Pluviómetro Bell Siphon: 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Una versión mejorada de esto es el pluviómetro PiSiphon.

Tradicionalmente, la lluvia se mide con un pluviómetro manual.

Las estaciones meteorológicas automatizadas (incluidas las estaciones meteorológicas de IoT) normalmente utilizan cubos basculantes, disdrómetros acústicos o disdrómetros láser.

Los cangilones basculantes tienen partes móviles que pueden obstruirse. Están calibrados en laboratorios y es posible que no midan correctamente en tormentas de lluvia intensa. Los disdrómetros pueden tener dificultades para recoger pequeñas gotas o precipitaciones de la nieve o la niebla. Los disdrómetros también requerían una electrónica complicada y algoritmos de procesamiento para estimar el tamaño de las gotas y distinguir entre lluvia, nieve y granizo.

Pensé que un pluviómetro Bell Siphon podría ser útil para superar algunos de los problemas anteriores. El Bell Siphon se puede imprimir fácilmente en una impresora 3D FDM normal (las baratas con extrusoras, como RipRaps y Prusas).

Los sifones de campana se utilizan con frecuencia en acuaponía y peceras para vaciar automáticamente los tanques cuando el nivel del agua alcanza una cierta altura. Solo se utilizan fuerzas naturales para vaciar el tanque relativamente rápido. El sifón no tiene partes móviles.

El pluviómetro del sifón de campana contiene dos sondas conectadas cerca una de la otra (pero que no contactan entre sí) a la salida del sifón de campana. Los otros extremos de las sondas están conectados a los pines GPIO de la raspberry pi. Un pin será un pin de salida, el otro pin será un pin de entrada. Cuando el pluviómetro contiene una cierta cantidad de agua, las fuerzas naturales lo vaciarán. El agua fluirá a través de las sondas en la salida del sifón de campana y se registrará un nivel alto en el pin de entrada GPIO. Esta acción de sifón registrará aproximadamente 2,95 gramos (ml) usando mi diseño de sifón de campana. Los 2,8 gramos de agua serán iguales a +/- 0,21676 mm de lluvia si se utiliza mi pluviómetro con un embudo de 129 mm de diámetro. Después de cada acción de sifón (evento de liberación de agua), el pin de entrada se convertirá en la salida y la salida se convertirá en una entrada para evitar una posible electrólisis.

Mi objetivo de este proyecto es proporcionar un sensor que los aficionados a los retoques puedan utilizar para conectarlo a estaciones meteorológicas de hardware abiertas. Este sensor se probó en una Raspberry Pi, pero también deberían funcionar otros microcontroladores.

Para comprender mejor los sifones de campana, mire este

Paso 1: lo que necesitará

1. Un pi de frambuesa.
2. Impresora 3D- (Para imprimir la campana Siphon. Proporcionaré mi diseño. También puedes llevarlo a un servicio de impresión)
3. Embudo de pluviómetro antiguo (O puede imprimir uno. Yo proporcionaré mi diseño).
4. 2 X Arandelas como sondas (5x25x1.5 mm para mi diseño)
5. Protoboard (opcional para pruebas).
6. Algunas Habilidades de Python ayudarán, pero se proporciona todo el código.
7. Una balanza electrónica para afinar la calibración. También se puede utilizar una jeringa grande (60 ml).
8. Carcasa impermeable para la frambuesa pi.
9. Super pegamento
10. 2 saltadores de cocodrilo y 2 saltadores de macho a hembra
11. Tubo de PVC de 110 mm, +/- 40 cm de largo

Paso 2: DISEÑAR E IMPRIMIR EL SIFÓN DE CAMPANA

Adjuntar buscar mi diseño en formato Autocad123D y STL. Puede jugar con el diseño, pero cambiar el diseño puede crear un sifón de campana con fugas y no funcional. El mío estaba impreso en un XYZ DaVinci AIO. Los soportes ya están incluidos en el diseño, por lo que es posible que no se necesiten soportes adicionales. Seleccioné carcasas gruesas, 90% de relleno, nivel de 0,2 mm de altura. Se utiliza filamento ABS ya que el PLA se degrada al aire libre. Después de imprimir el embudo, aplique un spray acrílico sobre él para protegerlo de los elementos. Mantenga el aerosol acrílico alejado del interior del sifón de campana, ya que puede bloquear el flujo de agua en el sifón. No le dé al sifón un baño de acetona.

