Medidor de chuva do sifão de sino: 8 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Uma versão melhorada disso é o medidor de chuva PiSiphon

Tradicionalmente, a precipitação é medida com um pluviômetro manual.

Estações meteorológicas automatizadas (incluindo estações meteorológicas de IoT) normalmente usam baldes basculantes, disdrômetros acústicos ou disdrômetros a laser.

Os baldes basculantes têm peças móveis que podem ficar entupidas. Eles são calibrados em laboratórios e podem não medir corretamente em fortes tempestades de chuva. Os disdrômetros podem ter dificuldade em captar pequenas gotas ou precipitação da neve ou névoa. Os disdrômetros também exigiam eletrônicos complicados e algoritmos de processamento para estimar o tamanho das gotas e distinguir entre chuva, neve e granizo.

Achei que um medidor de chuva Bell Siphon pode ser útil para superar alguns dos problemas acima. O Bell Siphon pode ser facilmente impresso em uma impressora 3D FDM normal (aquelas baratas com extrusoras, como RipRaps e Prusas).

Sifões de sino são freqüentemente usados em aquapônicos e tanques de peixes para esvaziar automaticamente os tanques quando o nível da água atinge uma certa altura. Apenas as forças naturais são usadas para esvaziar o tanque relativamente rápido. O Sifão não possui peças móveis.

O pluviômetro do sifão da campainha contém duas sondas conectadas uma perto da outra (mas não em contato uma com a outra) à saída do sifão da campainha. As outras extremidades das sondas são conectadas aos pinos GPIO do raspberry pi. Um pino será um pino de saída, o outro pino será um pino de entrada. Quando o pluviômetro contém uma certa quantidade de água, as forças naturais esvaziarão o medidor. A água fluirá pelas sondas na saída do sifão de sino e uma alta será registrada no pino de entrada GPIO. Esta ação de sifão registrará aproximadamente 2,95 gramas (ml) usando meu design de sifão de sino. Os 2,8 gramas de água serão iguais a +/- 0,21676 mm de chuva se meu pluviômetro com diâmetro de funil de 129 mm for usado. Após cada ação de sifonagem (evento de liberação de água), o pino de entrada se tornará a saída e a saída se tornará uma entrada para evitar uma possível eletrólise.

Meu objetivo neste projeto é fornecer um sensor que pode ser usado por consertadores para anexar a estações meteorológicas de hardware aberto. Este sensor foi testado em um framboesa pi, mas outros microcontroladores também devem funcionar.

Para ter uma melhor compreensão dos sifões de sino, assista a este

Etapa 1: O que você precisa

1. Um pi de framboesa.
2. Impressora 3D- (Para imprimir o Sifão do sino. Eu irei fornecer meu design. Você também pode levá-lo a uma gráfica)
3. Funil de pluviômetro antigo (ou você pode imprimir um. Fornecerei meu design.)
4. 2 x arruelas como sondas (5x25x1,5 mm para o meu projeto)
5. Placa de ensaio (opcional para teste).
6. Algumas habilidades do Python ajudarão, mas todo o código é fornecido.
7. Uma escala eletrônica para ajustar a calibração. Uma seringa grande (60ml) também pode ser usada.
8. Invólucro impermeável para o framboesa pi.
9. Super cola
10. 2 jumpers jacaré e 2 jumpers masculino para feminino
11. Tubo de PVC de 110 mm, +/- 40 cm de comprimento

Etapa 2: PROJETE E IMPRIMA O SIFÃO DE SINO

Anexe o find my design em formato Autocad123D e STL. Você pode brincar com o design, mas alterá-lo pode criar um sifão de sino com vazamento e não funcional. O meu foi impresso em um AIO XYZ DaVinci. Os suportes já estão incluídos no projeto, portanto, podem não ser necessários suportes extras. Selecionei conchas grossas, 90% de preenchimento, nível de 0,2 mm de altura. O ABS Filament é usado porque o PLA se degradará ao ar livre. Depois de imprimir o funil, aplique um spray acrílico sobre ele para protegê-lo das intempéries. Mantenha o spray de acrílico longe do interior do sifão de sino, pois ele pode bloquear o fluxo de água no sifão. Não dê ao sifão um banho de acetona

Ainda não testei as impressoras de resina. Se você usar resina, é necessário protegê-la do sol para evitar a formação incorreta do sifão.

