Bell Siphon Rain Gauge: 8 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

รุ่นที่ได้รับการปรับปรุงคือ PiSiphon Rain Gauge

ตามเนื้อผ้าวัดปริมาณน้ำฝนด้วยมาตรวัดปริมาณน้ำฝนแบบแมนนวล

สถานีตรวจอากาศอัตโนมัติ (รวมถึงสถานีตรวจอากาศ IoT) มักใช้ถังให้ทิป เครื่องวัดเสียงหรือเลเซอร์ disdrometers

ถังให้ทิปมีส่วนที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งอุดตันได้ มีการสอบเทียบในห้องปฏิบัติการและอาจวัดได้ไม่ถูกต้องในพายุฝนที่ตกหนัก Disdrometers อาจมีปัญหาในการหยิบหยดเล็ก ๆ หรือการตกตะกอนจากหิมะหรือหมอก Disdrometers ยังต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอัลกอริธึมการประมวลผลที่ซับซ้อนเพื่อประเมินขนาดหยดและเพื่อแยกความแตกต่างระหว่างฝน หิมะ และลูกเห็บ

ฉันคิดว่าเครื่องวัดฝน Bell Siphon อาจมีประโยชน์ในการเอาชนะปัญหาข้างต้นบางส่วน สามารถพิมพ์ Bell Siphon บนเครื่องพิมพ์ FDM 3d ปกติได้อย่างง่ายดาย (เครื่องพิมพ์ราคาถูกที่มีเครื่องอัดรีด เช่น RipRaps และ Prusas)

Bell Siphons มักใช้ใน aquaponics และตู้ปลาเพื่อล้างถังโดยอัตโนมัติเมื่อระดับน้ำถึงระดับหนึ่ง มีเพียงแรงธรรมชาติเท่านั้นที่ใช้เพื่อทำให้ถังว่างเปล่าค่อนข้างเร็ว กาลักน้ำไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

กาลักน้ำเบลล์กาลักน้ำประกอบด้วยโพรบสองตัวที่เชื่อมต่อใกล้กัน (แต่ไม่ได้สัมผัสกัน) กับทางออกของกาลักน้ำระฆัง ปลายอีกด้านของโพรบเชื่อมต่อกับพิน GPIO ของ raspberry pi หนึ่งพินจะเป็นพินเอาท์พุท พินอื่นจะเป็นพินอินพุท เมื่อเกจวัดปริมาณน้ำฝนมีน้ำปริมาณหนึ่ง แรงธรรมชาติจะทำให้มาตรวัดหมด น้ำจะไหลผ่านโพรบที่ช่องกาลักน้ำระฆัง และค่าสูงจะถูกลงทะเบียนบนพินอินพุต GPIO การดำเนินการสูบน้ำนี้จะบันทึกได้ประมาณ 2.95 กรัม (มล.) โดยใช้การออกแบบกาลักน้ำระฆังของฉัน น้ำ 2.8 กรัมจะเท่ากับ +/-0.21676 มม. ปริมาณน้ำฝนหากใช้มาตรวัดปริมาณน้ำฝนของฉันที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางกรวย 129 มม. หลังจากการสูบฉีดแต่ละครั้ง (เหตุการณ์การปล่อยน้ำ) พินอินพุตจะกลายเป็นเอาต์พุต และเอาต์พุตจะกลายเป็นอินพุตเพื่อป้องกันอิเล็กโทรไลซิสที่อาจเกิดขึ้นได้

วัตถุประสงค์ของฉันในโครงการนี้คือการจัดหาเซ็นเซอร์ที่คนจรจัดสามารถใช้เพื่อเชื่อมต่อกับสถานีตรวจอากาศฮาร์ดแวร์แบบเปิด เซ็นเซอร์นี้ได้รับการทดสอบกับราสเบอร์รี่ pi แต่ไมโครคอนโทรลเลอร์อื่นๆ ก็ควรใช้งานได้เช่นกัน

เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับกาลักน้ำระฆัง ดูสิ่งนี้

ขั้นตอนที่ 1: สิ่งที่คุณต้องการ

1. หนึ่งราสเบอร์รี่ pi
2. เครื่องพิมพ์ 3 มิติ- (การพิมพ์ระฆังกาลักน้ำ ฉันจะให้การออกแบบของฉัน คุณสามารถนำไปบริการพิมพ์)
3. กรวยวัดปริมาณน้ำฝนแบบเก่า (หรือจะพิมพ์มาก็ได้ ฉันจะออกแบบให้เอง)
4. 2 X Washers เป็นโพรบ (5x25x1.5 มม. สำหรับการออกแบบของฉัน)
5. เขียงหั่นขนม (ตัวเลือกสำหรับการทดสอบ)
6. Python Skills บางอย่างจะช่วยเหลือ แต่มีรหัสทั้งหมดให้
7. เครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส์เพื่อการปรับเทียบแบบละเอียด สามารถใช้เข็มฉีดยาขนาดใหญ่ (60 มล.) ได้
8. เคสกันน้ำสำหรับ Raspberry Pi
9. ซุปเปอร์กาว
10. จัมเปอร์จระเข้ 2 ตัว และจัมเปอร์ตัวผู้ 2 ตัว
11. ท่อพีวีซี 110มม. ยาว +/-40 ซม.

