Regenmeter
Figuur 1. Dwarsdoorsnede van de meetsensor met een detail van de meetwip.
Dat het in Nederland vaak regent, is iedereen wel bekend Hoeveel het echter geregend heeft, is iets wat we vaak niet weten. Bij grote wolkbreuken wordt meestal in de krant wel verteld hoeveel water er naar beneden is gekomen, maar voor de amateurweerkundige is dit niet voldoende Hij wil natuurlijk zelf de hoeveelheid neerslag kunnen meten.
Hoeveel regen is eigenlijk te verwachten? Het K.N.M.I. was zo bereidwillig om ons daarop een antwoord te geven. Tijdens een herfstbui van enkele uren komt ongeveer 20...25 mm/m2 water naar beneden. Bij een wolkbreuk is dit al gauw 50.. ..60 mm/m2. Met onze regenmeter kunnen we de exakte hoeveelheid neerslag meten, tot op de millimeter nauwkeurig. De uitlezing van de regenmeter bestaat uit twee LED-display's. Wanneer het zo hard geregend heeft dat deze twee displays niet voldoende zijn om de hoeveelheid neerslag weer te geven, raden wij u aan om de regenmeter in de steek te laten en een boot op te zoeken. Het land is dan ondergelopen.
Neerslagsensor
Voordat we met de bouw van de elektronica kunnen beginnen, moet er eerst een hoeveelheid mechanisch werk verricht worden. De neerslag-sensor bestaat uit een soort wip met twee bakjes en een lichtsluis. Bij de bouw van de sensor moeten we zo nauwkeurig mogelijk te werk gaan. De uiteindelijke nauwkeurigheid van de regenmeter is namelijk afhankelijk van de nauwkeurigheid van deze sensor.
Figuur 1 laat het zij-aanzicht van de meetsensor zien. Het door de trechter opgevangen water komt terecht in een van de kamers van de meetwip. De hoeveelheid water in de kamer zal toenemen, totdat de wip omklapt door het gewicht van het water. De kamer loopt dan leeg en het uit de trechter komende water zal nu in de tweede kamer terecht komen totdat de hoeveelheid water de wip weer doet omklappen naar de andere kant. Telkens wanneer de wip omklapt, zal de lichtsluis (gevormd door Dl en Tl) een signaal afgeven, doch daarover later meer.
Om te beginnen moeten we een kunststof of metalen trechter hebben met een diameter van ongeveer 15 tot 20 cm. Wanneer we een dergelijke trechter niet kunnen krijgen, zullen we er zelf een moeten maken uit dun messingplaat. We moeten er voor zorgen dat de uitloop van de trechter een diameter heeft van niet meer dan 3 mm. Monteer de trechter vervolgens in een kastje of een buis zonder bodem.
Voor de meetwip hebben we een stuk messing U-profiel nodig dat 3 cm korter is dan de breedte van de behuizing. De exakte maat is afhankelijk van de diameter van de trechter. Precies in het midden van het U-profiel wordt een schotje gesoldeerd. Hierdoor is de wip in twee kamers verdeeld. Zorg er voor dat er geen water langs het scheidingsschot kan lopen. Precies onder het scheidingsschot wordt een stuk buis gesoldeerd waardoor een as gestoken wordt. Twee borgringen zorgen er voor dat de wip niet over de as heen en weer kan schuiven. Ongeveer 20 mm onder de wip wordt een messing strip van 10 x 5 mm gemonteerd. In de strip bevinden zich twee gaten voorzien van schroefdraad, voor de justeerschroeven. Tevens wordt op de strip de lichtsluis gemonteerd. De lichtsluis is gemaakt van een stuk kunststof en bevat een infrarooddiode en een fototransistor. Wie tot hier gekomen is, heeft het zwaarste stuk achter de rug. Nu komt het gemakkelijkste deel.
De elektronica
De lichtsluis bevat een infrarooddiode die als zender dienst doet. De stroom door de diode wordt door R1 op 2 mA begrensd (zie figuur 2). Wanneer licht op de fototransistor valt, gaat er een kollektorstroom van ongeveer 0,1 mA lopen. Hierdoor daalt de kollektorspanning tot bijna 0 V. Wanneer geen licht op de transistor valt (de wip zit tussen de lichtsluis), spert de transistor en is de spanning op de kol-lektor praktisch 12 V. Via een drie-aderige kabel wordt de lichtsluis met de rest van de elektronica verbonden. R3 en C3 werken eventuële stoorpulsen weg, zodat deze niet op de ingang van N1 terecht kunnen komen. Het van T1 afkomstige signaal wordt door N1 "gedigitaliseerd". Telkens wanneer de wip omklapt moet de teller een puls krijgen. Hiervoor wordt het signaal na NI opgesplitst. Het signaal gaat via het differentiërend netwerk C4/R4 naar N3. Tevens wordt het geïnverteerd door N2 en gaat dan via C5/R5 naar de andere ingang van N3. Een differentiërend netwerk maakt van een neergaande flank een korte puls. Op pen 12 van N3 verschijnt dus een puls bij elke neergaande flank van het door N1 geleverde signaal en op pen 13 van N3 verschijnt een puls bij elke opgaande flank (door de aanwezigheid van N2). Aan de uitgang van N3 komen deze pulsen als nette telpulsen tevoorschijn. In figuur 3 is het spanningsverloop op verschillende punten als funktie van de tijd te zien.
