The Making Of: Een Mini Sprinkler Meting (groep 12)

Groep 12

Noortje Romeijn 4651464

Milton Fox 4652622

Deze Instructable is geschreven door Milton Fox (student Maritieme Techniek, TU Delft) en Noortje Romeijn (studente Civiele Techniek, TU Delft). Allebei volgen we de civiele minor 'De delta denker, water voor later'. Het vak 'CT3412-16 Meten aan water' is onderdeel van deze minor. Voor dit vak kregen wij de opdracht een meetapparaat te ontwikkelen dat met behulp van een of meerdere sensors een fenomeen uit de water-wereld kan meten.

Wij hebben gekozen om een meetapparaat te ontwikkelen dat de infiltratiesnelheid kan bepalen. Dit is de snelheid waarmee water in de grond infiltreert. Ons meetapparaat is gebaseerd op een bestaande methode: de sprinkler-meting. De sprinkler-meting worden uitgevoerd op speciale proefgebiedjes met een grootte van enkele tientallen vierkante meters. Met behulp van sprinklers wordt een bepaalde neerslag gesimuleerd. Het proefgebiedje heeft een kleine helling waarlangs het niet-geïnfiltreerde water afstroomt. Dit water wordt opgevangen in een goot. De afvoer in de goot wordt doorlopend gemeten.

Ons ontwikkelde meetapparaat bestaat uit een kleine bak met een gootje. In de bak wordt grond onder een schuine helling geplaatst. Regen wordt gesimuleerd met een tuinslang met een sproeikop. In de grond staat een regenmeter die de regenintensiteit bepaald. Onder het gootje staat een afvoermeter die de afvoer bepaald. Zowel de regenmeter en de afvoermeter werken met behulp van een druksensor. De infiltratiesnelheid kan bepaald worden met de volgende formule: (regenintensiteit - afvoer)/oppervlakte van de grond. Voor een uitgebreidere uitleg van de werking van het meetapparaat wordt verwezen naar ons eindverslag 'Meten van de infiltratiesnelheid'.

Hieronder zal in 8 stappen beschreven worden hoe ons meetapparaat kan worden gemaakt. Het eindresultaat is te zien in de bijgevoegde afbeelding.

Materiaal:

• Emmer gevuld met water;
• Voltmeter met snoer;
• 2 druksensors;
• 2 stekkers voor stroomvoorziening;
• 2 stopcontacten;
• 'Kastje' (om sensors te kalibreren en voor stroomvoorziening sensors);
• Breadboard;
• Particle Photon;
• Laptop;
• Powerbank;
• Micro-USB kabel;
• Breadboard draden;
• 2 snoertjes die het 'kastje' met het breadboard kunnen verbinden;
• Weerstanden;
  • 2 keer 3300 Ohm.
  • 2 keer 10000 Ohm.
• Mobiele telefoon;
• 2 houten kisten, +- 40 bij 40 cm;
• 2 houten balken, afmeting +- 4 cm bij 4 cm, 2 meter lang;
• 8 houten plankjes, +- 10 bij 10 cm (afhankelijk van grootte houten kist);
• Houten plankje, +- 10 bij 40 cm (afhankelijk van grootte houten kist);
• Kippengaas;
• Stuk katoen;
• PVC buis, diameter 75 mm, lengte 1 meter;
• PVC buis afsluiter, diameter 75 mm;
• Duct tape
• Grote waterfles met rechte wanden;
• 2 trechters;
• 2 buisjes, diameter 15 mm;
• Tuinslang;
• Sproeikop;
• Schroeven;
• Spijkers.

Gereedschap:

• Houtzaag;
• Hamer;
• Schroevendraaier;
• Boor;
• Lijmpistool;
• Nietpistool;
• Schaar.