ขั้นตอนที่ 2: ออกแบบและพิมพ์ BELL SIPHON

แนบ find my design ในรูปแบบ Autocad123D และ STL คุณอาจลองเล่นกับการออกแบบ แต่การเปลี่ยนการออกแบบอาจทำให้กาลักน้ำกระดิ่งรั่วและใช้งานไม่ได้ ของฉันพิมพ์บน XYZ DaVinci AIO ตัวรองรับรวมอยู่ในการออกแบบแล้ว ดังนั้นอาจไม่จำเป็นต้องรองรับเพิ่มเติม ฉันเลือกเปลือกหนา เติม 90% สูงระดับ 0.2 มม. ใช้เส้นใย ABS เนื่องจาก PLA จะย่อยสลายภายนอกอาคาร หลังจากพิมพ์กรวยแล้ว ให้ใช้สเปรย์อะครีลิกบนกรวยเพื่อป้องกันไม่ให้ส่วนประกอบต่างๆ เก็บสเปรย์อะคริลิกให้ห่างจากด้านในของกาลักน้ำระฆัง เนื่องจากสเปรย์อาจปิดกั้นการไหลของน้ำในกาลักน้ำ อย่าให้กาลักน้ำอาบน้ำอะซิโตน

ฉันยังไม่ได้ทดสอบเครื่องพิมพ์เรซิน หากคุณใช้เรซิน คุณจะต้องปกป้องเรซินจากแสงแดดเพื่อป้องกันไม่ให้กาลักน้ำเข้ารูป

(การออกแบบนี้เป็นการปรับปรุงจากต้นฉบับ: เวอร์ชันวันที่ 27 มิถุนายน 2019)

ขั้นตอนที่ 3: ประกอบกาลักน้ำ

ศึกษาภาพที่แนบมา ใช้ซุปเปอร์กาวติดสิ่งของทั้งหมดเข้าด้วยกัน โปรดจำไว้ว่าซุปเปอร์กาวจะไม่นำไฟฟ้า และจุดสัมผัสทั้งหมดของคุณควรปราศจากกาวซุปเปอร์ ฉันใช้จัมเปอร์จระเข้เพื่อเชื่อมต่อโพรบ (แหวนรอง) กับจัมเปอร์ตัวผู้กับตัวเมียบนราสเบอร์รี่ pi ของฉัน ควรเชื่อมต่อโพรบหนึ่งตัวกับ GPIO 20 อีกอันหนึ่งถึง 21 วงจรนี้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทาน พยายามทำให้น้ำโพรบแน่นเมื่อคุณใช้ซุปเปอร์กลู ซิลิคอนเจลก็สามารถช่วยได้เช่นกัน

อย่าเพิ่งปิดกาลักน้ำของคุณในท่อพีวีซีขนาด 110 มม. จะต้องผ่านการทดสอบก่อน

ขั้นตอนที่ 4: ทดสอบโพรบ

สร้างไฟล์ "rain_log.txt" ในไดเร็กทอรีที่คุณต้องการบันทึกโค้ดหลาม

เปิด python IDE ที่คุณชื่นชอบแล้วพิมพ์รหัสต่อไปนี้ลงไป บันทึกเป็น siphon_rain_gauge2.py เรียกใช้รหัสหลาม เพิ่มฝนเทียมลงในช่องทางของคุณ ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการนับเพียงครั้งเดียว ทุกครั้งที่กาลักน้ำปล่อยน้ำ หาก Siphon นับผิด ให้ดูส่วนการแก้ไขปัญหา

#เกจ์วัดปริมาณน้ำฝนแบบเบลล์-กาลักน้ำ

#พัฒนาโดย JJ Slabbert print("The Bell Siphon rain gauge is waiting for some drops…") import gpiozero import time r=0.21676 #นี่คือปริมาณน้ำฝนที่ปรับเทียบแล้วต่อการปล่อยกาลักน้ำ t=0 #ปริมาณน้ำฝนรวม f=open("rain_log.txt", "a+") n=0 ในขณะที่ True: #หลังจากกาลักน้ำแต่ละครั้ง พิน 20, 21 ควรสลับกันเพื่อป้องกันอิเล็กโทรไลซิสที่เป็นไปได้ ถ้า 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("ปริมาณน้ำฝนทั้งหมด: "+str(float(t))+" mm "+localtime) f.write(str(t)+", "+localtime+"\n") siphon.close() output.close() time.sleep(1.5)