Todavía no probé impresoras de resina. Si usa resina, debe proteger la resina del sol para evitar la deformación del sifón.

(Este diseño es una mejora del original: Fecha de versión 27 de junio de 2019)

Paso 3: montaje del sifón

Estudie las imágenes adjuntas. Use superpegamento para unir todos los elementos. Recuerde que el superpegamento no es conductor y todos sus puntos de contacto deben mantenerse libres de superpegamento. Usé puentes de cocodrilo para conectar las sondas (arandelas) a puentes macho a hembra en mi raspberry pi. Una sonda debe conectarse a GPIO 20, la otra a 21. No se requieren resistencias en este circuito. Trate de que la sonda sea hermética al agua cuando use el superpegamento. El gel de silicona también puede ayudar.

Todavía no cubra su sifón en la tubería de PVC de 110 mm, primero debe probarse.

Paso 4: prueba de la sonda

Cree un archivo "rain_log.txt" en su directorio donde desea guardar su código Python.

Abra su IDE de Python favorito y escriba el siguiente código en él. Guárdelo como siphon_rain_gauge2.py. Ejecute el código de Python. Agrega un poco de lluvia artificial a tu embudo. Asegúrese de que haya una y solo una cuenta, cada vez que el sifón libere agua. Si el sifón cuenta mal, consulte la sección de solución de problemas.

# Pluviómetro de campana-sifón

#Desarrollado por JJ Slabbert print ("El pluviómetro Bell Siphon está esperando algunas gotas …") import gpiozero import time r = 0.21676 #Esta es la acción de liberación de lluvia calibrada por sifón. t = 0 #Total Rainfall f = open ("rain_log.txt", "a +") n = 0 while True: #Después de cada sifón, los pines 20, 21 deben alternarse para evitar una posible electrólisis si n / 2 == int (n): sifón = gpiozero. Button (21, False) salida = gpiozero. LED (20) salida.on () else: sifón = gpiozero. Button (20, Falso) salida = gpiozero. LED (21) salida.on () siphon.wait_for_press () n = n + 1 t = t + r localtime = time.asctime (time.localtime (time.time ())) print ("Caída de lluvia total:" + str (float (t)) + " mm "+ hora local) f.write (str (t) +", "+ hora local +" / n ") sifón.close () salida.close () tiempo.sueño (1.5)

Paso 5: CÁLCULOS Y CALIBRACIONES

¿Por qué las precipitaciones se miden como una distancia? ¿Qué significa 1 milímetro de lluvia? Si tenía un cubo de 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm o 1 m X 1 m X 1 m, el cubo tendrá una profundidad de agua de lluvia de 1 mm si lo deja afuera cuando llueve. Si vacía esta lluvia en una botella de 1 litro, llenará la botella al 100% y el agua también medirá 1 kg. Diferentes pluviómetros tienen diferentes áreas de captación.

Además, 1 gramo de agua es 1 ml convencional.

Si usa mis diseños adjuntos, es posible que no necesite calibración.

Para calibrar su pluviómetro, puede utilizar 2 métodos. Para ambos métodos, use la aplicación adjuntar python (paso anterior) para contar lanzamientos (acciones de desvío). Asegúrese de que haya un solo recuento, cada vez que el sifón libere agua. Si el sifón cuenta mal, consulte la sección de solución de problemas

Método uno: utilice un pluviómetro existente (de control)

Para que este método funcione, su embudo de sifón de campana debe estar en la misma área que el pluviómetro de control. Crea lluvia artificial sobre tu embudo de sifón y cuenta el número de lanzamientos con Python. Recoger toda el agua liberada por el sifón. en su pluviómetro de control. Después de aproximadamente 50 descargas (acciones de sifón), mida la lluvia en el pluviómetro de control

