مقياس المطر سيفون الجرس: 8 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

نسخة محسنة من هذا هو PiSiphon Rain Gauge

تقليديا يتم قياس هطول الأمطار بمقياس المطر اليدوي.

عادةً ما تستخدم محطات الطقس الآلية (بما في ذلك محطات الأرصاد الجوية الخاصة بإنترنت الأشياء) دلاء القلب أو أجهزة قياس الضغط الصوتية أو أجهزة قياس الليزر.

تحتوي الدلاء القلابة على أجزاء متحركة يمكن أن تسد. تمت معايرتها في المختبرات وقد لا يتم قياسها بشكل صحيح في عواصف الأمطار الغزيرة. قد تكافح أجهزة القياس لالتقاط قطرات صغيرة أو هطول الأمطار من الثلج أو الضباب. تتطلب أجهزة القياس أيضًا إلكترونيات معقدة وخوارزميات معالجة لتقدير أحجام القطرات والتمييز بين المطر والثلج والبرد.

اعتقدت أن مقياس Bell Siphon Rain قد يكون مفيدًا للتغلب على بعض المشكلات المذكورة أعلاه. يمكن بسهولة طباعة Bell Siphon على طابعة FDM ثلاثية الأبعاد عادية (الطابعات الرخيصة المزودة بأجهزة طرد ، مثل RipRaps و Prusas).

غالبًا ما تستخدم السيفون الجرس في نظام الأكوابونيك وخزانات الأسماك لتفريغ الخزانات تلقائيًا عندما يصل مستوى الماء إلى ارتفاع معين. يتم استخدام القوى الطبيعية فقط لتفريغ الخزان بسرعة نسبيًا. لا يحتوي السيفون على أجزاء متحركة.

يحتوي مقياس المطر السيفون الجرس على مجسين متصلين قريبين من بعضهما البعض (لكن لا يتلامسان مع بعضهما البعض) بمخرج السيفون الجرس. يتم توصيل الأطراف الأخرى من المجسات بدبابيس GPIO الخاصة بـ raspberry pi. سيكون أحد الدبوس هو دبوس الإخراج ، وسيكون الدبوس الآخر هو دبوس الإدخال. عندما يحتوي مقياس المطر على كمية معينة من الماء ، فإن القوى الطبيعية ستفرغ المقياس. سوف يتدفق الماء عبر المجسات عند مخرج سيفون الجرس وسيتم تسجيل ارتفاع على دبوس إدخال GPIO. سيسجل إجراء الشفط هذا ما يقرب من 2.95 جرام (مل) باستخدام تصميم السيفون الخاص بي. 2.8 جرام من الماء يساوي +/- 0.21676 مم مطر إذا تم استخدام مقياس المطر الخاص بي بقطر قمع يبلغ 129 ملم. بعد كل إجراء شفط (حدث إطلاق الماء) ، سيصبح دبوس الإدخال هو الناتج وسيصبح الإخراج مدخلاً لمنع التحليل الكهربائي المحتمل.

هدفي من هذا المشروع هو توفير جهاز استشعار يمكن استخدامه من قبل المصلحين لربطه بفتح محطات الطقس. تم اختبار هذا المستشعر على raspberry pi ، ولكن يجب أن تعمل وحدات التحكم الدقيقة الأخرى أيضًا.

للحصول على فهم أفضل لسيفون الجرس ، شاهد هذا

الخطوة 1: ما سوف تحتاجه

1. حبة توت العليق.
2. طابعة ثلاثية الأبعاد- (لطباعة سيفون الجرس. سأقدم تصميمي. يمكنك أيضًا نقله إلى خدمة طباعة)
3. قمع قياس المطر القديم (أو يمكنك طباعة واحد. سأقدم تصميمي.)
4. 2 X غسالات كمجسات (5x25x1.5 مم لتصميمي)
5. اللوح (اختياري للاختبار).
6. ستساعد بعض مهارات Python ، ولكن يتم توفير كل التعليمات البرمجية.
7. مقياس إلكتروني لضبط المعايرة. يمكن أيضًا استخدام حقنة كبيرة (60 مل).
8. غلاف مقاوم للماء لقرى التوت.
9. صمغ ممتاز
10. 2 صداري من جلد التمساح و 2 ذكر للسيدات
11. 110 ملم أنبوب بولي كلوريد الفينيل ، +/- 40 سم

الخطوة الثانية: تصميم السيفون الجرس وطباعته

إرفاق البحث عن تصميمي بتنسيق Autocad123D و STL. قد تتلاعب بالتصميم ، لكن تغيير التصميم قد يؤدي إلى تسريب سيفون جرس وغير وظيفي. تمت طباعة المنجم على XYZ DaVinci AIO. تم تضمين الدعامات بالفعل في التصميم ، لذلك قد لا تكون هناك حاجة إلى دعم إضافي. لقد اخترت قذائف سميكة ، 90 ٪ حشو ، ارتفاع مستوى 0.2 مم. يتم استخدام خيوط ABS لأن PLA سوف يتحلل في الخارج. بعد طباعة القمع ، ضع رذاذ أكريليك عليه لحمايته من العناصر. احتفظ برذاذ الأكريليك بعيدًا عن الجزء الداخلي من السيفون الجرس لأنه قد يمنع تدفق الماء في السيفون. لا تعطِ السيفون حمامًا من الأسيتون

لم أختبر طابعات الراتنج بعد. إذا كنت تستخدم الراتينج ، فأنت بحاجة إلى حماية الراتينج من أشعة الشمس لمنع تشوه السيفون.

