Regenmeter

23-1-2021

Afgelopen weken ben ik regelmatig bezig geweest met het opzetten van een goed rekenkundig model om de hoeveelheid regen te verkrijgen in de regenmeter. Want dat is niet zomaar.

Het is niet alleen de temperatuur dat invloed heeft op de uiteindelijke regenwaarde, maar ook de luchtdruk.
Want de luchtdruk drukt ook op het rubber vel, zowel positief als negatief. En omdat het rubber elastisch is, is die invloed niet te negeren.

Ten eerste neem ik een ijkwaarde, voor zowel de druk als de temperatuur. Beide waarnemingen moet ik vergelijken met de ijkwaarden. Boven de ijkwaarden moet ik iets doen, maar onder de ijkwaarden moet ik hetzelfde doen, maar dan tegengesteld. Vandaat die ijkwaarden.

De ijktemperatuur en de ijkluchtdruk worden bepaald op het moment van het in elkaar zetten van de regenbeker. Die ijkwaarden zijn dan de waarden die er op dat moment heerst, dus als het rubber vel vlak en rekvrij ligt. Neutraal.

Er moet uiteindelijk een correctiefactor uitkomen, voor zowel de temperatuur als voor de luchtdruk. Dat kan niet gelijktijdig.
Wat ik nu doe is verschillende duurtesten maken met verschillende correctiefactoren. Eerst de ene op 0, en de andere bepalen. Als die goed lijkt, dan pas de eerste bepalen.
Het is dus steeds bepalen, doorrekenen, en opnieuw bepalen.

Uiteindelijk hoop ik een vlakke curve te krijgen bij welke temperatuur en luchtdruk dan ook, bij dezelfde hoeveelheid regen in de beker, dat nu nog 0 is.

3-1-2020

Ik heb er niks aan!! Getallen vliegen alle kanten op.

Het is wél duidelijk, dat de waarden erg afhankelijk zijn van de temperatuur. Want wat gebeurt er?

Als de onderruimte afkoelt, krimpt de lucht daarin. Hierdoor daalt de luchtdruk hierin, en geeft een lagere waarde aan, dus geeft ook minder hoeveelheid regen aan, terwijl de hoeveelheid regen gewoon hetzelfde is.

Dus ook andersom voor warmer worden.
Het enige dat ik kan doen is de temperatuur meenemen in de berekeningen.

En hier komt een stukje natuurkunde van héél vroeger om de hoek kijken. Maar ook hier hebben we internet voor, er is vanalles terug te vinden over gassen, druk, inhoud en temperatuur-invloeden.

Op de eerste plaats moet ik de temperatuur omzetten in kelvin, dus 273 er bij optellen. En hiermee ga ik dan verder aan de gang.

Zo iets dergelijks is er ook aan de hand met de druk in mBar.

Voor de liefhebber ga ik er verder op in:
Natuurkunde staat bol van allerlei wetjes. De wetten van Charles en Gay-Lussac zeggen, dat bij een zuiver gas het volume evenredig afneemt met de temperatuur, bij gelijke druk.
Andersom, dat de druk evenredig afneemt met de temperatuur bij gelijk volume.
Dat geldt ook voor toename van de temperatuur, waarbij evenredig toeneemt.
Neem hierbij wel de temperatuur in kelvin.
Dat houdt dus ook in, dat de respectivelijke volume en druk 0 (nul) worden bij het absolute nulpunt, dus bij 0 kelvin. (-273gr Celcius)
Je kunt dus voor je voorstelling een rechte lijn trekken vanuit het absolute nulpunt naar je waarden waarmee je werkt. En hier kan je dan makkelijk een formule aan hangen.
Er zit echter wel een addertje onder het gras: ik kan nooit één grootheid gelijk houden, ze bewegen beide mee, omdat het rubber vel ertussen zit.
Maar eerst eens duurtesten doen. Ik denk dat ik verhoudingsgewijze percentage kan toepassen voor de correctie door het rubber vel.
Ik verwacht nu niet veel problemen meer. Met de temperatuur blijf ik binnen een klein spectrum: van 0 - 50grCelcius, of te wel van 273 - 323 kelvin. Natuurlijk niet onder het vriespunt, want dan is het water ijs geworden, dus de regenmeter onbruikbaar.