Sea R la precipitación media en mm por acción de sifón

R = (Precipitación total en el manómetro de control) / (Número de acciones de sifón)

Método dos: Pese su lluvia (necesitará una báscula electrónica)

Sea R la precipitación media en mm por acción de sifón

Sea W el peso del agua por acción de sifón en gramos o ml

Sea A el área de captación del embudo

R = (ancho x 1000) / A

Para la calibración, use una jeringa para inyectar agua lentamente en el sifón de campana. Recoger el agua en un vaso de peso conocido. Continúe inyectando el agua hasta que el sifón se vacíe al menos 50 veces. Pesa el agua en el vaso. Calcule el peso promedio (W) del agua liberada cada vez que el sifón libera agua. Para mi diseño fue de aproximadamente 2,95 gramos (ml). Para mi embudo de 129 mm de diámetro y 64,5 mm de radio

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

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

R = 0,21676

Si no tiene una balanza electrónica, puede usar una jeringa grande (60 ml / gramo). Solo cuente el número de descargas de agua del sifón

W = (Volumen de la jeringa en mm) / (Número de descargas de agua del sifón)

Actualice la aplicación Python con el nuevo valor R.

El sifón de campana (mi diseño) tarda aproximadamente 1 segundo en liberar toda el agua. Como regla general, también se liberará el agua que ingrese al sifón durante la descarga. Esto puede afectar la linealidad de las mediciones durante las lluvias intensas. Un mejor modelo estadístico puede mejorar las estimaciones.

Paso 6: Ve al campo

Coloque su sifón de campana ensamblado y su embudo en una carcasa adecuada. Usé una tubería de PVC de 110 mm. También asegúrese de que su raspberry pi conectado esté en una carcasa impermeable. Mi PI se alimenta con un banco de energía para fines de demostración, pero se debe usar una fuente de alimentación externa o un sistema solar adecuados.

Usé VNC para conectarme al PI a través de mi tableta. Esto significa que puedo monitorear la lluvia en mi instalación desde cualquier lugar.

Cree lluvia artificial y vea cómo funciona el sensor.

Paso 7: solución de problemas

1) Problema: si cuento los lanzamientos de sifón con la aplicación Python, la aplicación cuenta lanzamientos adicionales.

Consejo: sus sondas en el sifón de campana pueden estar demasiado cerradas y una gota de agua está atascada entre ellas.

2) Problema: El agua gotea a través del sifón.

Consejo: se trata de un error de diseño. Mejora el diseño. El radio de salida del sifón probablemente sea demasiado grande. Un poco de ayuda de un científico puede ayudar. Si diseñó su propio sifón de campana, pruebe el que le proporcioné. También puede conectar un tubo de pecera corto (15 cm) a la salida del sifón para mejorar la "fuerza de arrastre" del disparador.

3) Problema: Las sondas no captan todos los disparos del sifón.

Consejo: limpie sus sondas con un bastoncillo para el oído. Verifique todas las conexiones de cables. Puede haber pegamento en sus sondas. retírelo con una lima de precisión fina.

4) Problema: todas las descargas de mi sifón se cuentan correctamente, pero la estimación de la lluvia es incorrecta.

Consejo: debe volver a calibrar su sensor. Si tiene subestimaciones, es necesario aumentar r (precipitación por acción de sifón).

Paso 8: Pruebas y mejoras futuras

1. Chapa de oro las sondas (arandelas). Esto ayudará nuevamente a la posible corrosión.
2. Reemplace las sondas con un diodo láser y una fotorresistencia.
3. Mejorar el modelo de estimación. El modelo lineal simple puede no ser adecuado en caso de lluvia intensa.
4. Se puede agregar un segundo sifón de campana más grande debajo (en la salida) del primero para medir la lluvia de alta densidad.
5. Para una GUI, sugiero Caynne IOT.

Nota: Se publica una mejora importante. Ver el pluviómetro PiSiphon