Bell Siphon Rain Gauge: 8 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Một phiên bản cải tiến của nó là PiSiphon Rain Gauge

Theo truyền thống, lượng mưa được đo bằng máy đo mưa thủ công.

Các trạm thời tiết tự động (bao gồm cả các trạm thời tiết IoT) thường sử dụng xô nghiêng, thiết bị đo âm thanh hoặc thiết bị đo lường laser.

Xô xô có các bộ phận chuyển động có thể bị tắc nghẽn. Chúng được hiệu chuẩn trong phòng thí nghiệm và có thể không đo chính xác khi mưa bão lớn. Máy đo độ lệch kế có thể gặp khó khăn khi nhặt những giọt nhỏ hoặc lượng mưa từ tuyết hoặc sương mù. Máy đo độ lệch âm cũng yêu cầu các thuật toán xử lý và điện tử phức tạp để ước tính kích thước giọt nước và phân biệt giữa mưa, tuyết và mưa đá.

Tôi nghĩ rằng một máy đo Mưa Bell Siphon có thể hữu ích để khắc phục một số vấn đề ở trên. Bell Siphon có thể dễ dàng được in trên Máy in 3D FDM thông thường (Loại rẻ tiền có máy đùn, như RipRaps và Prusas).

Bell Siphons thường được sử dụng trong aquaponics và bể cá để tự động làm trống bể khi mực nước đạt đến một độ cao nhất định. Chỉ có lực lượng tự nhiên được sử dụng để làm trống bể tương đối nhanh. Syphon không có bộ phận chuyển động.

Thiết bị đo mưa xi phông chuông có hai đầu dò được kết nối gần nhau (nhưng không tiếp xúc với nhau) vào đầu ra của xi phông chuông. Các đầu khác của đầu dò được kết nối với các chân GPIO của pi mâm xôi. Một chân sẽ là chân đầu ra, chân còn lại sẽ là chân đầu vào. Khi thước đo mưa chứa một lượng nước nhất định, các lực tự nhiên sẽ làm trống thước đo. Nước sẽ chảy qua các đầu dò ở đầu ra xi phông chuông và mức cao sẽ được ghi trên chân đầu vào GPIO. Hành động xi phông này sẽ được ghi lại khoảng 2,95 gam (ml) bằng cách sử dụng thiết kế xi phông chuông của tôi. 2,8 gam nước sẽ tương đương với +/- 0,21676 mm mưa nếu sử dụng thước đo mưa của tôi có đường kính phễu là 129 mm. Sau mỗi hành động hút nước (sự kiện xả nước), chân đầu vào sẽ trở thành đầu ra và đầu ra sẽ trở thành đầu vào để ngăn chặn sự điện phân có thể xảy ra.

Mục tiêu của tôi trong dự án này là cung cấp một cảm biến có thể được sử dụng bởi những người mày mò để gắn vào các trạm thời tiết phần cứng đang mở. Cảm biến này đã được thử nghiệm trên raspberry pi, nhưng các bộ vi điều khiển khác cũng sẽ hoạt động.

Để hiểu rõ hơn về xi phông chuông, hãy xem https://www.youtube.com/embed/_vV_z_0lFQ8 này

Bước 1: Những gì bạn sẽ cần

1. Một quả mâm xôi pi.
2. Máy in 3D- (Để in Siphon chuông. Tôi sẽ cung cấp thiết kế của mình. Bạn cũng có thể mang nó đến dịch vụ in ấn)
3. Phễu đo mưa cũ (Hoặc bạn có thể in một cái. Tôi sẽ cung cấp thiết kế của mình.)
4. 2 X vòng đệm làm đầu dò (5x25x1,5 mm cho thiết kế của tôi)
5. Breadboard (tùy chọn để thử nghiệm).
6. Một số Kỹ năng Python sẽ hỗ trợ, nhưng tất cả mã đều được cung cấp.
7. Một cân điện tử để tinh chỉnh hiệu chuẩn. Một ống tiêm lớn (60ml) cũng có thể được sử dụng.
8. Vỏ chống thấm nước cho pi mâm xôi.
9. keo siêu dính
10. 2 vận động viên nhảy cá sấu và 2 vận động viên nhảy dây từ nam sang nữ
11. Ống PVC 110mm, dài +/- 40 cm

Bước 2: THIẾT KẾ VÀ IN MẶT BẰNG BELL SIPHON

Đính kèm tìm thiết kế của tôi ở định dạng Autocad123D và STL. Bạn có thể nghịch ngợm với thiết kế, nhưng việc thay đổi thiết kế có thể tạo ra một xi phông chuông bị rò rỉ và không hoạt động. Của tôi được in trên XYZ DaVinci AIO. Các hỗ trợ đã được bao gồm trong thiết kế, vì vậy có thể không cần hỗ trợ thêm. Tôi chọn loại vỏ dày, độ trong 90%, độ cao 0,2mm. ABS Filament được sử dụng vì PLA sẽ bị phân hủy ở ngoài trời. Sau khi in phễu, hãy phun acrylic lên nó để bảo vệ nó khỏi các yếu tố. Giữ bình xịt acrylic tránh xa bên trong xi phông chuông vì nó phun có thể chặn dòng nước trong xi phông. Không cho xi phông vào bồn tắm axeton

Tôi đã không thử nghiệm máy in nhựa. Nếu bạn sử dụng nhựa thông, bạn cần phải bảo vệ nhựa khỏi ánh nắng mặt trời để ngăn chặn sự biến dạng của xi phông.