Voor de drukmeting gebeurd iets soortgelijks. Hoe lager de luchtdruk, hoe minder effect het water boven het rubber heeft op de luchtdruk onder het vel, in mBar bedoel ik dan.
Eenzelfde hoeveelheid water in de regenbeker, dat bij 1000mBar 1020 weergeeft, maar bij 500mBar maar 510 weergeeft.
De reeds opgenomen waarnemingen door mij liggen tussen 960 en 1050mBar. In extreme situaties kan dat dus 10% schelen, dus fout meten.
Ook hier teken ik een rechte lijn vanuit het nulpunt (0 mBar) naar de waarden waarmee ik werk. Ook hier is in eenvoudige formules het verloop te berekenen. En hier heb ik gelukkig nog geen addertje onder het gras ontdekt.

24-12-2020

20 dagen later ben ik zo ver, dat de regenmeter weer buiten staat. Ik denk zelfs dat het nu goed moet zijn. Ik ben dus erg hoopvol.

Wat is er afgelopen 3 weken gebeurd?
Ik heb mijn zoon gebeld, of hij mij kan helpen. Gewoon even samen kletsen over dit probleem.
"Gewoon de boel onderdompelen, en kijken of er luchtbelletjes omhoog komen", net zoals je een fietsband nakijkt op lekken. Tja, erg simpel, bijna té simpel. Maar het werkte wel!
Toch weer de boel dicht kunnen krijgen met lijm.

En nu is'tie goed dicht. Geen lekkage meer.
Langdurige testen gaf mij het inzicht dat het nu goed zat.
De silicagel is waarschijnlijk niet de oorzaak. Dat zal verderop moeten blijken.
De invloed van temperatuur moet ook nog blijken.

Het programma van Arduino is uitvoerig getest op een simulator. Daarmee heb ik alle data-hobbels eruit kunnen halen. Het waren hoofdzakelijk verkeerd ingeschatte rekenfouten, maar ook wánner doe ik wát-fouten.
Heel veel nadenken dus, en maar testen.

En omdat ik procedures heb dat eens per uur, andere eens per dag uitvoer, en ik toch een simulator gebruikte, heb ik de uren wat korter gemaakt tot een half uurtje, en dagen van 3 uren. Hierdoor had ik in één nacht tijd 3 dagen doorlopen met de simulator, en kon ik het gehele regenproces in de tijd sneller volgen.

En nu lijkt het perfect, en de regenmeter staat nu in de regen te doen wat het moet doen.

4-12-2020

De regenmeter staat al 2 weken op mijn werktafel; die tijd ben ik bezig geweest met de acculader. Maar vandaag wilde ik even iets anders dan aculaders en schakelende voedingen.

Er komen allerlei rare data uit de regenmeter, waar ik helemaal niks aan heb.
Zo heb ik al het onderste deel vervangen, omdat ik dacht dat er ergens een luchtlekje moest zitten, want de data leek daar een beetje op.
Later had ik allerlei vreemde sprongen in mijn data, dat zou kunnen wijzen op rekenfouten met de data. Ja, want ik moet heel veel aan de data sleutelen (rekenen) om die data te krijgen die ik wil hebben. Dat zijn de hoeveelheid regen per 5 minuten, per uur en per dag. En dat allemaal met een regenbeker die leegloopt op de meest ongunstige momenten, namelijk tijdens de regen. Maar dit laatste wist ik, het kan ook niet anders, en daar had ik wel op ingezet. Maar het is steeds weer rekenen en onthouden (opslaan van tijdelijke data, zelfs bij herstart). 

Afgelopen 2 dagen waren de resultaten niet bevredigend. Op een gegeven moment, niet direct na het begin...., verliep de data weer zodanig, dat ik toch weer dacht aan een luchtlek. Zucht.... Maar ook de on-gelijkheid van de twee luchtdruksensoren zou een rol kunnen spelen. Ik wist het even niet meer.
Maar ook het idee van de lekkage kreeg weer vaste vorm.
Vanavond, toen ik in ruste was, (uhum...) bedacht ik dat misschien het siliconen rubbertje lucht zou kunnen doorlaten. Want ik weet niet hoe groot de moleculen zijn van siliconen. Misschien zouden luchtmoleculen wel eens dwars door het rubber kunnen gaan, en dan verlies je ook luchtdruk in het onderste deel.