(هذا التصميم هو تحسين للأصل: تاريخ الإصدار 27 يونيو 2019)

الخطوة 3: تجميع السيفون

ادرس الصور المرفقة. استخدم الغراء الفائق لربط جميع العناصر معًا. تذكر أن الغراء الفائق غير موصل ويجب أن تظل جميع نقاط الاتصال الخاصة بك خالية من الغراء الفائق. لقد استخدمت صداري التمساح لتوصيل المجسات (الغسالات) بعبارات الذكور والإناث على باي التوت. يجب توصيل المجس الأول بـ GPIO 20 ، والآخر بـ 21. لا يلزم وجود مقاومات في هذه الدائرة. حاول أن تجعل ماء المسبار محكمًا عند استخدام الغراء الفائق. يمكن أن يساعد هلام السيليكون أيضًا.

لا تقم بعد بتغطية السيفون الخاص بك في أنبوب PVC 110 مم حتى الآن ، يجب اختباره أولاً.

الخطوة 4: اختبار المسبار

قم بإنشاء ملف "rain_log.txt" في دليلك حيث تريد حفظ كود python الخاص بك.

افتح Python IDE المفضل لديك واكتب الكود التالي فيه. احفظه كملف siphon_rain_gauge2.py. قم بتشغيل كود بيثون. أضف بعض المطر الاصطناعي إلى مسار التحويل. تأكد من وجود عدد واحد فقط ، في كل مرة يطلق فيها السيفون الماء. إذا كان Siphon يحسب بشكل خاطئ ، فراجع قسم استكشاف الأخطاء وإصلاحها.

# مقياس المطر Bell-Siphon

# تم تطويره بواسطة طباعة JJ Slabbert ("مقياس المطر Bell Siphon ينتظر بعض القطرات …") استيراد gpiozero وقت الاستيراد r = 0.21676 # هذا هو معدل هطول الأمطار الذي تمت معايرته لكل إجراء لتحرير السيفون. t = 0 #Total Rainfall f = open ("rain_log.txt"، "a +") n = 0 بينما صحيح: # بعد كل عملية شفط ، يجب أن يتناوب الدبوس 20 ، 21 لمنع التحليل الكهربائي المحتمل إذا كان 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 ("إجمالي سقوط المطر:" + str (float (t)) + " mm "+ localtime) f.write (str (t) +"، "+ localtime +" / n ") siphon.close () output.close () time.sleep (1.5)

الخطوة الخامسة: الحسابات والمعايرات

لماذا يتم قياس هطول الأمطار على أنها مسافة؟ ماذا يعني 1 ملم من المطر؟ إذا كان لديك مكعب بحجم 1000 مم × 1000 مم × 1000 مم أو 1 م × 1 م × 1 م ، فسيكون للمكعب عمق 1 مم من ماء المطر إذا تركته بالخارج عندما تمطر. إذا قمت بإفراغ هذا المطر في زجاجة 1 لتر ، فسوف تملأ الزجاجة بنسبة 100٪ وسوف يصل حجم الماء أيضًا إلى 1 كجم. مقاييس المطر المختلفة لها مناطق تجمع مختلفة.

أيضا ، 1 جرام من الماء العادي هو 1 مل.

إذا كنت تستخدم تصميماتي كما هي مرفقة ، فقد لا تكون هناك حاجة إلى المعايرة.

لمعايرة مقياس المطر الخاص بك ، يمكنك استخدام طريقتين. لكلتا الطريقتين ، استخدم تطبيق إرفاق بيثون (الخطوة السابقة) لحساب الإصدارات (إجراءات الاستحواذ). تأكد من وجود عدد واحد فقط ، في كل مرة يطلق فيها السيفون الماء. إذا كان Siphon يحسب بشكل خاطئ ، فراجع قسم استكشاف الأخطاء وإصلاحها

الطريقة الأولى: استخدم مقياس مطر موجود (تحكم)

لكي تنجح هذه الطريقة ، يجب أن يكون قمع السيفون الجرسي الخاص بك هو نفس منطقة مقياس مطر التحكم. اصنع مطرًا صناعيًا فوق قمع السيفون واحسب عدد الإصدارات باستخدام الثعبان. اجمع كل الماء المنبعث من السيفون. في مقياس المطر الخاص بك. بعد حوالي 50 إطلاقًا (إجراءات السيفون) ، قم بقياس هطول الأمطار في مقياس المطر للتحكم