Voor het verkrijgen van betrouwbare meetresultaten is het belangrijk dat er wordt gewerkt met goede druksensoren. Dit houdt in dat de druksensoren stabiel zijn bij verschillende waterdiepte. Zie het bijgevoegde plaatje van een druksensor. De stabiliteit van de druksensoren kan als volgt getest worden:

1. Verbind een druksensor, een stekker en de voltmeter aan één van de kastjes. Zie het tweede bijgevoegde plaatje voor hoe dit precies moet.
2. Doe de stekker in het stopcontact.
3. De voltmeter geeft nu een waarde aan. Check of deze waarde (ongeveer) stabiel is.
4. Duw de druksensor onder water in de emmer met water.
5. Check of het gemeten voltage verandert bij verschillende waterdiepten en of dat het gemeten voltage stabiel is bij verschillende waterdieptes.

Als de druksensor aan alle checks voldoet, kan deze worden toegepast. Herhaal de stappen met de tweede druksensor, de tweede stekker en het tweede kastje.

Stap 2 is het maken van het elektrische circuit op het breadboard.

1. Druk de Photon in het breadboard.
2. Verbind de Photon met een laptop of met een powerbank.
3. Maak de elektrische schakeling na die in het eerste bijgevoegde plaatje te zien is.

Enige uitleg over de elektrische schakeling is vereist.

De ene helft van het breadboard is bedoeld voor de bedrading van de afvoermeter en de andere helft voor de bedrading van de regenmeter. Twee weerstanden per meter zijn gebruikt zodat het voltage verschaalt kan worden. De Photon kan namelijk maximaal een voltage van 3.3 Volt aan. Zie het tweede bijgevoegde plaatje voor een schematische weergave van de schakeling die voor beide sensoren gemaakt moet worden.

De linker weerstand in het schema is in dit geval 3300 ohm en de rechter is 10000 ohm, maar dit kan vervangen worden voor andere weerstanden als je deze niet voor de hand hebt (Let op: de verhouding van de weerstanden zal de grootte van de metingen bepalen!).

Het voltage over de afvoermeter kan met behulp van een geschreven code (zie stap 5) of via een telefoon (zie stap 4) worden afgelezen bij pin A4 en het voltage over de regenmeter kan op de zelfde manier worden afgelezen bij pin A0. De Photon vervangt dus eigenlijk de voltmeter.

4. Koppel de voltmeter los van het 'kastje'.

5. Verbind het breadboard aan het 'kastje'.

Het elektrische circuit kan nu getest worden met behulp van een mobiele telefoon. Dit gaat met behulp van Tinker, een programma dat de Photon automatisch heeft.

1. Download de Particle app.
2. Verbind de Photon aan een laptop of powerbank zodat deze stroom heeft.
3. Verbind de Photon aan de app, volg hiervoor de stappen in de app.
4. Verbind de Photon met het internet, volg hiervoor opnieuw de stappen in de app. Als de Photon verbonden is, 'ademt' het controle lampje in het lichtblauw.
5. Bij 'Your Devices', klik op de zojuist verbonden Photon.
6. Klik nu op 'Tinker', de 'pin-layout' is nu zichtbaar. In het bijgevoegde plaatje is te zien hoe dit er ongeveer uit zou moeten zien.
7. Klik op A0 en A4.

Als het goed is zullen naast beide pinnen waardes verschijnen tussen de 0 en 4096. 4096 staat gelijk aan 3,3 Volt. De waardes hangen af van de onderwaterdiepte van de sensor. Dit kan worden gecontroleerd door beide sensors op verschillende waterdiepten te hangen en bij elke waterdiepte op A0 en A4 te klikken. Hoe dieper de sensor, hoe hoger het getal dat verschijnt.

Dan is het nu tijd voor het maken van de bak en de meters. Zie bijgevoegde afbeeldingen als ondersteuning bij de tekst.

