Pluviometro a sifone a campana: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Una versione migliorata di questo è il pluviometro PiSiphon

Tradizionalmente le precipitazioni vengono misurate con un pluviometro manuale.

Le stazioni meteorologiche automatizzate (incluse le stazioni meteorologiche IoT) utilizzano normalmente benne ribaltabili, disdrometri acustici o disdrometri laser.

Le benne ribaltabili hanno parti mobili che possono essere intasate. Sono calibrati in laboratorio e potrebbero non misurare correttamente in caso di forti temporali. I disdrometri possono avere difficoltà a raccogliere piccole gocce o precipitazioni da neve o nebbia. I disdrometri richiedevano anche elettronica complicata e algoritmi di elaborazione per stimare le dimensioni delle gocce e distinguere tra pioggia, neve e grandine.

Ho pensato che un pluviometro Bell Syphon potesse essere utile per superare alcuni dei problemi di cui sopra. Il Bell Syphon può essere facilmente stampato su una normale stampante 3D FDM (quelle economiche con estrusori, come RipRaps e Prusas).

I sifoni a campana sono spesso utilizzati in acquaponica e acquari per svuotare automaticamente i serbatoi quando il livello dell'acqua raggiunge una certa altezza. Solo le forze naturali vengono utilizzate per svuotare il serbatoio in modo relativamente veloce. Il sifone non ha parti mobili.

Il pluviometro a sifone a campana contiene due sonde collegate tra loro vicine (ma non a contatto) all'uscita del sifone a campana. Le altre estremità delle sonde sono collegate ai pin GPIO del raspberry pi. Un pin sarà un pin di output, l'altro pin sarà un pin di input. Quando il pluviometro contiene una certa quantità d'acqua, le forze naturali svuoteranno il pluviometro. L'acqua scorrerà attraverso le sonde all'uscita del sifone della campana e un massimo sarà registrato sul pin di ingresso GPIO. Questa azione di sifone registrerà circa 2,95 grammi (ml) utilizzando il mio design a sifone a campana. I 2,8 grammi di acqua saranno pari a +/- 0,21676 mm di pioggia se si utilizza il mio pluviometro con diametro dell'imbuto di 129 mm. Dopo ogni azione di sifonamento (evento di rilascio dell'acqua) il pin di ingresso diventerà l'uscita e l'uscita diventerà un ingresso per prevenire la possibile elettrolisi.

Il mio obiettivo di questo progetto è quello di fornire un sensore che può essere utilizzato dagli stagnini per il collegamento a stazioni meteorologiche hardware aperte. Questo sensore è stato testato su un Raspberry Pi, ma dovrebbero funzionare anche altri microcontrollori.

Per avere una migliore comprensione dei sifoni a campana, guarda questo

Passaggio 1: cosa ti servirà

1. Un lampone pi.
2. Stampante 3D-(Per stampare la campana Sifone. Fornirò il mio disegno. Puoi anche portarlo a un servizio di stampa)
3. Vecchio imbuto pluviometro (oppure puoi stamparne uno. Fornirò il mio disegno.)
4. 2 X rondelle come sonde (5x25x1,5 mm per il mio design)
5. Breadboard (opzionale per il test).
6. Alcune abilità Python saranno di aiuto, ma tutto il codice è fornito.
7. Una bilancia elettronica per mettere a punto la calibrazione. È possibile utilizzare anche una siringa grande (60 ml).
8. Custodia impermeabile per il lampone pi.
9. super colla
10. 2 maglioni in coccodrillo e 2 maglioni da maschio a femmina
11. Tubo in PVC da 110 mm, lunghezza +/-40 cm

Fase 2: PROGETTA E STAMPA IL SIFONE A CAMPANA

Allega trova il mio disegno in formato Autocad123D e STL. Puoi giocare con il design, ma cambiare il design potrebbe creare un sifone a campana che perde e non funzionale. Il mio è stato stampato su un XYZ DaVinci AIO. I supporti sono già inclusi nel design, quindi potrebbero non essere necessari supporti aggiuntivi. Ho selezionato gusci spessi, riempimento del 90%, altezza di 0,2 mm. Viene utilizzato il filamento ABS poiché il PLA si degrada all'aperto. Dopo aver stampato l'imbuto, applica su di esso uno spray acrilico per proteggerlo dagli elementi. Tenere lo spray acrilico lontano dall'interno del sifone a campana poiché potrebbe bloccare il flusso d'acqua nel sifone. Non fare un bagno di acetone al sifone

Non ho ancora testato le stampanti in resina. Se usi la resina, devi proteggere la resina dal sole per evitare deformazioni del sifone.

