Колокол сифонный датчик дождя: 8 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Улучшенная версия этого - датчик дождя PiSiphon.

Традиционно количество осадков измеряется ручным датчиком дождя.

Автоматические метеостанции (включая метеостанции IoT) обычно используют опрокидывающиеся ковши, акустические дисдрометры или лазерные дисдрометры.

Опрокидывающиеся ковши имеют подвижные части, которые могут забиваться. Они откалиброваны в лабораториях и могут некорректно измерять во время сильного дождя. Дисдрометры могут с трудом улавливать мелкие капли или осадки из снега или тумана. Дисдрометры также требовали сложной электроники и алгоритмов обработки для оценки размеров капель и различения дождя, снега и града.

Я подумал, что датчик дождя Bell Siphon может быть полезен для решения некоторых из вышеперечисленных проблем. Bell Siphon можно легко напечатать на обычном 3D-принтере FDM (дешевые с экструдерами, например RipRaps и Prusas).

Сифоны Bell часто используются в аквапонике и аквариумах для автоматического опустошения аквариумов, когда уровень воды достигает определенной высоты. Для относительно быстрого опорожнения резервуара используются только силы природы. В сифоне нет движущихся частей.

Дождемер колокольного сифона содержит два зонда, подключенных близко друг к другу (но не контактирующих) с выходом колокольного сифона. Другие концы зондов подключены к контактам GPIO raspberry pi. Один вывод будет выводом вывода, другой вывод будет выводом ввода. Когда датчик дождя содержит определенное количество воды, естественные силы опустошат датчик. Вода будет проходить через датчики на выходе из сифона колокола, и на входном контакте GPIO будет регистрироваться высокий уровень. Это перекачивающее действие будет записывать приблизительно 2,95 грамма (мл) с использованием моей конструкции колокольного сифона. 2,8 грамма воды будут равны дождю +/- 0,21676 мм, если использовать мой дождемер с диаметром воронки 129 мм. После каждого действия сифона (событие выпуска воды) входной контакт станет выходом, а выход станет входом для предотвращения возможного электролиза.

Моя цель в этом проекте - предоставить датчик, который могут быть использованы мастерами-мастерами для подключения к открытым аппаратным метеостанциям. Этот датчик был протестирован на Raspberry Pi, но и другие микроконтроллеры тоже должны работать.

Чтобы лучше понять работу колокольных сифонов, посмотрите этот

Шаг 1. Что вам понадобится

1. Один малиновый пи.
2. 3D-принтер - (Чтобы распечатать колокольчик Сифон. Я предоставлю свой дизайн. Вы также можете отнести его в полиграфическую службу)
3. Старая воронка для дождемера (или ее можно распечатать. Я предоставлю свой дизайн).
4. 2 шайбы в качестве зондов (5x25x1,5 мм для моей конструкции)
5. Макетная плата (необязательно для тестирования).
6. Некоторые навыки Python помогут, но весь код предоставлен.
7. Электронные весы для точной настройки калибровки. Также можно использовать большой шприц (60 мл).
8. Водонепроницаемый корпус для raspberry pi.
9. супер клей
10. 2 джемпера из кожи аллигатора и 2 прыгуна между мужчинами и женщинами
11. Труба ПВХ 110 мм, длина +/- 40 см

Шаг 2: ДИЗАЙН И ПЕЧАТЬ СИФОНА BELL

Прилагаю найти мой дизайн в формате Autocad123D и STL. Вы можете поэкспериментировать с дизайном, но изменение дизайна может привести к негерметичному и нефункционирующему сифону колокола. Мой был напечатан на XYZ DaVinci AIO. Опоры уже включены в конструкцию, поэтому дополнительные опоры могут не понадобиться. Я выбрал толстые оболочки с заполнением 90% и высотой 0,2 мм. Нить ABS используется, так как PLA разлагается на открытом воздухе. Распечатав воронку, нанесите на нее акриловый спрей, чтобы защитить ее от непогоды. Держите акриловый аэрозоль подальше от внутренней части колокольного сифона, так как он может заблокировать поток воды в сифоне. Не ставьте сифон в ацетонированную ванну.

