雨水と残り湯の再利用
水流センサー
Rev.
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 Original :2014-08-05 Tue.
 Updated :2014-11-15 Sat.
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SeeedStudio POW110D3B G 1/2 Water Flow Sensor
                                                                         
 
 今月 ( 2014年8月)はアイテムカウンターとカレントメーター(流量計)を製作した。ほぼ90%完成した状態の作品を紹介しよう。

 アイテムカウンターはモーターの On/Off 回数や各種センサーのセンス回数などを記録する目的で製作した。
トグルスイッチは Halt 機能を持つ、一旦カウントを停止し、再度以前の数値に加算を続ける機能だ。

 カレントメーターは水流センサーを利用して通過する水量を測る物で、最低表示単位は 100cc、上の画像では 6.4
を示している。庭の散水の1回の消費水量などを調べる目的で製作した。グリーンの LED は僅かでも水流があれば
フラッシュし、水流が止まると消灯する水流モニター機能をもたせた。

2014-11-02 Sun.
 実際の [ お仕事 ] の画像を示そう。( ↓ )

 ステッピングモーターの特徴のひとつに、”回転量が指定できる”がある。画像例は『2,400回転したら停止しなさい。』と指定し
指定回数後停止しているかテスト中のショットだ。


 流量計の製作記事 ⇒⇒
 アイテムカウンターの製作記事 直下(↓)のセクション。

アイテムカウンターの製作
件数カウンター 電子カウンター 水量カウンター 貯水量
 


アイテムカウンターの製作

 製作した雨水タンクや残り湯タンクのメンテナンスや機能チェックを効率的に行うためカウンターはとても有効だ。
特に高価な物でもないため、自作の作品には適宜組み込んでいる。

 しかし、私が要求する機能を持つ製品が市場では見つからないため、自作することとした。


 早速ブレッドボードに組み上げた。使用する MPU は PIC16F88 である。画像左のメカニカルカウンターは機能
チェックの目的でセットした物だ。開発段階で、同じカウンタソースをカウントして値が等しければ OK 、異なる場合
はどちらかが異常だと判断できるわけだ。無論、最終作品には組み込まれない。
 賢明な読者ならその様なことはないだろうが、想定した様に動作せず、原因究明に二日以上かかってしまった。
この種の作品でつまづきやすい事だが、マイクロプロセサーとは言え、20MHzの高速で動作するコンピューターなので、
Escape Hole ができていたのだ。毎秒数万回のカウントなどでは問題は起きないが、数時間に1件とか、数日間で
1件のカウント条件では、思いもよらぬ現象が起きていたのだった。
 この問題はロジカルに解明できたが、その後別の問題(異常動作)が発生した。この件後述しておいた。


 その後部品点数を減らした回路に変更。画像上部のモジュールは PIC12F683 を使ったテスト信号発振モジュールで
0.16秒〜20秒のインターバルで信号をメカニカル/エレクトリカル カウンターに送っている。

 2014-08-11 Mon.
キャビネット加工も平行して進めている。今回採用したキャビネットは TAKACHI 社の YM-100 だ。



 各コンポーネント用のホールにスイッチなどを仮セットしてみた。

 2014-08-12 Tue.
急ぐと半日で完了する作業だ。言い換えると楽しみは半日で終わってしまうので、毎日少しずつ作業を
進めることにしている。

 今日は PIB 上の各コンポーネントのアサイメント作業を楽しんだ。


 7セグメント LED の位置は(既に窓を開けた後なので)変えられないが、高さの調整は必要だ。高さの異なる
古い IC ソケットの中から最適の品を選び出した。現時点の2個の IC の向きはテンポラリーで、更に詰めるつ
もりでいる。スペースに余裕が見込まれるため3端子レギュレーターも組み込みたい。