(Questo design è un miglioramento dell'originale: Data di versione 27 giugno 2019)

Passaggio 3: assemblare il sifone

Studia le immagini allegate. Usa la super colla per attaccare tutti gli oggetti insieme. Ricorda che la super colla non è conduttiva e tutti i tuoi punti di contatto dovrebbero stare lontani dalla super colla. Ho usato i ponticelli a coccodrillo per collegare le sonde (rondelle) ai ponticelli da maschio a femmina sul mio Raspberry Pi. Una sonda deve essere collegata a GPIO 20, l'altra a 21. Non sono necessarie resistenze in questo circuito. Cerca di rendere la sonda a tenuta stagna quando usi la supercolla. Anche il gel di silicone può aiutare.

Non coprire ancora il tuo sifone nel tubo in PVC da 110 mm, deve prima essere testato.

Passaggio 4: test della sonda

Crea un file "rain_log.txt" nella tua directory in cui vuoi salvare il tuo codice python.

Apri il tuo IDE Python preferito e digita il seguente codice al suo interno. Salvalo come siphon_rain_gauge2.py. Esegui il codice Python. Aggiungi un po' di pioggia artificiale al tuo imbuto. Assicurati che ci sia uno e un solo conteggio, ogni volta che il sifone rilascia acqua. Se il sifone conta in modo errato, vedere la sezione sulla risoluzione dei problemi.

#Pluviometro a sifone a campana

#Sviluppato da JJ Slabbert print("Il pluviometro a sifone Bell sta aspettando alcune gocce…") import gpiozero import time r=0.21676 #Questa è la pioggia calibrata per azione di rilascio del sifone. t=0 #Total Rainfall f=open("rain_log.txt", "a+") n=0 while True: #Dopo ogni sifonamento, i pin 20, 21 dovrebbero alternarsi per prevenire una possibile elettrolisi se 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("Totale pioggia caduta: "+str(float(t))+" mm "+localtime) f.write(str(t)+", "+localtime+"\n") siphon.close() output.close() time.sleep(1.5)

Fase 5: CALCOLI E CALIBRAZIONI

Perché le precipitazioni vengono misurate come Distanza? Cosa significa pioggia di 1 millimetro? Se avevi un cubo di 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm o 1 m X 1 m X 1 m, il cubo avrà una profondità di 1 mm di acqua piovana se lo hai lasciato fuori quando piove. Se svuoti questa pioggia in una bottiglia da 1 litro, riempirà la bottiglia al 100% e l'acqua misurerà anche 1 kg. Diversi pluviometri hanno diversi bacini di utenza.

Inoltre, 1 grammo di acqua è convenzionale 1 ml.

Se usi i miei disegni come allegati, la calibrazione potrebbe non essere necessaria.

Per calibrare il tuo pluviometro, puoi utilizzare 2 metodi. Per entrambi i metodi, usa l'app attach python (passaggio precedente) per contare i rilasci (azioni di sifonamento). Assicurati che ci sia uno e un solo conteggio, ogni volta che il sifone rilascia acqua. Se il sifone conta in modo errato, vedere la sezione sulla risoluzione dei problemi

Metodo uno: utilizzare un pluviometro (di controllo) esistente

Affinché questo metodo funzioni, l'imbuto del sifone a campana deve trovarsi nella stessa area del pluviometro di controllo. Crea una pioggia artificiale sul tuo imbuto sifone e conta il numero di rilasci con Python. Raccogliere tutta l'acqua rilasciata dal sifone. nel tuo pluviometro di controllo. Dopo circa 50 rilasci (Azioni di sifonamento), misurare la pioggia nel pluviometro di controllo

