PLUVIOMETRO DIGITALE AUTOCOSTRUITO

Linee Guida per la Costruzione di un Pluviometro a Vaschetta Basculante e Circuito Elettronico di Misurazione…

 

 

 
 



 

INTRO

Un pluviometro è uno strumento in grado di misurare la quantità di pioggia caduta in un certo periodo deciso dall’operatore, ad esempio un giorno. I pluviometri a vaschetta basculante usano una vaschetta divisa in due alloggiamenti con un perno centrale, dove è proprio la divisione tra le due zone. Il pluviometro fa si che si riempia una zona della vaschetta alla volta, e quando questa è piena si sposta il punto di equilibrio e quindi la zona piena si svuota e si mette in posizione di riempimento l’altra zona. Un semplice schema è il seguente:

L’imbuto convoglia semplicemente l’acqua e permette il riempimento di una delle due zone della vaschetta basculante (basculante perché oscilla in due posizioni intorno al perno). Quando la zona che si sta riempiendo raggiunge una quantità di acqua tale che la forza gravitazionale dell’acqua supera la forza che tiene ferma la vaschetta questa cambierà stato e farà si che si riempia la zona due e così via.

Conoscendo l’esatta quantità di acqua necessaria alla commutazione della posizione e la dimensione dell’imbuto sovrastante, oltre al numero di commutazioni fatte dalla vaschetta è possibile conoscere la quantità di pioggia caduta misurata in millimetri (1mm di pioggia equivale ad 1 litro di acqua caduto su una superficie di 1 metro quadro).

Per misurare il movimento della vaschetta basculante è possibile inserire un interruttore finecorsa dove la vaschetta poggia, ovvero sulle viti di regolazione, oppure inserire una calamita in una zona della vaschetta e un sensore di Hall in modo tale da capire quando la vaschetta si è mossa, oppure, soluzione usata in questo caso, usare un LED infrarosso e un fotodiodo infrarosso e posizionarli in modo tale che quando si riempie la zona 1 il raggio infrarosso non è interrotto dalla vaschetta mentre quando si riempie la zona due tra il Led e il fotodiodo vi sia la vaschetta interrompendo il segnale.

In questo articolo ogni parte del pluviometro è stato autocostruito, alcune parti come l’imbuto si possono già comprare oppure si può realizzare il tutto con una stampante 3D, in rete vi sono vari modelli facili da scaricare e solo da stampare. Per la versione completamente autocostruita avremo bisogno di:

  • Buona manualità e inventiva
  • Taglierino, forbice, righello, spillatrice, pennarello indelebile, pinza e qualsiasi attrezzo utile
  • Pistola di colla al caldo e supercolla tipo attak
  • Lamierini riciclati da lattine
  • Pezzi di plexiglass o compensato (una quantità minore di metà foglio A4)
  • Bulloncini e dadi
  • Alcuni componenti elettrici (LED IR, fotodiodo, resistenze, condensatori e un transistor bjt)
  • Filo elettrico

Potrebbe servire qualcos’altro nel corso della costruzione ma gli elementi principali li ho già citati.

 



 
LA COSTRUZIONE

Prima di tutto bisogna creare una vaschetta basculante e l’imbuto. L’imbuto non deve avere una dimensione precisa, più grande è la sua apertura meglio è, mentre dall’altro lato l’apertura deve essere molto piccola. Io ne ho realizzato uno usando una lattina da mezzo litro, poi mi sono accorto che era molto piccolo e l’ho rifatto con diametro di 11cm. Per la vaschetta basculante usate un rettangolo di circa 8cm per 4 e piegatelo ad “U”, dopo di che tagliate un pezzettino con forma sempre ad “U” che comporrà il divisore della vaschetta:

Dopo di che inserite il divisore perfettamente nella metà e incollatelo con la colla al caldo, facendo in modo che le due zone siano isolate e non vi possi acqua. Dopo di che tagliate due pezzi di plexiglass di circa 7cm per 2-3cm e attaccate al centro della vaschetta basculante un chiodo sottile come nella foto:

Praticate nel plexiglass all’altezza di circa 2.5cm un buco e una scanalatura, in modo tale da poter infilare il perno della vaschetta basculante e in modo tale che esso alloggi senza troppi spostamenti laterali. Questi due pezzi di plexiglas devono essere incollati su una base di circa 11cm per 3cm e devono essere perpendicolari alla base, facendo attenzione che le scanalature siano dallo stesso lato. Inoltre devono essere ad una distanza l’uno dall’altro tale che sia possibile inserire la vaschetta basculante e non abbia più di 0.5cm di gioco. Incollare poi l’imbuto su questa struttura facendo attenzione che il foro di uscita combaci perfettamente con il centro della vaschetta basculante.