Принтеры на смоле еще не тестировал. Если вы используете смолу, вам необходимо защитить смолу от солнца, чтобы предотвратить деформацию сифона.

(Этот дизайн является улучшением оригинала: Дата версии 27 июня 2019 г.)

Шаг 3: Сборка сифона

Изучите прикрепленные изображения. Используйте суперклей, чтобы скрепить все предметы вместе. Помните, что суперклей не токопроводит, и все ваши контактные точки не должны попадать на суперклей. Я использовал перемычки из крокодиловой кожи, чтобы соединить зонды (шайбы) между перемычками типа «папа» и «мама» на моем raspberry pi. Один зонд должен быть подключен к GPIO 20, другой - к 21. Никаких резисторов в этой схеме не требуется. При использовании суперклея постарайтесь сделать зонд водонепроницаемым. Также может помочь силиконовый гель.

Пока не закрывайте сифон 110-миллиметровой трубкой из ПВХ, сначала его нужно проверить.

Шаг 4: Тестирование зонда

Создайте файл rain_log.txt в своем каталоге, в котором вы хотите сохранить свой код Python.

Откройте вашу любимую IDE Python и введите в нее следующий код. Сохраните его как siphon_rain_gauge2.py. Запустите код Python. Добавьте в воронку искусственный дождь. Убедитесь, что есть один и только один счетчик каждый раз, когда сифон выпускает воду. Если сифон считает неправильно, см. Раздел «Устранение неполадок».

# Bell-Siphon Rain Gauge

# Разработано Дж. Дж. Слаббертом print ("Сифонный датчик дождя Bell Siphon ждет нескольких капель …") import gpiozero import time r = 0.21676 # Это откалиброванное количество осадков на действие сброса сифона. t = 0 # Общее количество осадков f = open ("rain_log.txt", "a +") n = 0 while True: # После каждого сифонирования контакты 20, 21 должны чередоваться для предотвращения возможного электролиза, если 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 ("Общее количество осадков:" + str (float (t)) + " mm "+ localtime) f.write (str (t) +", "+ localtime +" / n ") siphon.close () output.close () time.sleep (1.5)

Шаг 5: РАСЧЕТЫ И КАЛИБРОВКИ

Почему количество осадков измеряется расстоянием? Что означает 1 миллиметр дождя? Если у вас есть куб размером 1000 мм X 1000 мм X 1000 мм или 1 м X 1 м X 1 м, куб будет иметь глубину дождевой воды 1 мм, если вы оставите его снаружи во время дождя. Если вы вылейте этот дождь в бутылку объемом 1 литр, она наполнит бутылку на 100%, а воды также будет весить 1 кг. У разных дождемеров разная площадь водосбора.

Также 1 грамм воды - это обычный 1 мл.

Если вы используете мои рисунки, как указано в приложении, калибровка может не потребоваться.

Чтобы откалибровать дождемер, вы можете использовать 2 метода. Для обоих методов используйте приложение присоединения python (предыдущий шаг) для подсчета выпусков (перекачивание действий). Убедитесь, что есть один и только один счетчик, каждый раз, когда сифон выпускает воду. Если сифон считает неправильно, см. Раздел устранения неполадок.

Метод первый: используйте существующий (контрольный) датчик дождя

Чтобы этот метод работал, ваша воронка сифона с колпаком должна находиться в том же месте, что и контрольный дождемер. Создайте искусственный дождь над вашей сифонной воронкой и подсчитайте количество выбросов с помощью python. Собрать сифоном всю сточную воду. в вашем датчике дождя управления. Примерно после 50 сбросов (откачивание) измерьте количество осадков с помощью контрольного датчика дождя.