(Thiết kế này là một cải tiến của bản gốc: Ngày phiên bản 27 tháng 6 năm 2019)

Bước 3: Lắp ráp Syphon

Nghiên cứu các hình ảnh đính kèm. Sử dụng keo siêu dính để gắn tất cả các mục lại với nhau. Hãy nhớ rằng keo siêu dính không dẫn điện và tất cả các điểm tiếp xúc của bạn phải sạch keo siêu dính. Tôi đã sử dụng dây nhảy cá sấu để kết nối các đầu dò (vòng đệm) với dây nhảy từ nam sang nữ trên pi mâm xôi của mình. Một đầu dò phải được kết nối với GPIO 20, đầu dò còn lại với 21. Không cần điện trở trong mạch này. Cố gắng làm cho đầu dò kín nước khi bạn sử dụng chất siêu dính. Gel silicon cũng có thể giúp ích.

Chưa đậy ống xi phông của bạn trong ống PVC 110mm, trước tiên phải thử nghiệm.

Bước 4: Kiểm tra đầu dò

Tạo một tệp "rain_log.txt" trong thư mục của bạn nơi bạn muốn lưu mã python của mình.

Mở IDE python yêu thích của bạn và nhập mã sau vào đó. Lưu nó dưới dạng siphon_rain_gauge2.py. Chạy mã python. Thêm một ít mưa nhân tạo vào phễu của bạn. Đảm bảo có một và chỉ một lần đếm, mỗi lần xi phông xả nước. Nếu Syphon đếm sai, hãy xem phần khắc phục sự cố.

# Bell-Siphon Rain Gauge

# Được phát triển bởi JJ Slabbert print ("Máy đo lượng mưa Bell Siphon đang đợi một vài giọt …") nhập thời gian nhập gpiozero r = 0.21676 # Đây là lượng mưa đã hiệu chỉnh trên mỗi hành động nhả siphon. t = 0 #Total Lượng mưa f = open ("rain_log.txt", "a +") n = 0 trong khi Đúng: # Sau mỗi lần hút, chân 20, 21 sẽ thay thế để ngăn chặn sự điện phân có thể xảy ra nếu 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 ("Tổng lượng mưa rơi:" + str (float (t)) + " mm "+ localtime) f.write (str (t) +", "+ localtime +" / n ") siphon.close () output.close () time.sleep (1.5)

Bước 5: TÍNH TOÁN VÀ ĐỊNH LƯỢNG

Tại sao lượng mưa được đo dưới dạng Khoảng cách? Mưa 1 mm nghĩa là gì? Nếu bạn có một hình lập phương có kích thước 1000mm X 1000mm X 1000mm hoặc 1m X 1m X 1m, thì hình lập phương sẽ có độ sâu là 1 mm nước mưa nếu bạn để nó ở ngoài trời khi trời mưa. Nếu bạn đổ lượng mưa này vào chai 1 Litter thì nó sẽ đầy chai 100% và lượng nước cũng sẽ là 1kg. Các máy đo mưa khác nhau có diện tích lưu vực khác nhau.

Ngoài ra, 1 gam nước là 1 ml thông thường.

Nếu bạn sử dụng các thiết kế của tôi như đính kèm, có thể không cần hiệu chuẩn.

Để hiệu chỉnh thiết bị đo mưa của bạn, bạn có thể sử dụng 2 phương pháp. Đối với cả hai phương pháp, hãy sử dụng ứng dụng python (bước trước) đính kèm để đếm bản phát hành (hành động hút). Đảm bảo có một và chỉ một lần đếm, mỗi lần xi phông xả nước. Nếu Syphon đếm sai, hãy xem phần khắc phục sự cố

Phương pháp một: Sử dụng một máy đo mưa (kiểm soát) hiện có

Để phương pháp này hoạt động, phễu xi phông chuông của bạn phải có cùng khu vực với thiết bị đo mưa kiểm soát. Tạo mưa nhân tạo trên phễu siphon của bạn và đếm số lần xả bằng python. Thu tất cả lượng nước thoát ra bằng xi phông. trong máy đo mưa kiểm soát của bạn. Sau khoảng 50 lần phát hành (hành động Siphoning), hãy đo lượng mưa trong máy đo mưa kiểm soát

Gọi R là lượng mưa trung bình tính bằng mm cho mỗi hành động hút nước

R = (Tổng lượng mưa trong thiết bị đo kiểm soát) / (Số lượng hành động hút)

