Heute möchte ich von meinem letzten Projekt berichten: Zunächst war es „nur“ eine Regenmessung, dann ist noch ein Windmesser hinzugekommen. Das fertige „Produkt“ zeigt Bild 1 und das Gehäuse mit der Elektronik und der Anzeige Bild 2. Das Gehäuse befindet sich im überdachten Teil unserer Dachterrasse.
Begonnen hat alles am 12. Mai dieses Jahres, als mein Thüringer Kumpel als nächstes Projekt eine Regenmessung vorschlug. Zunächst musste ich herausbekommen, wie so eine ständige Regenmessung funktioniert. Zum Glück gibt es so etwas auch zu kaufen und ich lernte das Prinzip der „Regenwippe“: Aus einem Trichter läuft der Regen auf den hochstehenden Teil einer Wippe (Bild 3 - Vorversion). Füllt sich dieser, klappt die Wippe irgendwann um und nun füllt sich der andere Teil, der ja jetzt hochsteht. Somit klappt bei Regen die Wippe ständig hin und her. An der Wippe selbst ist ein kleiner aber starker Neodym-Magnet befestigt und in einer Halterung ein Hallsensor (hat nichts mit Tönen zu tun, der Name stammt von dem Entdecker dieses Effekts), der das Magnetfeld erkennt. Ist der Bereich mit dem Magneten „unten“, dann registriert der Sensor ein Magnetfeld, ist der Magnet „oben“, keines.
Dann ist noch etwas Mathematik gefragt. Die Fläche des Trichters muss auf einen Quadratmeter hochgerechnet werden. Auch muss man den Regeninhalt der Wippe ermitteln, der diese umklappen lässt. Hierfür ist Geduld gefragt. Aber ich habe das Ganze so programmiert, dass diese Messungen mit der Elektronik vorgenommen werden können. Die hat für Regen und Wind eigene Kalibrierfunktionen.
Die Messung der Regenmenge erfolgt in einem 10-Minuten-Intervall. Während dieser Zeit wird die Anzahl der Wippenbewegungen gezählt und daraus die Regenmenge pro Quadratmeter berechnet. Zudem wird noch ein Stundenwert und einer der letzten 24 Stunden berechnet.
Und nun zur Wippe selbst. Das klingt so einfach, war es aber nicht. Als besondere Herausforderung stellte sich die Bestimmung des Drehpunktes der Wippe heraus. Ich glaube, ich habe über 20 Wippen konstruiert und gedruckt, bis ich endlich ein gutes Ergebnis erzielt hatte.
Nicht verheimlichen möchte ich, dass ich zunächst mit einer Lichtschranke gearbeitet habe. Aber im Außenbereich besteht die Gefahr der Verschmutzung und zudem war die verbaute LED so hell, dass ich nachts nicht nur einen Regenmesser sondern dazu noch eine Außenleuchte hatte. Später stellte ich dann auf den Hallsensor um.
Zunächst hatte ich alles mit PLA gedruckt, aber dieses Material ist für den Außenbereich nicht so gut geeignet, da es bei Temperaturen über 50°C schnell weich wird. Bei direkter Sonneneinstrahlung besteht aber die Gefahr, dass die Temperaturen dies überschreiten. Letztlich habe ich alles mit PETG gedruckt, was auch einfacher klingt, als es war.
Als alles funktionierte, nahm ich den Windmesser in Angriff. Bild 4 zeigt einige Teile von ihm. Hier ist die Leichtgängigkeit des Kugellagers von entscheidender Bedeutung. Ich kaufte bei Amazon 20 Stück (weniger gab es nicht) für knapp € 9,--. Mit ihnen hätte es schon einen ziemlich Sturm gebraucht, um die Schaufeln zu drehen. Mein Thüringer Kumpel schickte mir 2 leichtgängige von seiner Firma. Von ihnen kostet ein Stück über € 20,--. Und das merkt man: Jetzt dreht sich die Schaufel bereits bei Windstärke 1.