Пусть R будет средним количеством осадков в мм за сифонирование.

R = (Общее количество осадков в контрольном манометре) / (Количество откачивающих действий)

Метод второй: взвесьте количество осадков (вам понадобятся электронные весы)

Пусть R будет средним количеством осадков в мм за сифонирование.

Пусть W будет массой воды при перекачке в граммах или мл.

Пусть A будет водосборной зоной воронки.

R = (Шx1000) / А

Для калибровки используйте шприц, чтобы медленно ввести воду в сифон колокола. Налейте воду в стакан с известным весом. Продолжайте подавать воду, пока сифон не опустошится не менее 50 раз. Взвесьте воду в стакане. Рассчитайте средний вес (W) воды, выделяемой каждый раз, когда сифон выпускает воду. Для моего дизайна это было около 2,95 грамма (мл). Для моей воронки диаметром 129 мм и радиусом 64,5 мм.

А = пи * (64,5) ^ 2 = 13609,8108371

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

R = 0,21676

Если у вас нет электронных весов, вы можете просто использовать большой шприц (60 мл / грамм). Просто посчитайте количество выпусков воды из сифона

W = (Объем шприца в мм) / (Количество выпусков воды из сифона)

Обновите приложение python с новым значением R.

Сифон Bell (моя конструкция) высвобождает всю воду примерно за 1 секунду. Как правило, вода, попадающая в сифон во время выпуска, также будет выпущена. Это может повлиять на линейность измерений во время сильного дождя. Лучшая статистическая модель может улучшить оценки.

Шаг 6: Идите в поле

Поместите собранный колокольный сифон и воронку в подходящий кожух. Я использовал трубу ПВХ 110 мм. Также убедитесь, что ваш подключенный raspberry pi находится в водонепроницаемом корпусе. Мой PI питается от блока питания для демонстрационных целей, но необходимо использовать соответствующий внешний источник питания или солнечную систему.

Я использовал VNC для подключения к PI через планшет. Это означает, что я могу отслеживать количество осадков на своей установке из любого места.

Создайте искусственный дождь и посмотрите, как работает датчик.

Шаг 7. Устранение неполадок

1) Проблема: если я подсчитываю выпуски сифона с приложением python, приложение считает дополнительные выпуски.

Совет: Возможно, ваши зонды в сифоне колокола закрылись, и между ними застряла капля воды.

2) Проблема: через сифон течет вода.

Совет: это ошибка дизайна. Улучшить дизайн. Радиус выхода сифона, вероятно, слишком велик. Может помочь некоторая помощь ученого. Если вы разработали свой собственный колокольный сифон, попробуйте тот, который предоставил я. Вы также можете прикрепить короткую (15 см) трубу аквариума к выпускному отверстию сифона, чтобы улучшить «силу сопротивления» выпуска.

3) Проблема: Probes не улавливает все выпуски сифона.

Совет: очистите зонды ушной палкой. Проверьте все кабельные соединения. На ваших датчиках может быть клей. удалите его высокоточным напильником.

4) Проблема: все мои выбросы из сифона подсчитываются правильно, но оценка количества осадков неверна.

Совет: вам необходимо повторно откалибровать датчик. Если у вас заниженные оценки, необходимо увеличить r (количество осадков за действие сифона).

Шаг 8: Будущие улучшения и тестирование

1. Золотая пластина для зондов (шайб). В этом снова поможет возможная коррозия.
2. Замените щупы на лазерный диод и фоторезистор.
3. Улучшите модель оценки. Простая линейная модель может не подойти во время сильного дождя.
4. Второй сифон Bell Siphon большего размера может быть добавлен ниже (на выходе) первого для измерения дождя высокой плотности.
5. В качестве графического интерфейса я предлагаю Caynne IOT.

Примечание: опубликовано значительное улучшение. См. Датчик дождя PiSiphon