 完成時には偏光フィルターの代替品としてアクリル板がセットされるので、消灯時の7セグメント LEDはこの様に
クリアーには見えない。




 7セグメント LED の位置が最初から定められた位置なので、Input line / Output line が不必要に交差するなど
機能面ではベストとは言えないアサイメントだが、特に高速でもないので動作に問題はないだろう。


 トグルスイッチは Run/Halt の切り替え用で、 Halt 時にはカウント機能は停止し、グリーンの LED がOn する。
赤いプッシュスイッチは表示された数値のリセット用だ。Halt 状態ではリセットスイッチの機能は制限されリセットできない。


 一部のコネクターが未入荷なのでケーブルを直接引き出した個所もあるが、ほぼ完成したアイテムカウンター。


 ほぼ 90% 完成した作品。


 カウンティングテスト。今回は( 自身の勉強の意味もあり )3セット個々に異なるアルゴりズムでプログラムを組み上げた。
1、 センサーからのパルス信号を10個数える毎に桁上げして、我々が慣れ親しんだ10進法で組み上げたもの。
2、 16進法で数え、記憶し表示の時点で10進法に変換するもの。
3、 マトリックス・テーブルを使ったもの。
などだ。
 画像上中央部のブレッドボードから同じ信号を送り、各々が表示する数値に誤りが無いか調べた。『コンピューターだから
結果が同じになるのは当然のこと。』との声が聞こえそうだが、あるカウンターモジュールは不規則に、( 数分の場合もあれ
ば12時間のテストで、)異常値を示すのだ。異常発生はテスト信号の高低にも関係無い等規則性が無く、この様なケースの
原因はハードウエアに起因することが考えられ、想定できるコンポーネントや電源部の交換等を行ったが未解決である。

2014-09-01 Mon.
 上記異常動作の原因がやっと判明した。原因はソフト面(プログラム)とハード面の両方に起因していた。

ソフト面 : このカウンターは毎秒千回程度のインタラプションは軽く対応可能だ。今回使用のセンサーは低速なので、プログ
  ラムでインタラプションの受付を毎秒100回のリミットにセットしていた。 しかし動作テストのための信号発生モジュールは
   8msec 〜60sec のインターバルでインタラプションを行う様にデザインされていた。
  10msec の能力しかないモジュールで、 8msec に対応すれば、インタラプションの処理中に次のインタラプションが掛かる
  状況となる。そのためスタックがカバーしきれないケースが発生し件数表示に差異が生じたわけだ。

ハード面 : 今回ローテーションしながら使用した PIC16F87 は4個だったが、この中に仕様限度の製品が1個含まれていたのだ。
  4個の PIC16F87 に、全く同じプログラムを書き込んで、組み上げた PIB 上に順番にセットしてテストを行うとある特定の F87
  を使用したときのみエラーが発生するのだ。1回のテスト時間は 10〜24時間が必要だった。
  8MHz の環境なのでメモリーアクセスは気にとめていなかったが、特定のレジスター(アドレス)にビット操作が集中し、メモリ
  ーへの書き戻しを失敗⇒⇒結果としてデータ化けとなっていた。全く同じプログラムでも、この F87 に書き込んだときのみ
  データがでたらめになる事を突き止めるのは多くの時間をロスした。

 原因がひとつの場合は、コツコツ追い詰めれば、原因に徐々に近づいて行けるが、原因が複数だと、その手段は取れない。
70才を超えた私には実に厳しいミッションだったと言えよう。
_
送水量をより高い精度で把握したい
件数カウンター 電子カウンター 流量計の製作 水量カウンター 貯水量       

2014-08-15 Fri.

