Meten Aan Water - Penmann-Monteith

In het kader van het vak “Meten aan water” is er besloten een anemometer te maken.

Er is gekozen voor een molentje met drie windvangers die zijn gemonteerd aan een draaibare as. Door middel van een “hall sensor” worden het aantal rondes per minuut bepaalt. Een hall sensor wisselt na contact met een magnetisch veld van weerstandshoogte. Deze wisseling in weerstand wordt geregistreerd. Het aantal wisselingen per minuut geeft de RPM. Deze “Rounds Per Minute” kunnen worden geijkt aan een gemeten windsnelheid.

Door de windsnelheid te bepalen kan in de Penman-vergelijking de potentiele verdamping worden berekend. Hieronder volgt een omschrijving van de stappen die zijn doorlopen bij het maken van dit meetinstrument.

Om gebruik te kunnen maken van de Photon is het nodig om het programma Particle Dev te downloaden (www.particle.io). Deze software

geeft de mogelijkheid codes, en dus commands, te implementeren. Voor de basisinformatie over het opstarten en het gebruik van de Photon, zie eveneens www.particle.io.

De code die gebruikt moet worden is toegevoegd is te vinden in stap 5. Deze dient gekopieerd te worden in Particle Dev. Het enige wat moet worden aangepast aan de code is de regressievergelijking die wordt verkregen in stap 6 “ijk het meetinstrument”

Benodigdheden:

• - Hall effect sensor (gebruikt Unisonic U18)
• - Inhoud Particle Photon kit

De schakelaar moet als volgt in elkaar worden gezet:

De groene, rode en gele draad aan de bovenkant van de afbeelding zijn gekoppeld aan de hall sensor. De hall sensor is voor het gemak aan langere draadjes gesoldeerd. Dit vereenvoudigd de opstelling van de windmeter. Let goed op de functies van de 3 staafjes van de hall sensor! Output 1 moet worden gelinkt aan de + 3V3 spanningsbron, de tweede output aan de aarde (GND) en de derde moet worden verbonden aan de output (in ons geval A0). Als de Arduino-code uit stap 1 gebruikt wordt is het van belang ook A0 te gebruiken. Bij een verkeerde configuratie zal het apparaat niet werken.

Benodigdheden :

• - 3 lichte windvangers (cupjes)
• - 5 satéstokjes
• - 2 magneten
• - 1 pvc buisje
• - Duct tape

Boor aan het uiteinde van 3 satéstokjes een windvanger en plak deze vast met duct tape. Voor het tegengaan van rotatie van de windvangers is het nodig een verticale spalk te maken. Boor een deel van een satéstokje verticaal door de windvanger heen en bevestig deze aan het horizontale satéstokje. Plak de satéstokjes zodanig aan elkaar dat deze wieken een hoek van 120 graden met elkaar vormen. Plak nu de gestructureerde satéstokjes op de pvc buis.

Plak nu een magneet aan de weerszijden van de pvc-buis. Het is belangrijk dat aan één kant de positieve pool naar buiten wijst en aan de andere kant de negatieve pool. Dit van belang voor het gebruik van de hall sensor.

Benodigdheden:

• - Houten plank (30x30 cm) [1]
• - Een ijzeren staaf [2]
• - Kleine beugel [3]
• - Houten bevestiging (klein stukje hout is voldoende) [4]
• - Boor
• - Hamer
• - 4 kleine schroeven
• - Plakband

Boor met een breed boortje een gat in de houten plank. Zorg ervoor dat dit gat niet te breed is. Sla nu de ijzeren staaf [2] met een hamer in het houten onderstel (zie figuur 4). Zorg ervoor dat deze stevig vast zit.

Maak nu de houten bevestiging [4] vast aan het houten plaat d.m.v. de beugel [3]. Schroef deze beugel stevig vast. Hieraan kan de hall sensor vast geplakt worden door middel van plakband. Het is belangrijk dat de magneten die aan de pvc-buis vast zitten niet te ver van de hall sensor komen te roteren! Een afstand van enkele millimeters is optimaal. Hierna kan de roterende buis om de ijzeren staafje heen worden geplaatst en kan dus bij een windkracht gaan roteren.