De bak

1. Pak één van de twee houten kisten.
2. Verwijder de bodem.
   1. Zorg dat de kist zijn stevigheid behoudt. Voeg eventueel houten balkjes in de hoeken toe.
   2. Het is natuurlijk ook mogelijk om zelf van hout een kist zonder bodem te maken.
3. Zaag de PVC buis op maat zodat deze in de kist past en een stukje uitsteekt.
4. Zaag de PVC buis door de midden in langsrichting.
5. Zaag een gat in de kist zodat de PVC-buis hier doorheen kan en uitkomt buiten de kist.
6. Bevestig kippengaas over de gehele onderkant van de bak. Gebruik hiervoor kleine spijkertjes.
7. Span en bevestig het katoen over de gehele onderkant van de bak. Gebruik hiervoor wederom kleine spijkertjes of een nietpistool.
8. Bevestig een tweede laag kippengaas over de gehele onderkant van de bak.
9. Bevestig het gootje in de bak met behulp van een lijmpistool of waterdicht duct tape.
10. Bevestig het houten plankje (10 bij 40 cm) aan de onderkant van de kist, onder de goot. Dit geeft het geheel extra stevigheid.
11. Zaag de houtenbalken (4 bij 4 cm, 2 meter lang) in stukken van ongeveer 50 cm.
12. Bevestig de gezaagde balken onder elke hoek van de kist. Hiervoor kunnen schroeven gebruikt worden of een lijmpistool.
13. Verstevig het geheel door het aanbrengen van 2 houten plankjes (10 bij 10 cm) op elke hoek van de kist. De plankjes vormen een extra verbinding tussen de balken en de kist.
14. Zet de overgebleven houten kist onder de gemaakte bak.

De regenmeter

1. Pak één van de trechters.
2. Verbind één van de buisjes (diameter 15 mm) aan de onderkant van de trechter, met behulp van een lijmpistool en duct tape.
3. Maak een gaatje in het katoen dat bevestigd is aan de onderkant van de bak, zodat het buisje hierdoor kan worden gestoken.
4. Steek het buisje met trechter door het gat.
5. Zet de grote waterfles (met rechte wanden) op de houten kist onder de gemaakte bak en laat het buisje hierin uitkomen.
6. Pas de lengte van het buisje op zo'n manier aan dat het buisje een klein stukje boven de onderkant van de waterfles uitkomt. De regenmeter is nu klaar!

De afvoermeter

1. Pak de overgebleven trechter.
2. Verbind het overgebleven buisje (diameter 15 mm) aan de onderkant van de trechter, met behulp van een lijmpistool en duct tape.
3. Zaag het overgebleven deel van de PVC buis op maat (ongeveer 40 cm) zodat deze goed onder het gootje past.
4. Zet de PVC buis afsluiter op de onderkant van de PVC buis.
5. Plaats de PVC onder het gootje en doe het buisje met daarboven op de trechter erin.
6. Pas de lengte van het buisje op zo'n manier aan dat het buisje een klein stukje boven de onderkant van de PVC buis uitkomt. De afvoermeter is nu klaar!

Kopieer de onderstaande code of maak zelf een soortgelijke code.