Maar opeens had ik een idee: ik heb een droogkorrels-builtje onderin gelegd (cilicagel) om de electronica droog te houden, ook bij extreem koud weer. (condensvorming). En wat doet cilicagel? Juist, haalt het vocht uit de lucht!, En dus: wordt de samenstelling van de afgesloten lucht minder vol, zodat de luchtdruk moet dalen, en het siliconen rubber intrekt. En dit laatste zie je gewoon gebeuren. En dus geeft de druksensor minder druk aan. 
Maar het ergste hieraan is, dat er iets gebeurt waar ik geen vat op heb. 
Een temperatuursverloop, dat invloed heeft op de luchtdruk, daar kan ik nog iets mee, maar zoiets als vochtopname uit de opgesloten lucht niet.
Dus gaat morgen de cilicagel eruit.
Om zo droog mogelijke lucht onderin te krijgen, moet ik wachten op droog weer. Tenminste, voor de definitieve opstelling. Voor nu kan ik gewoon de kamerlucht gebruiken.

En zo ben ik weer even van de straat.

30-10-2020 Het display.

30-10-2020 In de tuin.

Weer een project geinstalleerd.

Op de linker foto is het boterbakje onder de struiken te zien. Dit is het tijdelijke onderkomen van de arduino.

Op de rechter foto is de oude regenmeter te zien die ook dient om de elektronische regenmeter te ijken. Vandaar dat ze dicht bij elkaar staan, dan zijn de condities hetzelfde.

29-10-2020 Het eindresultaat.

Ik waag me dan toch op het eindresultaat. De druk op het onderste deel blijft gelijk, is dus hoopgevend.

Verder is het "systeem" uitstekend. Met gemak haal ik een nauwkeurigheid van 0,1mm, extreem goed eigenlijk. Met dank aan Bosch, ontwikkelaar van de sensor, en de leverancier van het siliconenvel.
En het idee van mijzelf.

29-10-2020

Het resultaat is niet helemaal bevredigend. In eerste instantie verloor ik echt alle druk in het onderste deel, waardoor ik totaal géén waarden doorkreeg.
Dit heb ik dus weer moeten oplappen.
Een duurtest zal het resultaat moeten aantonen. Het is helaas nog geen Hoera.

27-10-2020

Het zit tóch een beetje tegen. De oude PVC lijm laat zich gelden; het onderste deel van de beker is niet 100% luchtdicht, en dat zie je aan het verloop van de waarden. Dit is niet meer te corrigeren, dus moeten die onderdelen worden vernieuwd. En gelijk even kijken voor iets beters. We zien wel.

24-10-2020

Na wat geknutsel is de regenmeter dan toch klaar.
De PVC lijm bleek uitgedroogd, waardoor een plastic aansluiting blijft lekken, maar niet meer uit elkaar kon. Heb ik wat nieuwe lijm ertussen laten lopen (waarvoor deze lijm eigenlijk niet geschikt is, maar je moet toch wát) en nu staat de regenmeter in de duurtest voor enkele dagen.

Weer wat plaatjes:

• De sensor in de beker.
• Het hevelpijpje gemonteerd.
• De proefopstelling van de elektronica.
• De duurproefopstelling.
• De uiteindelijke elektronica, met linksonder de sensor voor de luchtdruk, en net daarboven de connector voor de regensensor.

Én met deze duurtest kijk ik of alles waterdicht is. Ook niet onbelangrijk.

De duurtest:
Er zit wat water is, en nu moet de regenstand redelijk constant blijven, ongeacht het verloop van de luchtdruk. Want weet je nog: de druk van het water op de sensor verloopt ook mee met de luchtdruk. Door ook de luchtdruk afzonderlijk op een andere sensor te meten, compenseer ik de regenberekening.

 21-10-2020

Het is vandaag echt zo'n weer om binnen bezig te zijn; regenachtig en guur.

En daar maak ik gebruik van om, jawel, de regenmeter te gaan bouwen.

De elektronica en het programma zijn bijna perfect, goede resultaten in de regensimulatie. 

Maar dan nu toch echt de werkelijkheid.

Op de foto's van links naar rechts, van boven naar onder:

• De onderdelen die samengesteld moeten gaan worden. Duidelijk is te zien het siliconen velletje, waarop de ronding is afgetekent. Deze moet ik dus uitknippen.
• De samengestelde constructie. Nu nog met ijzeren bouten aan elkaar geschroefd. Die moeten nog vervangen worden door plastic op roestvrijstaal.
• Dan een kijkje in de samenstelling, waarin het siliconen vel is te zien.
• Het kabeltje moet zo strak mogelijk in de dop geplaatst worden, en dus precies uitgeboord.
• Maar ook het kabeltje zelf moet hermetisch dicht zijn. Hieronder een uitleg.
• Aan de binnekant van de dop de aansluitsteker voor het kleine printplaatje met luchtdruksensor.
• En een afbeelding hoe het kabeltje naar buiten is gebracht.

