes a la sortida del sifó de campana i es registrarà una màxima al pin d’entrada GPIO. Aquesta acció de sifonatge gravarà aproximadament 2,95 grams (ml) mitjançant el disseny del meu sifó de campana. Els 2,8 grams d’aigua seran iguals a +/- 0,21676 mm de pluja si s’utilitza el meu pluviòmetre amb un diàmetre de embut de 129 mm. Després de cada acció de sifonament (esdeveniment d'alliberament d'aigua), el pin d'entrada es convertirà en la sortida i la sortida es convertirà en una entrada per evitar una possible electròlisi.

El meu objectiu d’aquest projecte és proporcionar un sensor que puguin utilitzar els manipuladors per connectar-los a estacions meteorològiques obertes de maquinari. Aquest sensor es va provar en un raspberry pi, però també haurien de funcionar altres microcontroladors.

Per conèixer millor els sifons de campana, mireu aquest

Pas 1: què necessiteu

1. Un pi de gerds.
2. Impressora 3D- (Per imprimir el sifó de campana. Jo proporcionaré el meu disseny. També el podeu portar a un servei d'impressió)
3. Antic embut de pluviòmetre (o podeu imprimir-ne un. Us proporcionaré el meu disseny).
4. 2 rentadores X com a sondes (5x25x1,5 mm per al meu disseny)
5. Taula de pa (opcional per a proves).
6. Algunes habilitats de Python us ajudaran, però es proporciona tot el codi.
7. Una balança electrònica per afinar el calibratge. També es pot utilitzar una xeringa gran (60 ml).
8. Carcassa impermeable per al raspberry pi.
9. Super cola
10. 2 jumpers de cocodril i 2 jumpers masculins a femenins
11. Tub de PVC de 110 mm, +/- 40 cm de llarg

Pas 2: DISSENYAR I IMPRIMIR EL SIFÓ DE LA CAMPANA

Adjunta el meu disseny en format Autocad123D i STL. Podeu jugar amb el disseny, però canviant el disseny es pot crear un sifó de campana que no surt i funciona. La meva es va imprimir en un XYZ DaVinci AIO. Els suports ja estan inclosos al disseny, de manera que és possible que no siguin necessaris suports addicionals. He seleccionat closques gruixudes, un 90% d’ompliment, 0,2 mm d’alçada. El filament ABS s’utilitza ja que el PLA es degradarà a l’exterior. Després d’imprimir l’embut, apliqueu-hi un esprai acrílic per protegir-lo dels elements. Mantingueu l’esprai acrílic allunyat de l’interior del sifó de la campana, ja que l’esprai pot bloquejar el flux d’aigua al sifó. No doneu al sifó un bany d’acetona

Encara no he provat les impressores de resina. Si utilitzeu resina, heu de protegir la resina del sol per evitar malformacions del sifó.

(Aquest disseny és una millora de l'original: Data de versió 27 de juny de 2019)

Pas 3: Muntatge del sifó

Estudieu les imatges adjuntes. Utilitzeu super cola per unir tots els elements. Recordeu que la súper cola no és conductora i que tots els vostres punts de contacte haurien de quedar allunyats de la super cola. He utilitzat ponts d’al·ligàtor per connectar les sondes (volanderes) a ponts masculins a femelles del meu raspberry pi. Una sonda s’hauria de connectar a GPIO 20, l’altra a 21. No calen resistències en aquest circuit. Intenteu estrenyir la sonda quan utilitzeu el superglue. El gel de silici també us pot ajudar.

Encara no tapeu el sifó a la canonada de PVC de 110 mm, primer s’ha de provar.

Pas 4: provar la sonda

Creeu un fitxer "rain_log.txt" al directori on vulgueu desar el codi python.

Obriu el vostre IDE de python preferit i escriviu-hi el codi següent. Deseu-lo com a siphon_rain_gauge2.py. Executeu el codi python. Afegiu una mica de pluja artificial al vostre embut. Assegureu-vos que només hi ha un recompte, cada vegada que el sifó allibera aigua. Si el sifó compta malament, consulteu la secció de resolució de problemes.

# Pluviómetre Bell-Siphon

#Desenvolupat per la impressió de JJ Slabbert ("El pluviòmetre Bell Siphon està esperant algunes gotes …") importació del temps d'importació gpiozero r = 0,21676 # Aquesta és l'acció calibrada de precipitació per sifó. t = 0 #Total de precipitacions f = obert ("rain_log.txt", "a +") n = 0 mentre és cert: #Després de cada sifonament, els pins 20, 21 haurien d'alternar-se per evitar possibles electròlisis si n / 2 == int (n): sifó = gpiozero. Button (21, fals) sortida = gpiozero. LED (20) output.on () else: sifó = gpiozero. Button (20, fals) sortida = gpiozero. LED (21) output.on () siphon.wait_for_press () n = n + 1 t = t + r localtime = time.asctime (time.localtime (time.time ())) print ("Caiguda de pluja total:" + str (float (t)) + " mm "+ localtime) f.write (str (t) +", "+ localtime +" / n ") siphon.close () output.close () time.sleep (1.5)

Pas 5: CÀLCULS I CALIBRACIONS

Per què es mesuren les precipitacions com a distància? Què significa 1 mil·límetre de pluja? Si teniu un cub de 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm o 1 m X 1 m X 1 m, el cub tindrà una profunditat d’aigua de pluja d’1 mm si la deixeu fora quan plou. Si buideu aquesta pluja en una ampolla de 1 escombraria, omplirà l’ampolla al 100% i l’aigua també mesurarà 1 kg. Els diferents pluviòmetres tenen diferents zones de captació.

