Regenmesser-Wippe

Medium · 1h · Günstig

Ziel & Lerninhalt

Baue einen klassischen Kipp-Wippen-Regenmesser: Eine ausbalancierte Wippe füllt sich tropfenweise, kippt bei genau definierter Wassermenge um – jeder 'Klick' entspricht einer exakten Niederschlagsmenge.

  • Bistabiles Kippverhalten am eigenen Bauwerk verstehen.
  • Impulse aus mechanischen Kontakten zählen und entprellen.
  • Aus 'Klicks pro Zeit' eine Niederschlagsmenge in mm berechnen.

Erklärung & Wissen

Basic

Bei einem Wipp-Regenmesser tropft das Wasser aus einem Trichter in eine kleine Wippe mit zwei Halbschalen. Eine Schale fängt Wasser – die andere wartet leer auf den Wechsel. Sobald genug Wasser drin ist, wird die volle Seite zu schwer, die Wippe kippt um, leert sich automatisch und schwenkt die andere Schale unter den Trichter. Bei jedem dieser 'Klicks' streift z.B. ein Magnet an einem Reed-Kontakt (oder unsere Büroklammer-Variante) vorbei und löst einen Impuls am Mainboard aus. Eine Klick-Zählung pro Minute liefert die Niederschlagsrate.

Medium

Die Genauigkeit lebt von zwei Dingen: einer exakten Wippen-Symmetrie (sonst füllt eine Seite schneller als die andere und der Trichterqürschnitt) sowie dem definierten Kippvolumen pro Halbschale. Übliche Profi-Geräte arbeiten mit 0,1 mm Regen pro Wippe; ein DIY-Aufbau aus zwei kleinen Joghurt-Deckeln liegt eher bei 0,5–1 mm pro Klick. Das Volumen pro Klick berechnest du über $V = A_{trichter} \cdot h$ – wenn dein Trichter z.B. 80 cm² Auffangfläche hat und du 4 ml pro Klick brauchst, entspricht 1 Klick 0,5 mm Regen. Im Code zählt ein Pin-Change-Interrupt die Flanken; gleichzeitig sperrt eine Deadtime von 150–200 ms das Mehrfach-Auslösen durch Prellen.

Expert

Im professionellen Einsatz ist die Wippe immer leicht gedämpft (z.B. magnetisch oder per Anschlagslippe), damit sie nach dem Kippen nicht zurückwippt und Geisterimpulse erzeugt. Außerdem verfälscht Wind die Messung – kommerzielle Geräte haben deshalb Windschutzkränze. Eine clevere Erweiterung: Zwei Reed-Kontakte links/rechts statt einem in der Mitte. Damit kennst du jederzeit die aktuelle Wippenstellung und kannst sogar 'Halbfüllungen' am Ende eines Regenfalls auf bessere Auflösung interpolieren. Datenqualitäts-Check: Aufkommen extrem schneller Klicks (>5 Hz) zeigt fast immer Prellen, nicht Starkregen.

Fun Fact

Die Wipp-Konstruktion ist verblüffend alt – sie wurde 1662 von Christopher Wren erfunden, dem Architekten der St. Paul's Cathedral in London. Sein Mechanismus war fast identisch zu modernen Sensoren.

Kippvolumen
Das Wasservolumen, das die Wippe zum Umkippen bringt — bestimmt die Auflösung des Sensors. Kippvolumen V [ml] × Messfläche A [cm²] = Niederschlagshöhe pro Klick [mm]. Beispiel: Trichter mit 80 cm² Öffnung, 4 ml pro Klick → 1 Klick = 0,5 mm Regen. Professionelle Geräte: 0,1 mm/Klick. DIY mit Joghurtdeckeln: 0,5–1 mm/Klick — für Hobbyzwecke ausreichend.
Bistabiles Kippverhalten
Die Wippe hat zwei stabile Ruhelagen — sie kippt schlagartig um, bleibt nicht in der Mitte hängen. Symmetrische, leere Wippe → instabiles Gleichgewicht in der Mitte. Sobald Wasser eine Seite schwerer macht und der Schwerpunkt die Drehachse überschreitet, kippt das Drehmoment schlagartig um → Wippe schnellt in Gegenposition. Diese Schnappeigenschaft sorgt für ein sauberes, eindeutiges Signal statt einem langsamen Schwenk.
Interrupt-Entprellung
Nach dem Kippen vibriert die Wippe kurz — Software muss dieses 'Prellen' ignorieren. Beim Aufprall der Wippe am Anschlag entsteht mechanisches Prellen (mehrere kurze Kontakte in 10–50 ms). Ohne Entprellung: 1 Kippvorgang = 3–10 gezählte Klicks. Lösung: Im Interrupt millis() prüfen — Ereignisse innerhalb von 150 ms nach dem letzten werden ignoriert. `if (millis() - lastClick < 150) return;`
Niederschlagsrate
Regenmengen pro Zeiteinheit — berechnet aus Klicks pro Minute und Kippvolumen. 1 Klick = 0,5 mm Regen (bei unserem Sensor). 10 Klicks pro Minute = 5 mm/min = 300 mm/h — das ist Starkregen! Normaler Regen: 0,1–2 mm/min. Im Code: Klicks in einem gleitenden Fenster (z.B. letzte 5 Minuten) zählen → aktuelle Rate berechnen → Alarm bei > 5 mm/min.