ขั้นตอนที่ 5: การคำนวณและการสอบเทียบ

เหตุใดจึงวัดปริมาณน้ำฝนเป็นระยะทาง ฝน 1 มิลลิเมตร หมายถึงอะไร? หากคุณมีลูกบาศก์ขนาด 1,000 มม. X 1,000 มม. X 1,000 มม. หรือ 1 ม. X 1 ม. X 1 ม. ลูกบาศก์จะมีน้ำฝนลึก 1 มม. หากคุณปล่อยทิ้งไว้ข้างนอกเมื่อฝนตก ถ้าคุณเทฝนนี้ลงในขวดครอก 1 ขวด มันจะเติมขวด 100% และน้ำจะวัด 1 กก.ด้วย มาตรวัดปริมาณน้ำฝนที่แตกต่างกันมีพื้นที่เก็บกักน้ำต่างกัน

นอกจากนี้น้ำ 1 กรัมยังเป็นน้ำธรรมดา 1 มล.

หากคุณใช้การออกแบบของฉันตามที่แนบมา อาจไม่จำเป็นต้องทำการปรับเทียบ

ในการปรับเทียบมาตรวัดปริมาณน้ำฝน คุณสามารถใช้ 2 วิธี สำหรับทั้งสองวิธี ให้ใช้แอปแนบ python (ขั้นตอนก่อนหน้า) เพื่อนับจำนวนการวางจำหน่าย (การดำเนินการสูบน้ำ) ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการนับเพียงครั้งเดียว ทุกครั้งที่กาลักน้ำปล่อยน้ำ หากกาลักน้ำนับผิด ให้ดูส่วนการแก้ไขปัญหา

วิธีที่หนึ่ง: ใช้เกจวัดปริมาณน้ำฝนที่มีอยู่ (ควบคุม)

เพื่อให้วิธีนี้ได้ผล กรวยกาลักน้ำของคุณจะต้องอยู่ที่บริเวณเดียวกับมาตรวัดปริมาณน้ำฝน สร้างฝนเทียมเหนือช่องทางกาลักน้ำของคุณและนับจำนวนรุ่นด้วย python รวบรวมการปล่อยน้ำทั้งหมดโดยกาลักน้ำ ในมาตรวัดปริมาณน้ำฝนควบคุมของคุณ หลังจากปล่อยประมาณ 50 ครั้ง (การสูบฉีด) วัดปริมาณน้ำฝนในมาตรวัดปริมาณน้ำฝนควบคุม

ให้ R เป็นปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยในหน่วย มม. ต่อการสูบน้ำ

R=(ปริมาณน้ำฝนรวมในมาตรวัดควบคุม)/(จำนวนการสูบน้ำ)

วิธีที่สอง: ชั่งน้ำหนักปริมาณน้ำฝนของคุณ (คุณจะต้องใช้เครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส์)

ให้ R เป็นปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยในหน่วย มม. ต่อการสูบน้ำ

ให้ W เป็นน้ำหนักของน้ำต่อกาลักน้ำในหน่วยกรัมหรือ ml

ให้ A เป็นพื้นที่เก็บกักของช่องทาง

R=(Wx1000)/A

สำหรับการสอบเทียบ ให้ใช้กระบอกฉีดยาฉีดน้ำช้าๆ เข้าไปในกาลักน้ำของกระดิ่ง จับน้ำในแก้วที่มีน้ำหนักที่รู้จัก ฉีดน้ำต่อไปจนกว่ากาลักน้ำจะระบายออกอย่างน้อย 50 ครั้ง ชั่งน้ำหนักน้ำในแก้ว คำนวณน้ำหนักเฉลี่ย (W) ของน้ำที่ปล่อยออกมาทุกครั้งที่กาลักน้ำปล่อยน้ำ สำหรับการออกแบบของฉันคือประมาณ 2.95 กรัม (มล.) สำหรับกรวยของฉันที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 129 มม. และรัศมี 64.5 มม.