(Este design é uma melhoria do original: Data da versão 27 de junho de 2019)

Etapa 3: montagem do sifão

Estude as imagens anexadas. Use super cola para unir todos os itens. Lembre-se de que a supercola não é condutiva e todos os seus pontos de contato devem ficar livres de supercola. Usei jumpers jacaré para conectar as pontas de prova (arruelas) aos jumpers masculino para feminino no meu pi de framboesa. Uma sonda deve ser conectada ao GPIO 20 e a outra ao 21. Nenhum resistor é necessário neste circuito. Tente tornar a sonda impermeável ao usar a supercola. O gel de silicone também pode ajudar.

Não cubra ainda o seu sifão no tubo de PVC de 110 mm, ele deve primeiro ser testado.

Etapa 4: Testando a Sonda

Crie um arquivo "rain_log.txt" em seu diretório onde deseja salvar seu código python.

Abra seu IDE python favorito e digite o seguinte código nele. Salve-o como siphon_rain_gauge2.py. Execute o código Python. Adicione um pouco de chuva artificial ao funil. Certifique-se de que haja uma e apenas uma contagem, cada vez que o sifão liberar água. Se o Sifão estiver contando errado, consulte a seção de solução de problemas.

# Pluviômetro Bell-Siphon

#Developed by JJ Slabbert print ("O pluviômetro Bell Siphon está esperando por algumas gotas …") import gpiozero import time r = 0.21676 #Esta é a chuva calibrada por ação de liberação de sifão. t = 0 #Total Rainfall f = open ("rain_log.txt", "a +") n = 0 enquanto Verdadeiro: #Após cada sifonamento, os pinos 20, 21 devem se alternar para evitar possível eletrólise se n / 2 == int (n): sifão = gpiozero. Button (21, False) output = gpiozero. LED (20) output.on () else: sifão = 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 ("Queda total de chuva:" + str (float (t)) + " mm "+ localtime) f.write (str (t) +", "+ localtime +" / n ") siphon.close () output.close () time.sleep (1.5)

Etapa 5: CÁLCULOS E CALIBRAÇÕES

Por que as chuvas são medidas como distância? O que significa chuva de 1 milímetro? Se você tivesse um cubo de 1000mm X 1000mm X 1000mm ou 1m X 1m X 1m, o cubo terá uma profundidade de 1 mm de água da chuva se você o deixou do lado de fora durante a chuva. Se você esvaziar esta chuva em uma garrafa de 1 litro, ela encherá a garrafa 100% e a água também medirá 1kg. Diferentes medidores de chuva têm diferentes áreas de captação.

Além disso, 1 grama de água é 1 ml convencional.

Se você usar meus designs conforme anexo, a calibração pode não ser necessária.

Para calibrar seu pluviômetro, você pode usar 2 métodos. Para ambos os métodos, use o aplicativo attach python (etapa anterior) para contar lançamentos (ações de desvio). Certifique-se de que haja uma e apenas uma contagem, cada vez que o sifão liberar água. Se o Sifão estiver contando errado, consulte a seção de solução de problemas

Método um: use um pluviômetro existente (controle)

Para que esse método funcione, o funil do sifão do sino deve estar na mesma área do pluviômetro de controle. Crie chuva artificial sobre o funil do sifão e conte o número de lançamentos com o python. Recolher toda a liberação de água pelo sifão. em seu pluviômetro de controle. Após cerca de 50 lançamentos (ações de Sifonagem), medir a precipitação no pluviômetro de controle