Ora   bisogna creare il sistema di regolazione incollando con la supercolla insieme 4 dadi per bullone insieme a 2 a 2, facendo si che poi sia possibile avvitare il bullone. Inoltre bisogna creare dei gancetti in modo tale da bloccare il perno della vaschetta basculante. I ganci vanno incollati in modo tale da bloccare il perno mentre i bulloncini coi dadi vanno incollati da una distanza di 1cm circa dal centro del sistema, ovvero il buco praticato sul pezzo di plexiglass laterale. In foto si comprende meglio come fare il tutto:


Ora che è tutto montato non rimane che praticare i due buchi, uno per il Led infrarosso e uno per il fotodiodo è questo foro deve essere fatto in una posizione sui sostegni laterali, in modo tale che se quando la vaschetta è in posizione di riposo con la zona uno verso l’alto sia possibile vedere attraverso il foro, mentre quando la vaschetta è in posizione opposta non è possibile vedere, ovvero il raggio infrarosso è interrotto dalla vaschetta.

Visto le dimensioni piccole del sistema potete usare del nastro isolante nero per coprire parte del raggio in ogni caso far si che la vaschetta copra solo parte del raggio o no.

Praticate i buchi nei sostegni laterali, inserite Led e fotodiodo e con la colla al caldo bloccare questi due elementi. Saldare lo schema e metterlo sulla base, in una posizione in cui non crei fastidio (state attenti anche a dove passano i cavi). Una volta posizionato coprire tutto il circuito con colla al caldo in modo tale che l’acqua non possa creare problemi. Coprite bene anche le saldature dei led per evitare che si ossidano.

Il pluviometro è quasi concluso. Però prima dell’operazione descritta in queste ultime righe di questo capitolo bisogna tararlo come descritto nel capitolo taratura.

La base deve essere messa su una zona in piano, non vi devono essere pendenze, inoltre il tutto va coperto per evitare che il vento sposti l’equilibrio, quindi ho usato un tubo di diametro 10cm, facendo attenzione che il pluviometro poggi sulla base e non sul tubo. Per fare ciò il tubo è leggermente più corto ed è incollato all’imbuto e alla base.

 

SCHEMA ELETTRICO

Lo schema elettrico è molto semplice ed è il seguente:

Il LED infrarosso è alimentato direttamente dalla tensione di alimentazione che può andare da 5v fino a 12V grazie ad un resistore di protezione da 10 Kohm. Il fotodiodo è eccitato dal resistore R2 e quando riceve la luce infrarossa genera una corrente che fa si che sulla base di Q1 vi sia una tensione inferiore a inferiore a VCC-0.7 e quindi Q1 è acceso e la tensione di uscita è 5V o 12V. Quando il raggio infrarosso è interrotto dalla vaschetta allora nel fotodiodo non scorre corrente, la base è ad una tensione pari a VCC, il transistor è spento e quindi la tensione di uscita è 0V.

Quando la vaschetta basculante cambia posizione vi sarà un fronte di salita o discesa del segnale di uscita, quindi contando i fronti posso sapere quanti movimenti ha fatto la vaschetta.

Prima di incapsulare tutto nella colla al caldo controllare che il circuito funzioni; in alcuni casi è necessario ridurre R1 a valori di 8.2K, 5.6K o anche 4.7K in base al fotodiodo usato o al Led infrarosso usato.

 

TARATURA

La taratura è molto semplice. Bisogna usare un bicchiere graduato e misurare una precisa quantità di acqua da versare nell’imbuto e contare quanti cambi di posizione fa la vaschetta basculante. Ad esempio io ho usato 200ml di acqua e li ho versati piano piano nell’imbuto, contando quanti movimenti facesse la vaschetta. Nel mio caso con 200ml effettuava 72 movimenti circa. Se questo numero nel vostro caso è molto minore dovete alzare i bulloncini di egual giri fino a raggiungere circa 70 oscillazioni con 200ml. Questo ovviamente con un cono di 11cm di diametro, se il cono è più grande di 11cm possono bastare anche meno oscillazioni, se è più piccolo più oscillazioni è meglio perché da una misura più precisa.

Questo numero ci serve a capire la capienza media delle due zone, nel mio caso 200ml/72=2.77ml circa. Per sicurezza fate varie misure e poi fate una media tra i valori ottenuti. Un’altra soluzione è quella di mettere acqua nelle due zone della vaschetta con una siringa fino a capire quanta acqua serve per la commutazione.

Le equazioni sono le seguenti:

Quindi se il microcontrollore conta 7 fronti di salita vuol dire che ci sono stati 2mm di pioggia. 1 singolo fronte sono 0.29mm di pioggia che tra l’altro è l’errore massimo di questo sistema. Se si sono problemi in questi calcolo fornite nei commenti il numero di variazioni con una data quantità di acqua (200ml) e il diametro dell’imbuto.
 

 



 

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