Op de foto links-onder zie je een zwart streepje op het kabeltje.
Nu moet je bedenken dat elk draadje, het zijn er hier vijf, bestaat uit isolatie buitenom met meerdere dunne draadjes van binnen. Maar omdat het kabeltje echt hermetisch afgesloten moet zijn, heb ik ter hoogte van het zwarte streepje de isolatie in de lengte doorgesneden. Ik laat dan heel dun vloeibare 3 seconden lijm in die spleet lopen, zodat de lijm tussen al die afzonderlijke dunne draadje komt te zitten. En hier maak ik bewust gebruik van de capillaire werking van dunne vloeistoffen. De draadjes zijn daardoor hermetich dicht gemaakt.

Wat is capillaire werking?

Wikipedia zegt hierover: Capillaire werking is het verschijnsel in de natuurkunde dat een vloeistof, bijvoorbeeld water, in een zeer fijn buisje stijgt, tegen de werking van de zwaartekracht in.

Ook voor de kabeldoorvoer in de dop gebruik ik het idee van de capillaire werking om deze zo luchtdicht mogelijk te krijgen.

Waarom dan die hermetische afsluiting?

Nou, gewoon, om te voorkomen dat de luchtdruk in dat deel  wegstroomt, en daardoor een foutieve meting wordt gedaan. Want alles draait op luchtdruk als meeteenheid.

Deze drie foto's:

• De dop heb ik tijdelijk vastgekit, om er eventueel nog wat aan te doen. Ik denk dan bijvoorbeeld aan de dop inkorten, zodat de ruimte onderin kleiner wordt. Hierdoor zal de druk dan sneller oplopen. Maar dat blijkt niet nodig.
• Hier zie je het pijpje dat de overloop moet vormen. Die heb ik op een heel ouderwetse manier 180 graden omgebogen door het met fijn zand te vullen. Hierdoor knikt het pijpje niet. 
  Het zand heb ik in een pannetje gedroogd en gezeefd.
  Voor het buigen heb ik het verwarmd met een föhn.
  
• In de keuken heb ik een testopstelling gemaakt.
  Met de kraan een heel klein stukje opengedraaid wordt telkens de beker gevuld. Na bijna vol, maar in ieder geval onder de trechter, wordt de beker automatisch leeggeheveld. Dat duurt ongeveer 80 seconden; niet gek.

Het resultaat zie je hier in grafiekjes.

• Het allereerste begin. Mooie oploop van de waterkolom in de beker. Rechte lijn in meer dan genoeg stappen.
• Daarna leegloop van de beker. Niet perfect, maar het begin is er. De lijn is te stijl alsof de meting wordt afgebroken (abrupt gestopt)
• Hier dan beter. De beker loopt rustig leeg, grafiek komt goed overeen met wat er gebeurt.
• Twee grafiekjes met vreemde resultaten. Een paar rare knikjes, en doorschieten onder nul.
• Als laatste een perfect verloop van de werkelijkheid. Wordt dus goed verwerkt.

En dat met steeds tussendoor analiseren wát er gebeurd, en daarnaar handelen, programma aanpassen.

Nu de beker optimaliseren en goed afwerken. Dan kan die naar buiten.

17-10-2020

Nu, een week later, is de regenmeter bijna klaar, althans, de software.
Het weer was er niet echt naar om erop uit te gaan, dus is er veel tijd besteed aan dit geknutsel op de computer.
Het resultaat is een naar grote tevredenheid werkend geheel. Met een regensimulator bepaal ik de hoeveelheid regen dat is gevallen. Ik ga kijken naar de hoeveelheid elke 5 minuten, elk uur en elke dag. Dit lijken mij zinvolle waarden.

De gevoeligheid en de stabiliteit van het programma ligt op ongeveer 0,1mm, en dat vind ik heel erg goed. Chappoo voor de fabrikant van de druksensoren!

De software is nog niet helemaal af, want opslag van de data op SD moet nog gemaakt worden, maar dat kan niet meer zoveel problemen opleveren. Want tonen op LCD is eigenlijk al een feit, althand de verzending van de data.
Het monitor-programma werkt er al wel op, maar het display moet ik nog programmeren. Ik denk dat is daar maar eens mee begin.

En daarna de hardware, de regenbeker.