 多分国内のショップでも扱っているとは思われるが、海外のサイトで見つけた水流センサーを5個入手した。


 動作原理はシンプルで水路に組み込まれると、水量に応じて水車が回り、磁気を通じて水路外のセンサーに
パルス信号を発生させるのだ。
 入手の手順は省略するが、Vendor は Sea社( China )、Model No : YF-S201 、単価は5ドル以下だった。ホール
効果素子を利用している事は記されていたが、詳しい仕様は不明なので実用化には様々な [ 調査 ] が必要だと
思われる。 

 FYI -1 、後述するが、中国製品らしい、品質にばらつきがある製品だった。
 FYI -2 、日本では、千石電商 で入手可能だ。 Speed Studio 水流センサー POW110D3B \1,000.-(Wo/Tax)



 資料が無いため、水量とセンサー出力の関係を調べることが最初の仕事だ。画像はそのテスト風景で、ペットボトルを
[ じょうご ] にしてセンサーへ定量カップの水を流し、センサーのパルス数を今回製作したカウンターで調べている。


( 赤いLED が二桁しか見えないのは7セグメント LED をダイナミックドライブしているため、カメラのシャッター速度が関係
するためだ。)
 水が流れきった後、センサー内のローターが惰性で回転する分もカウントされ誤差が出やすいため、できれば、もう
すこし大きな装置でテストしたいのだが、、、、。
 また、ヤードポンド単位で計算するとすっきりと割り切れる数値が見つかるかも知れない。

 とても原始的なチェック方法だがアマチュアの私としては他に手段が無いのだ。試行錯誤で得られたパラメーターを
組み込んで再挑戦(

 画像中心の 500cc の計量カップで 500cc を12回ペットボトルのじょうごに注ぐと、6.0箸カウンターに表示される。
センサー信号をリットル数値に変換しているのはブレッドボード上の MPU chip だ。画像では PIC16F88 だが、16F84A、
16F87、12F683 に移植可能だ。その後(予期されていたことだが、)テスト条件を変えると正しいリットル数値を表示できない
ことが判明。プログラムのアルゴリズムの再検討を行う。


 その後水道メーターと同様の環境、つまりメーターの上流、下流共に水で満たされている状況では出力パルス数は
水量にリニアーに比例することが確認できた。



 画像 #14-R0016952/14-R0016967 の様な水路が空の状況から水を流す様な状況では業務用の水道メーター
でも正しい値は表示されないことも確認できた。水流がメーターに届く前に管内の空気がメーター内の水車を回転させること、
水流が流れきった後も慣性で水車が回転するためだと考えられる。(注)この画像は 2012年のもの。


 センサーは数個購入したので、ブレッドボードで新しいアイデアのセンサー利用プログラムの開発を開始した。机上テストなの
で水流の代わりに息を吹きかけセンサーを動作させテストを行う。無論毎回ふーふーするのは大変なので掃除機の吸い口を
センサーに近づける等の手段で対応している。


 現時点で考えている具体的な使用方法。
1、機能モニター。たとえばポンプを On した後実際の水流をモニターしてポンプの動作確認。
2、センサーの出力をマイクロプロセサーで処置した後メカニカルな電磁カウンターに送り累積貯水量を把握。
3、庭に散水した時など、今日は 53隼郷紊靴拭などと具体的な数値を把握。


 上記 [2] のアイデアのベンチテスト風景。電磁式カウンターに0.1繁茲縫ウント信号を送り動作確認を行った。
電子式の様にパワーオフで情報が消えることがない特徴を持つ。


 上記アイデアのプロトタイプ。最終的には適切なキャビネットに納めるつもりだ。画像では2個の IC を使っているが
トランジスターに置き換え可能なので、使用 IC は一個となる。同じパルス信号を流用して、xx箸乃訖紊鯆篁澆垢襦
等の様に応用も可能だ。


 既に完成しているカウンターと並行運転して相互に動作をチェックする。


 実際にバスタブで送水する本番テスト。



2014-08-16 Sat.

 こちらでは電子式水道メーターの試作を開始した。基板の一部がカットされているのはリセットスイッチとの
インターセプションを逃がすためだ。


 完成後は、前述したアイデア [ 3 ] の様に、庭の散水(もちろん貯水した雨水だ。)を始めるときにリセットしておき、
散水後具体的な使用量を知ることが可能だ。
 この作品にはスペースに余裕があれば水流が止まっているか、流れているかを示す モニターLED を付けたい。

2014-08-17 Sun.