Auch beim Windmesser ist ein Hallsensor im feststehenden Fuß verbaut. Auf der Kappe, die sich dreht wieder Magnete. Dabei erzeugt eine Drehung der Kappe zwei Impulse. Auf Bild 1 sieht man, dass ich mehrere Magnete hintereinander verbaut habe, um so ein stärkeres Magnetfeld zu erzeugen.
Ein ehemaliger Arbeitskollege riet, den Windmesser exakt senkrecht auszurichten. Wieder bei Amazon fand ich diesen (Bild 4) Wasserwaagenwürfel, der eine Justierung aller 3 Achsen ermöglicht. Eigentlich gedacht ist er für den Blitzschuh eines Fotoapparates (für alle, die nur mit ihren Smartphones fotografieren und nicht wissen, was das ist: Damit hat man früher Fotos gemacht!) gedacht. Ich habe ihn in dem Fuß des Regenmessers verbaut.
Während die Regenmessung in einem 10-Minuten-Intervall gemessen wird, werden für die Ermittlung der Windgeschwindigkeit nur 1,5 Sekunden benötigt. Diesen Wert nenne ich den „aktuellen Windwert“ innerhalb von 1,5 Sekunden. Diese Werte werden jedoch zusätzlich über 10 Minuten bemittelt.
Nicht verschweigen möchte ich, dass die Wippenbewegungen programmseitig nur einfach gelesen werden, die Impulse der Windmessung jedoch über einen Interrupt.
Eine weitere Herausforderung war die Kalibrierung des Windmessers. Welcher Windgeschwindigkeit entsprechen also z.B. 20 Impulse (nenne ich auch „Hits“) in 1,5 Sekunden? Hierüber grübelte ich länger nach und fand auch im Internet dazu nichts. Schließlich kaufte ich ein Hand-Anemometer und benutzte meinen Haartrockner. Ich ermittelte, dass er eine Windgeschwindigkeit von gut 8 km/h in ca. 30 cm Abstand erzeugt (ja, ich schwöre schon seit zig Jahren auf die Haartrockner der Schweizer Firma Valera.). Danach maß ich die Anzahl der Hits meines Windmessers und konnte ihn so kalibrieren. Jetzt in der Praxis glaube ich, dass diese Kalibrierung schon ganz gut gelungen ist. Wenn demnächst mal stärkerer und insbesondere stabiler Wind herrscht, werde ich das nochmals überprüfen.
Und nun zu den Anzeigen. Diese wechseln in einem Rhythmus von 10 Sekunden und zeigen abwechselnd
Bild 5: In der oberen Zeile die Restlaufzeit bis zum Ende des zehnminütigen Messintervalls für den Regen und die Anzahl der Wippenbewegungen seit Beginn der Messung. In den Zeilen 2-4 wird die Regenmenge der letzten 10 Minuten, der letzten Stunde und der letzten 24 Stunden angezeigt.
Bild 6 zeigt, zu welchem Datum und Uhrzeit die letzte
Bewegung der Wippe war.
Bild 7 zeigt die Windmessung des letzten 1,5-Sekunden-Intervalls. Angezeigt
werden km/h, m/s und der entsprechende Wert in Beaufort.
Bild 8 zeigt die gleichen Werte, jedoch gemittelt auf die letzten 10 Minuten.
Ist damit nun genug? Nein, zusätzlich werden die Werte für Regen und Wind noch alle 10 Minuten zu ThingSpeak übertragen und sind dort grafisch abrufbar. Dies zeigen die Bilder 9 und 10.
Es war ein schönes Projekt, das alles in allem etwas über 2 Monate für die Realisierung brauchte. Ob ich STL-Dateien für den 3D-Druck und den Programmcode veröffentlichen werde, weiß ich zurzeit noch nicht.
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