10-10-2020

Vandaag maar eens een echt begin maken met de regenmeter.

Allereerst de elektronica.
Zoals eerder verteld gebruik ik twee barometers (elektronisch); één om de waterkolom te meten, de ander als referentie, die tevens de luchtdruk buiten meet, de meteorologische barometer.

4-10-2020.

Een terechte vraag van één van mijn trouwe volgers: hoe maak ik de beker leeg? En hoeveel kan erin?

Daar heb ik ook aan gedacht, maar was ik vergeten te vermelden.
Inderdaad met afhevelen. Een vast opgesteld afhevelbuisje wordt geplaatst net onder de onderste knik van de trechtervorm.
Bij hoog-water wordt de beker vanzelf afgehevelt.

Maar hoe zit het dan met de periode-watermeterwaarden? Zeg maar dagwaarden?
Het programma "ziet" wanneer er wordt afgeheveld. Het waterpeil direct daarvóór wordt onthouden, en daar wordt verder op doorgegaan.
Aangezien er elke minuut naar de waterstand wordt gekeken, is dit proces precies te volgen.
Ook hoeft de beker niet altijd helemaal leeg te zijn na het hevelen. Het restwater dat erin blijft, is mijn nieuwe referentiepunt, vanwaar ik verder ga.
Ook aan het begin van de dag hoeft de beker niet leeg te zijn. De waterhoogte van dat moment is mijn nieuwe beginstand. (refelentiepunt, zoals ik eerder vernoem)

Wat is de inhoud van de beker, is de tweede vraag.
Dat is niet belangrijk, al zou de beker drie keer per dag geleegd worden, zoals hierboven omschreven, wordt het proces nauwkeurig gevolgd.

 29-9-2020

Vandaag het echte begin van de regenmeter, want in mijn hooft was die al lang klaar.

Vanmorgen moest mijn auto in de APK, en ik wist dat daar heel erg in de buurt een groothandel anex heel erg gesorteerde winkel zat met allerlei mogelijke appendages; je kunt het niet zo gek bedenken, maar hij heeft het!

Op de foto de onderdelen van de regenmeter. Diverse PVC dingen waarmee de regenmeter moet worden samengesteld. Ook nog een siliconen velletje, dat ik in het begin van dit jaar al had gekregen van een bedrijf in allerhande siliconen.
Ja, en op de voorgrond dat héle kleine printplaatje, bij de onderste punt van het siliconenvelletje, het hart van de regenmeter, de druksensor, barometer zeg maar, dat mij moet vertellen hoeveel water er in de regenmeter staat.

Princiepe:
Hoe had ik het bedacht.
Ik neem een beker met een dubbele bodem. De bovenste bodem is dat siliconen velletje. Siliconen heeft de eigenschap zeer goed tegen allerlei invloeden van buitenaf te kunnen, is dus erg stabiel. Bovendien is het uitermate soepel en rekbaar. En dat is precies die eigenschappen die ik nodig heb.
Ik zei al, dubbele bodem. Het onderste gedeelte wil ik zo klein mogelijk houden. In die ruimte, dat 100% luchtdicht moet zijn, zit dat heel kleine printplaatje, dat uiterst nauwkeurig de luchtdruk meet.

Het regenwater dat in de beker terecht komt, drukt op het siliconevel, waardoor de luchtdruk in het onderste deel hoger wordt. Deze luchtdruk is een maat voor de hoeveelheid regenwater, in kolom-hoogte.

Nu zijn er een paar slimmigheidjes toegepast.

Maar de buitenluchtdruk drukt ook op het siliconen vel.
Ja, heb je helemaal gelijk in. Daarom plaats ik in de buitenlucht nog zo'n luchtdruksensor. (die ik overigens ook gebruik om de luchtdruk te meten van de atmosfeer). Het verschil van die twee sensoren is een direkte maat voor de hoeveelheid water in de beker.

Ook heb ik, zoals een gewone regenmeter die je overal kunt kopen, een trechter toegepast. Want bij een gewone regenmeter zijn de maarstrepen in milimeters weergegeven, maar die helemaal geen milimeters zijn. Dat komt door de trechtervorm bovenin de beker. Er wordt méér water opgevangen dan milimeters in de rest van de beker. En doordat ik meer waterkolom op mijn siliconen vel  heb staan, is de druk ook hoger, en kan ik nog nauwkeuriger meten.

Overigens heb ik berekend, dat ik tot op de milimeter nauwkeurig kan meten.