 グラフ用紙で各コンポーネントの最終的なアサイメントを決める。消しゴムを最も消費するプロセスだ。


 その後の作業はアサイメントシートに従い組み上げるだけの単純作業となる。


 ほぼ 90% 完成した作品。 画像が示している数値は 6.4函グリーン LED は水流モニターで、毎分 100〜300cc 程度なら
ぴかり・・・・・ぴかり・・・・・ぴかり・・・だが、毎分8箸魃曚┐詬佑平緡ならば。ピカッ・ピカッ・ピカッ・、と水流のイメージが
掴みやすい様にフラッシュする。当然水流が止まれば消灯する。
商 Speed Studio POW110D38 せんごくネット


 画像(↑)左は残り湯回収モジュールで、普段は残り湯を裏庭の 500肇織鵐へ送水するために使っているが
今回は水流センサーを経由してバケツに送水して、水量を正しく読み取れるか試している。,
 今日のテストはプリスケーラーの機能テストがテーマだった。


 風呂で各種テストを行う。今回のテストは人手を使わぬテストなのだ。画像で [004.0] が読み取れるだろうか?。


 このテストはバスポンプでバケツに送水して、送水水量が4箸砲覆辰燭薀櫂鵐廚鯆篁澆垢襪茲Δ縫謄好肇廛蹈哀薀爐
組まれていて、ポンプの自動停止や送水量の測定能力などを試すことができるのだ。
 デジタル表示は 4.0 を表示し、ブルーの矢印が示すように 4.0箸凌絨未鮗┐靴討い襦バケツに記された文字は上部
から覗き込んた時に読み取り易い様に文字は逆さまだ。

 テストは快調に進んだのだが、一時的に異常動作を示すことがあった。4.0箸凌絨未妊櫂鵐廚停止せず、余分に6
〜 8 も供給されることが発生したのだ。原因は水流センサーの不調だった。なんと購入した5個の内3個までが欠陥品
だったのだ。症状は水流に応じて出力されるパルス波形が突然出力されなくなるのだ。以前も Made in China には泣かさ
れた経験があるが、悪しき伝統は継続されている様だ。
 
2014-08-21 Thu.

 今日は、残り湯回収モジュールから裏庭の 500肇織鵐へ送る残り湯の水流を測ってみた。


 水流センサーは窓外のインスタントファスナーと残り湯回収モジュールの出力ホースの間にセットした。各々は既に
動作保証済みのモジュールなので特に問題も無く終了した。


2014-08-22 Fri.
             不良水流センサーについての考察 
        Memo Sea YF-S201 G1/2" Water heater flow sensor, water flow meter

 2014年8月、(米国内で)5個を購入した商品は、3個が正常動作しなかった。

症状  パルス信号が出力されぬことが時々発生。商品ラベルを上にした水平位置で使用すると出力ゼロ。この位置から
     上下反転した水平位置で使用すると出力 100%、つまり正常動作。垂直〜斜め状態で使用すると出力は30〜100%.

障害の再現性 100%

以上から想像できる原因。内部構造は水流で回転する水車 : 海外の資料では Pinwheel と呼称、水車の羽根に取り付け
られたマグネットの磁気をセンスするボディ側の ホール素子から構成されていると思われる。水車の軸は構造上軸方向の
プレイ(遊び)が必要だが、このプレイの量が大きいため商品ラベルを上にした水平位置では、ホール素子と水車間の距離が
大きくなりセンスできない。逆の状態で使用すると距離は最小になり 100% 正常動作する・・・・・・・・・。