1. int analogPin1 = A4;
2. // Afvoermeter int analogPin2 = A0;
3. // Regenmeter int delayTime = 1000; float oldVolume1 = 0.0;
4. // Afvoermeter float oldVolume2 = 0.0;
5. // Regenmeter float Data[10]={0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}; int t = 0; // qsort requires you to create a sort function int sort_desc(const void *cmp1, const void *cmp2) { // Need to cast the void * to int *
6. int a = *((int *)cmp1);
7. int b = *((int *)cmp2);
8. // The comparison
9. return a > b ? -1 : (a < b ? 1 : 0);
10. // A simpler, probably faster way:
11. //return b - a;
12. }
13. void setup() {
14. }
15. void loop() {
16. int measurement1 = analogRead(analogPin1);
17. float Volt_measurement1 = (float) measurement1 * 0.0008056641 * 13300 / 10000; //Volt
18. float Depth_measurement1 = Volt_measurement1 * 100; // millimeter
19. float Area1 = 3404.966521; // vierkante millimeter
20. float Volume_measurement1 = Depth_measurement1 * Area1; // kubieke millimeter
21. float dVolume1 = Volume_measurement1 - oldVolume1;
22. oldVolume1 = Volume_measurement1;
23. int measurement2 = analogRead(analogPin2);
24. float Volt_measurement2 = (float) measurement2 * 0.0008056641 * 13300 / 10000; // Volt
25. float Depth_measurement2 = Volt_measurement2 * 87.5; // millimeter
26. float Area2 = 3404.966521; // vierkante millimeter
27. float Volume_measurement2 = Depth_measurement2 * Area2; // kubieke millimeter
28. float dVolume2 = Volume_measurement2 - oldVolume2;
29. oldVolume2 = Volume_measurement2;
30. float Flow_rate = dVolume1 - 3.7427 * dVolume2; // we gaan ervanuit dat de regen ook in het gootje terecht komt.
31. float Infiltration_flowrate = (dVolume2 - Flow_rate) / 92182;
32. delay(delayTime);
33. Data[t] = Infiltration_flowrate;
34. t += 1;
35. if (t == 10){
36. // Number of items in the array
37. int Data_length = sizeof(Data) / sizeof(Data[0]);
38. // qsort - last parameter is a function pointer to the sort function
39. qsort(Data, Data_length, sizeof(Data[0]), sort_desc);
40. float median_Infiltration_flowrate = ((Data[4] + Data[5])/2);
41. Particle.publish("topic", String(median_Infiltration_flowrate,2));
42. // lt is now sorted
43. t = 0;
44. }
45. }

In deze code moeten enkele parameters aangepast worden aan jouw constructie. Dit zijn: de getallen in regel 18 en 25 die aangeven hoeveel de diepte verandert is als je 1 volt meer meet van je sensor, de grootte van het oppervlak van de grond (gezien van bovenaf) in regel 31, de grootte van het oppervlak van het gootje gedeeld door de grootte van het oppervlak van de trechter van de regenmeter in regel 30, de grootte van het oppervlak van jouw regenmeter in regel 26 en de grootte van het oppervlak van jouw afvoermeter in regel 19.

Verder moet je in regel 41 de naam die je bij het publiceren wil hebben staan, invoeren.

Als de code gemaakt is, moet je via ifttt.com inloggen en op 'create' klikken.
Hierna moet je bij ‘this’ je Particle Photon verbinden. Daarna moet je bij ‘that’ een document type kiezen om je data in te publiceren en ook kiezen hoe het gepubliceerd wordt.

Nu dat de constructie en de code gemaakt is en de sensoren getest zijn, is het mogelijk om de sensoren te bevestigen aan de constructie.

Hiervoor moeten de druksensoren onder in de afvoer- en regenmeter geplaatst worden. Als de sensoren niet goed blijven zitten, tape dan de kabeltjes vast aan de meter zodat deze niet weg glijden.

Als je een drukverschil meter gebruikt (zoals wij), tape dan ook het lucht buisje vast aan de constructie op een plek waar geen water zal komen. Als dit gedaan is, kan je de meetbuizen onder de constructie zetten zodat het water erin zal komen als je gaat testen.

Nu dat de sensoren vast zitten, moeten ze nog gekalibreerd worden.

Doe in eerste instantie een beetje water in beide buizen zodat de sensoren onder water staan.

Sluit de sensoren opnieuw aan op de voltmeter. Als de sensoren precies onderwater zitten zouden ze 0 Volt moeten aangeven. Als dit niet zo is, kalibreer dan het kastje van de sensor zo dat er wel 0 uitkomt of corrigeer in je code voor de startwaarde die je meet.

Je kan nu het geheel gaan testen.

Zorg dat je voor het beginnen met meten alvast water in de meetbuizen zet zodat de sensoren alvast in contact zijn met water, want het kan soms zijn dat er even lucht in de sensor blijft hangen en dit zal de meting verstoren.

Je kan nu je Particle Photon jouw code laten runnen en met de tuinslang neerslag simuleren in je bak. De meetgegevens zullen automatisch gepubliceerd worden.