Figuur 2. De elektronica van de regenmeter.
Figuur 3. Spanningsverloop als funktie van de tijd op diverse punten van de schakeling. De nummers zijn terug te vinden in het schema.
De teller wordt gevormd door IC2. Dit IC bevat twee BCD-tellers. Bij elke telpuls wordt de tellerstand met een verhoogd. Wanneer het hoogste bit van teller B van hoog naar laag gaat, zal de tienteller (A) een verder tellen. IC3 en IC4 zetten de BCD-kode om naar een zevensegmentkode. Deze IC's zijn in staat direkt een LED-display te sturen. De weerstanden R7 ...R20 dienen voor de begrenzing van de LED-stroom. Ten slotte nog iets over het stroomverbruik. De schakeling verbruikt in het ongunstigste geval niet meer dan 300 mA. Een 7812 is dus ruimschoots voldoende om de schakeling te voorzien van een nette gelijkspanning.
Het gedeelte van de schakeling rond T1 verdient nog enige aandacht. Als de hoeveelheid infraroodlicht op T1 aan de lage kant is, bestaat de kans dat de kollektorspanning niet laag genoeg wordt. Met behulp van een meter met een hoge ingangsimpedantie (1 MΩ) kan de spanning op de kollektor van T1 gemeten worden. Wanneer IC1 een type van Motorola, RCA of National Semiconductor is, moet de spanning dalen tot beneden 4 V. Bij Fairchild-typen moet de spanning beneden de 3 V komen. Is dit niet het geval, dan moet R2 vergroot worden. Tevens is het mogelijk om in plaats van een BP103 een BP103B toe te passen. De B-uitvoering heeft namelijk een veel grotere versterking. Wordt de regenmeter in een signaalonvriendelijke omgeving gebruikt, dan is het raadzaam om R3 te vergroten tot 1 M. Dit voorkomt foutieve triggering van N1. Met de reset-knop kunnen we de meter na een dag regen weer op nul zetten.
De bouw van het elektronische gedeelte zal geen problemen opleveren. Onderdelen op de print solderen (zie figuur 4) en klaar is de regenmeter.
Figuur 4. Printlayout en komponentenopstelling van de regenmeter.
Om ruimte te besparen moeten de weerstanden R7 ... R20 vertikaal geplaatst worden.
| R1 | 470 Ω |
| R2,R4,R5 | 120 k |
| R3 | 100 k |
| R6 | 12 k |
| R7...R20 | 560 Ω |
| C1 | 220 µ/25 V |
| C2,C3 | 100 n |
| C4,C5 | 22 n |
| C6 | 10 µ/16 V |
| D1 | LD271H (infrarood-diode) |
| B1 | B80C1500 |
| T1 | BP103 of BP103B |
| IC1 | 4093 |
| IC2 | 4518 |
| IC3,IC4 | 4511 |
| IC5 | 7812 |
| LD1,LD2 | common cathode display, bijv. HP 7760 |
| S1 | drukschakelaar, 1 x maak |
| EPS 86068 |
Afregeling
Om te beginnen moeten we exakt het opvangoppervlak van de trechter weten. Bij een rechthoekige trechter is dit oppervlak:
A = lengte x breedte
Bij een ronde trechter is het oppervlak
Wanneer 10 mm regen valt, is de hoeveelheid water die door onze trechter wordt opgevangen:
1 cm x A (in cm2) = A cm3 = A ml
Wanneer we deze hoeveelheid water (gebruik een maatbeker of maatcilinder) in de trechter gieten, zal bij een goed afgeregelde meetsensor de teller op 10 staan.
Wanneer we bijvoorbeeld een meetwip hebben met kamers van 2 × 3 × 10 cm en een trechter met een doorsnede van 18 cm, dan is het oppervlak:
Bij deze trechter moeten we dus 255 ml water in de sensor gieten om de uitlezing op 10 te krijgen. Wanneer al het water in de sensor gegoten is, moet elke meetkamer zich vijf maal gevuld hebben en de wip is tien keer omgeklapt. Met de justeerschroeven kunnen we de kartelpunten zo instellen dat de wip precies tien keer omklapt.
Tenslotte plaatsen we de meetsensor in de tuin. Uiteraard op een plek waar de regen niet afgeschermd wordt door bijvoorbeeld bomen. Hopelijk voor u komt er daarna snel een regenbui van enige betekenis, hoewel het wat ons betreft nog wel even droog mag blijven.