Phương pháp hai: Cân lượng mưa của bạn (Bạn sẽ cần một cân điện tử)

Gọi R là lượng mưa trung bình tính bằng mm cho mỗi lần hút

Gọi W là trọng lượng của nước mỗi lần hút, tính bằng gam hoặc ml

Gọi A là diện tích lưu vực của phễu

R = (Wx1000) / A

Để hiệu chuẩn, sử dụng ống tiêm để bơm nước từ từ vào xi phông chuông. Hứng nước vào cốc có khối lượng đã biết. Tiếp tục bơm nước cho đến khi xi phông tự hết ít nhất 50 lần. Trọng lượng nước trong ly. Tính trọng lượng trung bình (W) của nước được giải phóng mỗi khi xi phông nhả nước. Đối với thiết kế của tôi, nó là khoảng 2,95 gam (ml). Đối với phễu của tôi có đường kính 129mm và bán kính 64,5 mm

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

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

R = 0,21676

Nếu bạn không có cân điện tử, bạn có thể chỉ sử dụng một ống tiêm lớn (60 ml / gram). Chỉ cần đếm số lần xả nước xi phông

W = (Thể tích xylanh tính bằng mm) / (Số lần xả nước xi phông)

Cập nhật ứng dụng python với giá trị R mới.

Bell Siphon (Thiết kế của tôi) mất khoảng 1 giây để xả hết nước. Theo quy luật thông thường, nước đi vào xi phông trong quá trình xả cũng sẽ được thoát ra ngoài. Điều này có thể ảnh hưởng đến độ tuyến tính của các phép đo, khi mưa lớn. Một mô hình thống kê tốt hơn có thể cải thiện các ước tính.

Bước 6: Đi tới hiện trường

Đặt ống xi phông và phễu chuông đã lắp ráp của bạn vào vỏ phù hợp. Tôi đã sử dụng một ống PVC 110 mm. Ngoài ra, hãy đảm bảo rằng pi raspberry được kết nối của bạn có vỏ chống thấm nước. PI của tôi được cấp nguồn bằng nguồn dự phòng cho mục đích demo, nhưng phải sử dụng nguồn điện bên ngoài thích hợp hoặc hệ thống năng lượng mặt trời.

Tôi đã sử dụng VNC để kết nối với PI qua máy tính bảng của mình. Điều này có nghĩa là tôi có thể theo dõi lượng mưa tại nơi lắp đặt của mình từ bất kỳ đâu.

Tạo mưa nhân tạo và xem cảm biến hoạt động như thế nào.

Bước 7: Khắc phục sự cố

1) Vấn đề: Nếu tôi đếm các bản phát hành siphon với ứng dụng python, thì ứng dụng sẽ tính các bản phát hành bổ sung.

Lời khuyên: Các đầu dò của bạn trong xi phông chuông có thể đóng lại và một giọt nước bị kẹt giữa chúng.

2) Vấn đề: Nước nhỏ giọt qua Siphon.

Lời khuyên: Đây là một lỗi thiết kế. Cải tiến thiết kế. Bán kính đầu ra của Siphon có thể là lớn. Một số trợ giúp từ nhà khoa học có thể giúp ích. Nếu bạn tự thiết kế xi phông chuông của riêng mình, hãy thử cái tôi đã cung cấp. Bạn cũng có thể gắn một ống bể cá ngắn (15 cm) vào cửa xả xi phông để cải thiện "lực cản" của việc thả.

3) Vấn đề: Đầu dò không nhận tất cả các bản phát hành siphon.

Lời khuyên: Làm sạch các đầu dò của bạn bằng que ngoáy tai. Kiểm tra tất cả các kết nối cáp. Có thể có keo trên đầu dò của bạn. loại bỏ nó với một tập tin chính xác tốt.

4) Vấn đề: Lượng xả siphon của tôi đều được tính đúng, nhưng ước tính lượng mưa bị sai.

Lời khuyên: Bạn cần hiệu chỉnh lại cảm biến của mình. Nếu bạn có ước tính dưới mức r (lượng mưa trên mỗi hành động hút nước) cần được tăng lên.

Bước 8: Cải tiến và kiểm tra trong tương lai

1. Gold Plate các đầu dò (vòng đệm). Điều này sẽ giúp một lần nữa sự ăn mòn có thể xảy ra.
2. Thay thế các đầu dò bằng một diode laser và một điện trở quang.
3. Cải thiện mô hình ước lượng. Mô hình tuyến tính đơn giản có thể không phù hợp khi mưa lớn.
4. Một Bell Siphon thứ hai lớn hơn có thể được thêm vào bên dưới (tại cửa xả) của cái thứ nhất để đo lượng mưa có mật độ cao.
5. Đối với GUI, tôi đề xuất Caynne IOT.

Lưu ý: Một cải tiến lớn đã được xuất bản. Xem PiSiphon Rain Gauge