Seja R a precipitação média em mm por ação de sifonagem

R = (chuva total no medidor de controle) / (número de ações de sifonagem)

Método dois: pondere sua precipitação (você precisará de uma balança eletrônica)

Seja R a precipitação média em mm por ação de sifonagem

Seja W o peso da água por ação de sifonagem em gramas ou ml

Seja A a área de captação do funil

R = (Wx1000) / A

Para calibração, use uma seringa para injetar água lentamente no sifão de sino. Pegue a água em um copo de peso conhecido. Continue injetando a água até que o sifão se esvazie por pelo menos 50 vezes. Pese a água no copo. Calcule o peso médio (W) da água liberada cada vez que o sifão libera água. Para o meu projeto, era cerca de 2,95 gramas (ml). Para o meu funil com diâmetro de 129 mm e raio de 64,5 mm

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

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

R = 0,21676

Se você não tiver uma balança eletrônica, pode usar apenas uma seringa grande (60 ml / grama). Basta contar o número de vazamentos de água do sifão

W = (volume da seringa em mm) / (número de liberações de água do sifão)

Atualize o aplicativo Python com o novo valor R.

O Sifão de Sino (Meu projeto) leva cerca de 1 segundo para liberar toda a água. Como regra geral, a água que entra no sifão durante a liberação também será liberada. Isso pode afetar a linearidade das medições, durante chuvas fortes. Um melhor modelo estatístico pode melhorar as estimativas.

Etapa 6: vá para o campo

Coloque o sifão de sino montado e o funil em um invólucro adequado. Usei um tubo de PVC de 110 mm. Verifique também se o pi raspberry conectado está em uma caixa à prova d'água. Meu PI é alimentado por um banco de energia para fins de demonstração, mas uma fonte de alimentação externa adequada ou sistema solar deve ser usado.

Usei o VNC para me conectar ao PI por meio do meu tablet. Isso significa que posso monitorar a precipitação em minha instalação de qualquer lugar.

Crie chuva artificial e veja como o sensor funciona.

Etapa 7: Solução de problemas

1) Problema: se eu contar os lançamentos de sifão com o aplicativo Python, o aplicativo conta os lançamentos extras.

Conselho: Suas sondas no sifão do sino podem estar fechando e uma gota d'água ficar presa entre elas.

2) Problema: Água está pingando pelo Sifão.

Conselho: Este é um erro de design. Melhore o design. O raio de saída do Sifão é provavelmente muito grande. Alguma ajuda de um cientista pode ajudar. Se você projetou seu próprio sifão de sino, experimente o que forneci. Você também pode conectar um tubo curto (15 cm) do tanque de peixes à saída do sifão para melhorar a "força de arrasto" da liberação.

3) Problema: as sondas não coletam todos os lançamentos do sifão.

Conselho: Limpe suas sondas com um fone de ouvido. Verifique todas as conexões de cabo. Pode haver cola em suas sondas. remova-o com uma lima de precisão fina.

4) Problema: minhas liberações de sifão são todas contadas corretamente, mas a estimativa de chuva está errada.

Conselho: Você precisa recalibrar seu sensor. Se você tiver estimativas de r (precipitação por ação de sifão), precisa ser aumentado.

Etapa 8: Melhorias e testes futuros

1. Gold Plate as sondas (arruelas). Isso ajudará novamente a possível corrosão.
2. Substitua as pontas de prova por um diodo laser e um resistor fotográfico.
3. Melhore o modelo de estimativa. O modelo linear simples pode não ser adequado em chuvas fortes.
4. Um segundo Sifão de Sino maior pode ser adicionado abaixo (na saída) do primeiro para medir a chuva de alta densidade.
5. Para uma GUI, sugiro Caynne IOT.

Nota: Uma grande melhoria foi publicada. Veja o pluviômetro PiSiphon