Sia R la piovosità media in mm per azione di sifonamento

R=(Precipitazioni totali nell'indicatore di controllo)/(Numero di azioni di sifonamento)

Metodo due: pesa le precipitazioni (avrai bisogno di una bilancia elettronica)

Sia R la piovosità media in mm per azione di sifonamento

Sia W il peso dell'acqua per azione di travaso in grammi o ml

Sia A il bacino di utenza del funnel

R=(Lx1000)/A

Per la calibrazione, utilizzare una siringa per iniettare lentamente l'acqua nel sifone a campana. Raccogli l'acqua in un bicchiere di peso noto. Continuare a iniettare l'acqua fino a quando il sifone si è svuotato per almeno 50 volte. Pesare l'acqua nel bicchiere. Calcolare il peso medio (W) dell'acqua rilasciata ogni volta che il sifone rilascia acqua. Per il mio design era di circa 2,95 grammi (ml). Per il mio imbuto con diametro 129 mm e raggio 64,5 mm

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

R=(2.95*1000) /13609.8108371

R=0.21676

Se non hai una bilancia elettronica, puoi semplicemente usare una siringa grande (60 ml/grammo). Basta contare il numero di rilasci d'acqua del sifone

W=(Volume della siringa in mm)/(Numero di rilasci d'acqua del sifone)

Aggiorna l'app Python con il nuovo valore R.

Il sifone a campana (il mio design) impiega circa 1 secondo per rilasciare tutta l'acqua. Come regola generale, verrà rilasciata anche l'acqua che entra nel sifone durante il rilascio. Questo può influenzare la linearità delle misurazioni, durante forti piogge. Un modello statistico migliore può migliorare le stime.

Passaggio 6: vai in campo

Metti il tuo sifone a campana assemblato e l'imbuto in un involucro adatto. Ho usato un tubo in PVC da 110 mm. Assicurati anche che il tuo Raspberry Pi connesso sia in un involucro impermeabile. Il mio PI è alimentato con un power bank a scopo dimostrativo, ma è necessario utilizzare un alimentatore esterno o un sistema solare adeguato.

Ho usato VNC per connettermi al PI tramite il mio tablet. Ciò significa che posso monitorare le precipitazioni nella mia installazione da qualsiasi luogo.

Crea una pioggia artificiale e guarda come funziona il sensore.

Passaggio 7: risoluzione dei problemi

1) Problema: se conto le versioni sifone con l'app Python, l'app conta le versioni extra.

Consiglio: le tue sonde nel sifone a campana potrebbero chiudersi e una goccia d'acqua è incastrata tra di loro.

2) Problema: l'acqua gocciola attraverso il sifone.

Consiglio: questo è un errore di progettazione. Migliora il design. Il raggio di uscita del sifone è probabilmente troppo grande. Un po' di aiuto dallo scienziato può aiutare. Se hai progettato il tuo sifone a campana, prova quello che ti ho fornito. È inoltre possibile collegare un tubo per acquario corto (15 cm) all'uscita del sifone per migliorare la "forza di trascinamento" del rilascio.

3) Problema: Le sonde non raccolgono tutte le uscite del sifone.

Consiglio: pulire le sonde con un bastoncino per le orecchie. Controllare tutti i collegamenti dei cavi. Potrebbe esserci della colla sulle sonde. rimuoverlo con una lima di precisione fine.

4) Problema: I miei rilasci del sifone sono tutti contati correttamente, ma la stima delle precipitazioni è sbagliata.

Consiglio: è necessario ricalibrare il sensore. Se si ha sotto stima r (pioggia per azione di sifonamento) deve essere aumentata.

Passaggio 8: miglioramenti futuri e test

1. Placca in oro le sonde (rondelle). Questo aiuterà di nuovo la possibile corrosione.
2. Sostituire le sonde con un diodo laser e una fotoresistenza.
3. Migliorare il modello di stima. Il semplice modello lineare potrebbe non essere adatto in caso di forti piogge.
4. Un secondo sifone a campana più grande può essere aggiunto sotto (all'uscita) del primo per misurare la pioggia ad alta densità.
5. Per una GUI, suggerisco Caynne IOT.

Nota: viene pubblicato un importante miglioramento. Guarda il pluviometro PiSiphon