لنفترض أن R هو متوسط هطول الأمطار بالملم في كل عملية شفط

R = (إجمالي هطول الأمطار في مقياس التحكم) / (عدد إجراءات السحب)

الطريقة الثانية: وزن هطول الأمطار (سوف تحتاج إلى ميزان إلكتروني)

لنفترض أن R هو متوسط هطول الأمطار بالملم في كل عملية شفط

دع W هو وزن الماء لكل عملية شفط بالجرام أو المليلتر

لنفترض أن منطقة تجمع القمع

R = (Wx1000) / أ

للمعايرة ، استخدم حقنة لحقن الماء ببطء في سيفون الجرس. التقط الماء في كوب بوزن معروف. استمر في حقن الماء حتى يفرغ السيفون نفسه 50 مرة على الأقل. وزن الماء في الكوب. احسب متوسط وزن الماء المنطلق في كل مرة يطلق فيها السيفون الماء. بالنسبة لتصميمي ، كان حوالي 2.95 جرام (مل). للقمع بقطر 129 ملم ونصف قطر 64.5 ملم

أ = بي * (64.5) ^ 2 = 13609.8108371

R = (2.95 * 1000) /13609.8108371

R = 0.21676

إذا لم يكن لديك ميزان إلكتروني ، يمكنك فقط استخدام حقنة كبيرة (60 مل / جرام). ما عليك سوى حساب عدد إطلاقات مياه السيفون

W = (حجم الحقنة بالملم) / (عدد إطلاقات ماء السيفون)

قم بتحديث تطبيق python بقيمة R الجديدة.

يستغرق Bell Siphon (تصميمي) حوالي ثانية واحدة لتحرير كل الماء. كقاعدة عامة ، سيتم أيضًا إطلاق الماء الذي يدخل السيفون أثناء الإطلاق. يمكن أن يؤثر ذلك على خطية القياسات أثناء هطول الأمطار الغزيرة. قد يؤدي النموذج الإحصائي الأفضل إلى تحسين التقديرات.

الخطوة 6: اذهب إلى الميدان

ضع السيفون المُجمَّع والقمع في غلاف مناسب. لقد استخدمت أنبوب PVC 110 ملم. تأكد أيضًا من أن raspberry pi المتصل في غلاف مقاوم للماء. يتم تشغيل My PI بواسطة بنك طاقة لغرض العرض ، ولكن يجب استخدام مصدر طاقة خارجي مناسب أو نظام شمسي.

لقد استخدمت VNC للاتصال بـ PI عبر الجهاز اللوحي. هذا يعني أنه يمكنني مراقبة هطول الأمطار عند التثبيت الخاص بي من أي مكان.

اصنع مطرًا صناعيًا وشاهد كيف يعمل المستشعر.

الخطوة 7: استكشاف الأخطاء وإصلاحها

1) المشكلة: إذا قمت بحساب إصدارات السيفون باستخدام تطبيق بيثون ، فإن التطبيق يحسب الإصدارات الإضافية.

نصيحة: قد يتم إغلاق مجساتك في السيفون الجرس وقطرة ماء عالقة بينهما.

2) المشكلة: الماء يقطر من خلال السيفون.

نصيحة: هذا خطأ في التصميم. تحسين التصميم. من المحتمل أن يكون نصف قطر مخرج السيفون كبيرًا. قد تساعد بعض المساعدة من العلماء. إذا قمت بتصميم سيفون الجرس الخاص بك ، فجرّب السيفون الذي قدمته. يمكنك أيضًا إرفاق أنبوب قصير (15 سم) لخزان الأسماك بمخرج السيفون لتحسين "قوة السحب" للإفراج.

3) المشكلة: لا تلتقط المجسات جميع إصدارات السيفون.

نصيحة: نظف مجساتك بعصا الأذن. تحقق من جميع توصيلات الكابلات. قد يكون هناك غراء على مجساتك. قم بإزالته بملف دقيق.

4) المشكلة: يتم حساب جميع إصدارات السيفون الخاصة بي بشكل صحيح ، لكن تقدير هطول الأمطار خاطئ.

نصيحة: أنت بحاجة إلى إعادة معايرة المستشعر. إذا كانت لديك تقديرات أقل من r (هطول الأمطار لكل إجراء شفط) فيجب زيادة.

الخطوة 8: التحسينات والاختبارات المستقبلية

1. لوحة الذهب المجسات (غسالات). هذا سوف يساعد مرة أخرى تآكل محتمل.
2. استبدل المجسات بصمام ثنائي ليزر ومقاوم ضوئي.
3. تحسين نموذج التقدير. قد لا يكون النموذج الخطي البسيط مناسبًا في حالة هطول الأمطار الغزيرة.
4. يمكن إضافة سيفون بيل ثاني أكبر تحت (عند المخرج) من السيفون الأول لقياس المطر عالي الكثافة.
5. بالنسبة إلى واجهة المستخدم الرسومية ، أقترح Caynne IOT.

ملاحظة: تم نشر تحسين كبير. انظر مقياس المطر PiSiphon