Praktischer Versuch: Eigene Klick-Wippe

Wippe aus Joghurt-Deckeln, Drehachse aus Holzspieß und Strohhalm, Auslöser über Reed-Klammer- oder einfachen Mikroschalter-Klick.

  • Trichter (z.B. abgeschnittene Plastikflasche)
  • 2 gleiche kleine Halbschalen (Joghurtdeckel, Plastiklöffel)
  • Holzspieß als Drehachse + Strohhalm als Lager
  • Steifer Karton oder Holzplättchen als Tragrahmen
  • 1 Magnet + Büroklammer-Reed oder 1 Mikroschalter

  1. Wippe symmetrisch bauen

    Klebe die zwei Halbschalen spiegelbildlich an einen kleinen Holzbalken, mittendrin steckt der Spieß als Achse. Achse durch zwei Strohhalm-Stücke gleiten lassen → reibungsarm.

    Check: Leere Wippe pendelt im Lager ungefähr in der Waagrechten ein.

    Tipp: Halbschalen exakt gleich schwer machen – ggf. ein winziges Stück Klebeband als Gewichtsausgleich.

  2. Lager prüfen (ohne Strom!)

    Halte die Wippe in den Rahmen und gib pro Seite tropfenweise Wasser zu, bis sie umkippt. Notiere das Kippvolumen pro Seite – beide Seiten müssen ähnlich viel brauchen.

    Check: Ein leichter Tropfen auf eine Seite genügt, um die Wippe zu kippen.

    Tipp: Strohhalm-Innenseite zur Not mit feinem Sandpapier glätten oder Achse minimal einfetten – das ist die wichtigste Gleitlagerstelle.

  3. Magnet/Reed installieren

    Klebe einen kleinen Magneten an die Unterseite des Wippenkörpers. Den Reed-Kontakt (oder die Büroklammer-Reed-Konstruktion) montierst du am Rahmen so, dass beim Kippen der Magnet ihn überstreicht.

    Check: Im Multimeter (Durchgang) gibt es bei jedem Kipp einen kurzen Piepton.

    Tipp: Magnet so positionieren, dass er pro Kipp genau einmal am Sensor vorbeistreicht – nicht permanent darüber sitzt.

  4. Trichter über die Mitte setzen

    Trichter so anbringen, dass die Auslauföffnung genau über der Drehachse liegt – egal welche Seite oben ist.

    Check: Wasser tropft mittig auf die jeweils oben liegende Halbschale.

    Tipp: Eine kleine Spitze am Trichter (Strohhalmstück) zentriert die Tropfen besser.

  5. Interrupt-Zähler mit Deadtime

    Code mit Pin-Change-Interrupt + 150 ms Deadtime hochladen. Test mit Wasserglas und Pipette.

    Check: Monitor zählt genau einen Klick pro echtem Kipp.

    Tipp: Bei Mehrfachzählung Deadtime auf 200 ms erhöhen.

Reed-Kontakt (oder Mikroschalter) zwischen Digital-Pin D2 (INPUT_PULLUP) und GND.

// ProtoPeaks - Wipp-Regenmesser
const int reedPin = 2;
volatile unsigned long klicks = 0;
volatile unsigned long letzte = 0;
const unsigned long deadtime = 150;

void isr() {
  unsigned long jetzt = millis();
  if (jetzt - letzte > deadtime) {
    klicks++;
    letzte = jetzt;
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(reedPin, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(reedPin), isr, FALLING);
}

void loop() {
  static unsigned long last = 0;
  if (millis() - last > 1000) {
    Serial.print("Klicks gesamt: "); Serial.println(klicks);
    last = millis();
  }
}
  • Wippe bleibt stehen, obwohl Wasser läuft. — Schmutz in der Schale oder im Lager. Reinigen, Drehachse leicht ölen, Strohhalm-Lager prüfen.
  • Pro Kipp werden 2–4 Klicks gezählt. — Wippe wippt am Endanschlag nach. Deadtime auf 200–300 ms erhöhen oder kleinen Filz-Anschlag am Rahmen ergänzen.
  • Eine Seite kippt deutlich schneller. — Unsymmetrie. Halbschalen-Gewichte vergleichen, ggf. mit Klebeband ausgleichen. Trichter exakt mittig über der Achse positionieren.

Kurzzusammenfassung

Eine ausbalancierte Wippe verwandelt kontinuierlichen Regen in eine zählbare Folge diskreter Klicks. Mit Pin-Change-Interrupt plus Deadtime werden diese Klicks robust gezählt, ein konstantes Volumen pro Klick erlaubt die Umrechnung in Niederschlag in mm.

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