A=pi*(64.5)^2=13609.8108371

R=(2.95*1000) /13609.8108371

R=0.21676

หากคุณไม่มีเครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส์ คุณสามารถใช้หลอดฉีดยาขนาดใหญ่ (60 มล./กรัม) ได้ แค่นับจำนวนกาลักน้ำออก

W=(ปริมาตรของเข็มฉีดยาในหน่วย มม.)/(จำนวนการปล่อยน้ำในกาลักน้ำ)

อัปเดตแอป python ด้วยค่า R ใหม่

Bell Siphon (การออกแบบของฉัน) ใช้เวลาประมาณ 1 วินาทีในการปล่อยน้ำทั้งหมด ตามหลักการทั่วไป น้ำที่เข้าสู่กาลักน้ำในระหว่างการปล่อยก็จะถูกปล่อยออกมาเช่นกัน ซึ่งอาจส่งผลต่อความเป็นเส้นตรงของการวัดในช่วงฝนตกหนัก แบบจำลองทางสถิติที่ดีขึ้นอาจช่วยปรับปรุงการประมาณการได้

ขั้นตอนที่ 6: ไปที่สนาม

ใส่กาลักน้ำกระดิ่งและกรวยประกอบไว้ในปลอกที่เหมาะสม ฉันใช้ท่อพีวีซีขนาด 110 มม. ตรวจสอบให้แน่ใจด้วยว่าราสเบอร์รี่ pi ที่เชื่อมต่อของคุณอยู่ในเคสกันน้ำ PI ของฉันใช้พลังงานจากแบตสำรองเพื่อการสาธิต แต่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอกที่เหมาะสมหรือระบบสุริยะ

ฉันใช้ VNC เพื่อเชื่อมต่อกับ PI ผ่านแท็บเล็ตของฉัน ซึ่งหมายความว่าฉันสามารถติดตามปริมาณน้ำฝนที่ติดตั้งได้จากทุกที่

สร้างฝนเทียมและดูว่าเซ็นเซอร์ทำงานอย่างไร

ขั้นตอนที่ 7: การแก้ไขปัญหา

1) ปัญหา: ถ้าฉันนับการปล่อยกาลักน้ำด้วยแอพ python แอพจะนับรุ่นพิเศษ

คำแนะนำ: โพรบของคุณในกาลักน้ำระฆังอาจจะปิดและมีหยดน้ำติดอยู่ระหว่างกัน

2) ปัญหา: น้ำหยดผ่านกาลักน้ำ

คำแนะนำ: นี่เป็นข้อผิดพลาดในการออกแบบ ปรับปรุงการออกแบบ รัศมีทางออกกาลักน้ำน่าจะใหญ่ ความช่วยเหลือจากนักวิทยาศาสตร์อาจช่วยได้ หากคุณออกแบบกาลักน้ำระฆังของคุณเอง ให้ลองใช้แบบที่ฉันให้มา คุณยังสามารถต่อท่อตู้ปลาขนาดสั้น (15 ซม.) เข้ากับช่องกาลักน้ำเพื่อปรับปรุง "แรงลาก" ของการปล่อย

3) ปัญหา: โพรบไม่รับกาลักน้ำออกทั้งหมด

คำแนะนำ: ทำความสะอาดโพรบของคุณด้วยเอียร์สติ๊ก ตรวจสอบการเชื่อมต่อสายเคเบิลทั้งหมด อาจมีกาวติดอยู่ที่โพรบของคุณ ลบออกด้วยไฟล์ที่มีความแม่นยำ

4) ปัญหา: การปล่อยกาลักน้ำของฉันถูกนับทั้งหมดอย่างถูกต้อง แต่การประมาณปริมาณน้ำฝนไม่ถูกต้อง

คำแนะนำ: คุณต้องปรับเทียบเซ็นเซอร์ของคุณใหม่ หากคุณมีค่าประมาณ r (ปริมาณน้ำฝนต่อการสูบน้ำ) จะต้องเพิ่มขึ้น

ขั้นตอนที่ 8: การปรับปรุงและการทดสอบในอนาคต

1. โกลด์เพลทโพรบ (เครื่องซักผ้า) ซึ่งจะช่วยให้เกิดการกัดกร่อนได้อีก
2. เปลี่ยนโพรบด้วยเลเซอร์ไดโอดและตัวต้านทานภาพถ่าย
3. ปรับปรุงแบบจำลองประมาณการ แบบจำลองเชิงเส้นอย่างง่ายอาจไม่เหมาะกับฝนตกหนัก
4. อาจมีการเพิ่ม Bell Siphon ที่ใหญ่กว่าตัวที่สองไว้ด้านล่าง (ที่ทางออก) ของอันแรกเพื่อวัดปริมาณน้ำฝนที่มีความหนาแน่นสูง
5. สำหรับ GUI ฉันแนะนำ Caynne IOT

หมายเหตุ: มีการเผยแพร่การปรับปรุงที่สำคัญ ดูมาตรวัดปริมาณน้ำฝน PiSiphon