 対策は? ⇒ 水車の軸方向のプレイ(遊び)を少なくするため、スペーサー(ステンレス or プラスチック製)を挿入する。

問題は、分解・再組み立て後密閉性を維持できるか、最適のスペーサーが入手できるか、など。

 いずれにしろ近日中に Teardown / Repair を試みたい。 


2014-08-22 Fri.
 早速 Teardown に挑戦した。四本のスクリューを外すと4(5)個に分解できる。四本のスクリューは元の位置に戻すため
キャップから抜き出さず保持する。できる限り元の状態に戻すことを考慮しスクリューはオリジナルの位置を変えないでおく。


 左がピンホイール ( Pinwheel )

 これがピンホイール [ 水車 ] だ。頭部にリングマグネットが付いている。


 こちらはホール素子(黒い三本足のトランジスター形状の物)の基板


 両者はこの様に位置し、水車の回転と共に回るリングマグネットの NS 極がホール素子を On/Off させるのだ。
水車が(画像で)右に移動すればホール素子から離れることとなり、磁気変化を与えにくくなることは理解できる
だろう。


 事前に用意したステンレス製のスペーサー。 DIY Shop で 2.6mmビス用のスペーサーとして購入した物。
ステンレス製を選んだ理由だが、 [ 磁気と錆 ] に無関係だからだ。


 ステンレス製のスペーサーを水車軸底部にセットする。


 水車をセットした状態。 この後、Middle cap を仮セットして [ 遊び ] を確認しておく。私は念のため
スペーサーを2枚使用した。
 後は今までの逆の手順で組み戻す。最もご注意頂きたい個所はOリングだ。分解解説では述べなかった
が、Oリングは2本使用されている。私は組戻すとき、消毒用アルコール浸した綿棒でOリングと、その接着
側を軽く拭ってからアセンブルしておいた。長期にわたって密閉性を維持するためにはこの様な個所に
きめ細やかな注意が必要なのだ。蛇足だが、読者はアポロ・チャレンジャーが劣化したOリングが原因で
爆発炎上、乗務員全員死亡事故をご存じだと思う。
 組戻した後機能テストが必要だが、テスト機器が無ければ、リード線 Red に +5V、 BlackにGnd を
繋ぎ、テスター電圧レンジを Yellow に繋ぐ。この後 YF-S201 のパイプ接続口に息を吹きかける。
軽い [ 水車 ] の回転音と共にテスターの針がピコピコと振れれば OK だと判断できる。さらに
YF-S201 の位置を様々に変化させながら同様のテストを繰り返し、すべての位置で出力が確認でき
れば修理と能力確認テストは完了だ。

 私は3個の不良品をこの手段で全て正常にすることができた。


2014-08-24 Sun.
 最初の企画時の機能をすべて備えた作品が完成した。無論私の信条として今後も新機能の追加は続けるつもりだが、
ひとつの区切りとして、今朝はメータリング精度を確認しておいた。ネットで入手した水道メーターと今回の作品をシリーズに
接続し100醗幣紊料水を行い、その差を調べたのだ。


 流量計はリセット、水道メーターは数値をノートブックに記録して、水道メーターで +100箸了点まで送水を
開始。↑画像は途中の画像で、流量計は 23.2箸鮗┐靴討い襦E喘罎瞭匹濕茲蠱諭∋間などを記録しながら
テストを進める。
 結果は水道メーターの 100箸紡个轡妊ジタル水量計は 98.2箸鮗┐靴拭L 1.8% 少ない表示だ。また、途中
の10函90箸凌値もすべてマイナス 1.5〜2.1% を示していた。プログラムをチューンすれば精度は上げられ
るが、現時点では手を加えぬつもりだ。

2014-11-06 Thu.
自作カウンターでモーターの回転数チェック
 その後、ホール素子単体が入手可能と知った私は早速入手してステッピングモーターや DC モーターの回転数チェック
に利用した。上の画像はモーターシャフトに付けたアーム先端にセットしたフェライトマグネットと固定アームのホール素子
でモーターの回転数を測定している時のものだ。 FYI 作品の製作の様子 ⇒⇒



Memo'
 F/W Listing / Schematic に関しては Alliance pass word でアクセスして頂きたい。

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