A més, 1 gram d’aigua és 1 ml convencional.

Si utilitzeu els meus dissenys adjunts, és possible que no calgui un calibratge.

Per calibrar el pluviòmetre, podeu utilitzar dos mètodes. Per als dos mètodes, utilitzeu l'aplicació attach python (pas anterior) per comptar les versions (accions de sifonament). Assegureu-vos que només hi ha un recompte, cada vegada que el sifó allibera aigua. Si el sifó compta malament, consulteu la secció de resolució de problemes

Primer mètode: utilitzeu un pluviòmetre (de control) existent

Perquè aquest mètode funcioni, l'embut del sifó de campana ha de ser la mateixa àrea que el pluviòmetre de control. Creeu pluja artificial sobre el vostre embut de sifó i compteu el nombre de llançaments amb python. Recolliu tota l’aigua alliberada pel sifó. al seu pluviòmetre de control. Després d’uns 50 llançaments (accions de sifonatge), mesureu les precipitacions al pluviòmetre de control

Sigui R la pluja mitjana en mm per acció de sifonament

R = (Precipitacions totals a l'indicador de control) / (Nombre d'accions de sifonatge)

Mètode segon: ponderar les precipitacions (necessitareu una balança electrònica)

Sigui R la pluja mitjana en mm per acció de sifonament

Sigui W el pes de l’aigua per acció de sifonament en grams o ml

Sigui A la zona de captació de l’embut

R = (Wx1000) / A

Per al calibratge, utilitzeu una xeringa per injectar aigua lentament al sifó de la campana. Agafeu l'aigua en un got amb un pes conegut. Continueu injectant l'aigua fins que el sifó es buidi almenys 50 vegades. Pesa l'aigua del got. Calculeu el pes mitjà (W) de l’aigua alliberada cada vegada que el sifó allibera aigua. Per al meu disseny, tenia uns 2,95 grams (ml). Per al meu embut amb un diàmetre de 129 mm i un radi de 64,5 mm

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

R = (2,95 * 1000) /13609.8108371

R = 0,21676

Si no teniu una balança electrònica, podeu utilitzar una xeringa gran (60 ml / gram). Només cal comptar el nombre d'alliberaments d'aigua del sifó

W = (Volum de la xeringa en mm) / (Nombre d'alliberaments d'aigua del sifó)

Actualitzeu l'aplicació Python amb el nou valor R.

El sifó de campana (el meu disseny) triga aproximadament 1 segon a deixar anar tota l’aigua. Com a norma general, també s’alliberarà aigua que entra al sifó durant l’alliberament. Això pot afectar la linealitat de les mesures durant les pluges intenses. Un model estadístic millor pot millorar les estimacions.

Pas 6: aneu al camp

Col·loqueu el sifó i el embut de campana muntats a la carcassa adequada. He utilitzat una canonada de PVC de 110 mm. Assegureu-vos també que el raspberry pi connectat es troba en una carcassa impermeable. El meu PI funciona amb un banc d'alimentació per a demostracions, però s'ha d'utilitzar una font d'alimentació externa adequada o un sistema solar.

He utilitzat VNC per connectar-me al PI mitjançant la meva tauleta. Això significa que puc controlar les precipitacions a la meva instal·lació des de qualsevol lloc.

Creeu pluja artificial i vegeu com funciona el sensor.

Pas 7: resolució de problemes

1) Problema: si compto les versions del sifó amb l'aplicació Python, l'aplicació compta les versions addicionals.

Consell: les vostres sondes al sifó de campana poden tancar-se i hi ha una gota d’aigua enganxada entre elles.

2) Problema: l’aigua raja pel sifó.

Consells: es tracta d'un error de disseny. Millorar el disseny. El radi de sortida del sifó és probablement massa gran. Alguna ajuda del científic pot ajudar-la. Si heu dissenyat el vostre propi sifó de campana, proveu el que he proporcionat. També podeu connectar una canonada de tanc de peix curta (15 cm) a la sortida del sifó per millorar la "força d'arrossegament" de l'alliberament.

3) Problema: Probes no recull tots els alliberaments del sifó.

Consells: netejar les sondes amb un pal per a les orelles. Comproveu totes les connexions de cable. És possible que hi hagi cola a les sondes. traieu-lo amb un fitxer de precisió fina.

4) Problema: tots els alliberaments del meu sifó es comptabilitzen correctament, però l'estimació de les precipitacions és incorrecta.

Consell: heu de tornar a calibrar el sensor. Si teniu per sota de les estimacions, cal augmentar la quantitat de precipitacions per acció de sifonament.

Pas 8: Millores i proves futures

1. Plaqueu d’or les sondes (rentadores). Això ajudarà de nou a la possible corrosió.
2. Substituïu les sondes per un díode làser i una foto-resistència.
3. Millorar el model d’estimació. És possible que el model lineal simple no sigui adequat en cas de pluges intenses.
4. Es pot afegir un segon sifó de campana més gran a sota (a la sortida) del primer per mesurar la pluja d'alta densitat.
5. Per a una interfície gràfica d’usuari, suggereixo Caynne IOT.

Nota: Es publica una millora important. Vegeu el pluviòmetre PiSiphon