Er kan gebruik worden gemaakt van een mobiele powerbank. Doordat deze de
Photon van stroom kan voorzien hoeft de laptop niet meer dicht bij de windmeter te staan.

Het programma dat op de Photon moet worden geladen kan worden gedownload via:

• Dropbox: https://www.dropbox.com/sh/s5b6la55m9jtez0/AABN33r...
• Github: https://github.com/ABvanderVeen/MetenAanWater/blob...

Dit programma moet worden geflashed naar de Photon. Hoe dit precies werkt kan worden gevonden op de website van Particle.

Het programma registreert aan de hand van het Hall Effect hoe het magnetisch veld veranderd door de roterende magneten langs de sensor. Zodra het effect van de magneten de weerstand in de sensor boven een bepaalde grens brengt registreert de software dit. De magneet met de inverse pool zorgt ervoor dat de sensor weer wordt 'gereset'. Aan de hand van de tijd tussen twee opeenvolgende keren dat het effect groter is dan een bepaalde grens kan de rotatietijd van een enkele rotatie worden uitgerekend. Zie ook bijgevoegde afbeelding.

Met de rotatietijd kan het aantal toeren worden bepaald. Dit gebeurd op 2 manieren.

• 60 seconden delen door de tijd van een enkele rotatie
• gedurende 60 seconden het aantal rotaties tellen.

Van beide manieren worden de bepaalde RPMs gepublished op het Particle.io Dashboard, maar omdat de tweede manier preciezer is wordt alleen deze gebruikt voor het bepalen van de windsnelheid.

Als laatste in het programma worden ook de windsnelheden omgerekend naar de bijbehorende schalen op de schaal van beaufort.

De code bevat verder ook aantekeningen om uit te leggen wat er op specifieke plekken gebeurd.

Benodigdheden:

• - Windmeter
• - Instelbare windbron
• - Microsoft Excel

Zorg dat er een instelbare windbron aanwezig is. In dit geval wordt er gebruik gemaakt van een ventilator met 3 standen. Door bij elk van deze standen de daadwerkelijke windsnelheid en toeren per minuut (RPM) van de zelfgemaakte windmeter te bepalen kan een vergelijking worden opgesteld waarmee met een bepaald RPM de windsnelheid kan worden berekent. Het aantal RPM dat word behaald kan worden afgelezen op de laptop doormiddel van de code in Particle Dev. De ijk-opstelling is te zien in de figuur.

De resultaten van onze ijking is te zien in de figuur. Door in Excel een grafiek te maken van deze waarden, en hier een lineaire trendlijn bij te maken, is de volgende regressievergelijking naar voren gekomen:

U = 0.0931*RPM+0.498

met Windsnelheid U en RPM het aantal toeren per minuut.

Resultaat

Het eindresultaat van de windmeter is zien in de afbeelding. De windmeter werkt volledig zelfstandig en plaatst, als er wind wordt gemeten, elke minuut een bericht op: https://twitter.com/Penmannetjee

Aanbevelingen

Initieel was de bedoeling van ons meetapparaat om de volledige formule van Penmann-Monteith te gebruiken om - min of meer continue - de potentiële verdamping te bepalen. Om dit te bereiken moet de meter worden uitgebreid om ook de netto straling, de temperatuur en luchtvochtigheid te meten.

Voor de temperatuur en luchtvochtigheid zijn sensoren beschikbaar die beide meten. Deze zouden relatief makkelijk te implementeren moeten zijn.

Netto straling is al een stuk lastiger, hiervoor zijn minimaal 3 sensoren voor nodig. Deze meten de:

• inkomende kortegolf straling
• inkomende langegolf straling
• uitgaande langegolf straling

waarbij de eerste twee richting de atmosfeer zijn gericht en de laatste richting de aarde. Het verschil tussen inkomende straling en uitgaande straling is de nettostraling.