Anemometr ultradźwiękowy

Stacje meteorologiczne to popularny projekt do eksperymentowania z różnymi czujnikami środowiskowymi, a do określania prędkości i kierunku wiatru zazwyczaj wybiera się prosty anemometr kielichowy i chorągiewkę. Na potrzeby stacji QingStation Jianjia Ma postanowił zbudować inny rodzaj czujnika wiatru: anemometr ultradźwiękowy.
Anemometry ultradźwiękowe nie posiadają ruchomych części, ale kompromisem jest znaczny wzrost złożoności elektronicznej. Działają one poprzez pomiar czasu odbicia impulsu ultradźwiękowego do odbiornika znajdującego się w znanej odległości. Kierunek wiatru można obliczyć, odczytując prędkość z dwóch par czujników ultradźwiękowych ustawionych prostopadle do siebie i wykorzystując prostą trygonometrię. Prawidłowe działanie anemometru ultradźwiękowego wymaga starannego zaprojektowania wzmacniacza analogowego po stronie odbiorczej i rozległego przetwarzania sygnału w celu wyodrębnienia prawidłowego sygnału z ech wtórnych, propagacji wielodrogowej i wszelkich szumów generowanych przez otoczenie. Projekt i procedury eksperymentalne są dobrze udokumentowane. Ponieważ [Jianjia] nie mógł użyć tunelu aerodynamicznego do testów i kalibracji, tymczasowo zainstalował anemometr na dachu swojego samochodu i odjechał. Uzyskana wartość jest proporcjonalna do prędkości samochodu wskazanej przez GPS, ale nieco wyższa. Może to być spowodowane błędami obliczeniowymi lub czynnikami zewnętrznymi, takimi jak wiatr lub zakłócenia przepływu powietrza pochodzące od pojazdu testowego lub innych uczestników ruchu drogowego.
Inne czujniki obejmują optyczne czujniki deszczu, czujniki światła, czujniki światła oraz BME280 do pomiaru ciśnienia powietrza, wilgotności i temperatury. Jianjia planuje wykorzystać QingStation na łodzi autonomicznej, dlatego dodał również IMU, kompas, GPS i mikrofon do pomiaru dźwięków otoczenia.
Dzięki postępowi w dziedzinie czujników, elektroniki i technologii prototypowania, zbudowanie osobistej stacji meteorologicznej jest łatwiejsze niż kiedykolwiek. Dostępność niedrogich modułów sieciowych pozwala nam zapewnić, że te urządzenia IoT mogą przesyłać swoje informacje do publicznych baz danych, dostarczając lokalnym społecznościom istotne dane pogodowe z ich otoczenia.
Manolis Nikiforakis próbuje zbudować Piramidę Pogodową, całkowicie półprzewodnikowe, bezobsługowe, autonomiczne energetycznie i komunikacyjnie urządzenie do pomiaru pogody, przeznaczone do zastosowań na dużą skalę. Stacje pogodowe są zazwyczaj wyposażone w czujniki mierzące temperaturę, ciśnienie, wilgotność, prędkość wiatru i opady. Chociaż większość tych parametrów można zmierzyć za pomocą czujników półprzewodnikowych, określenie prędkości, kierunku wiatru i opadów zazwyczaj wymaga zastosowania jakiegoś rodzaju urządzenia elektromechanicznego.
Projektowanie takich czujników jest skomplikowane i stanowi wyzwanie. Planując duże wdrożenia, należy również zadbać o ich opłacalność, łatwość instalacji i brak konieczności częstej konserwacji. Wyeliminowanie wszystkich tych problemów może doprowadzić do budowy bardziej niezawodnych i tańszych stacji meteorologicznych, które następnie będzie można instalować w dużych ilościach w odległych obszarach.
Manolis ma kilka pomysłów na rozwiązanie tych problemów. Planuje rejestrować prędkość i kierunek wiatru z akcelerometru, żyroskopu i kompasu w jednostce czujnika bezwładnościowego (IMU) (prawdopodobnie MPU-9150). Plan zakłada śledzenie ruchu czujnika IMU podczas jego swobodnego wahania na linie, niczym wahadło. Przeprowadził kilka obliczeń na serwetce i wydaje się przekonany, że dadzą mu one potrzebne wyniki podczas testowania prototypu. Pomiar opadów będzie realizowany za pomocą czujników pojemnościowych, wykorzystujących dedykowany czujnik, taki jak MPR121, lub wbudowaną funkcję dotykową w ESP32. Konstrukcja i położenie elektrod są bardzo ważne dla prawidłowego pomiaru opadów poprzez wykrywanie kropel deszczu. Rozmiar, kształt i rozkład masy obudowy, w której zamontowany jest czujnik, mają również kluczowe znaczenie, ponieważ wpływają na zasięg, rozdzielczość i dokładność instrumentu. Manolis pracuje nad kilkoma pomysłami projektowymi, które planuje wypróbować, zanim zdecyduje, czy cała stacja meteorologiczna będzie umieszczona w obracającej się obudowie, czy tylko czujniki.
Ponieważ interesował się meteorologią, [Karl] zbudował stację meteorologiczną. Najnowszym z nich jest ultradźwiękowy czujnik wiatru, który wykorzystuje czas przelotu impulsów ultradźwiękowych do określenia prędkości wiatru.
Czujnik Carli wykorzystuje cztery przetworniki ultradźwiękowe, zorientowane na północ, południe, wschód i zachód, do pomiaru prędkości wiatru. Mierząc czas potrzebny impulsowi ultradźwiękowemu na przebycie drogi między czujnikami w pomieszczeniu i odejmując pomiary pola, otrzymujemy czas przelotu dla każdej osi, a tym samym prędkość wiatru.
To imponująca demonstracja rozwiązań inżynieryjnych, której towarzyszy niezwykle szczegółowy raport projektowy.