Anemometr ultradźwiękowy

Stacje pogodowe to popularny projekt służący do eksperymentowania z różnymi czujnikami środowiskowymi, a do określenia prędkości i kierunku wiatru zwykle wybiera się prosty anemometr kubkowy i wiatrowskaz.Na potrzeby QingStation Jianjia Ma zdecydował się zbudować inny typ czujnika wiatru: anemometr ultradźwiękowy.
Anemometry ultradźwiękowe nie mają ruchomych części, ale kompromisem jest znaczny wzrost złożoności elektroniki.Działają na zasadzie pomiaru czasu potrzebnego na odbicie impulsu dźwięku ultradźwiękowego do odbiornika znajdującego się w znanej odległości.Kierunek wiatru można obliczyć, odczytując prędkość z dwóch par czujników ultradźwiękowych ustawionych prostopadle do siebie i stosując prostą trygonometrię.Prawidłowa praca anemometru ultradźwiękowego wymaga starannego zaprojektowania wzmacniacza analogowego po stronie odbiorczej i rozległego przetwarzania sygnału w celu wydobycia prawidłowego sygnału z ech wtórnych, propagacji wielodrożnej i całego szumu powodowanego przez otoczenie.Projekt i procedury eksperymentalne są dobrze udokumentowane.Ponieważ [Jianjia] nie mógł skorzystać z tunelu aerodynamicznego do testów i kalibracji, tymczasowo zainstalował anemometr na dachu swojego samochodu i odjechał.Wynikowa wartość jest proporcjonalna do prędkości GPS samochodu, ale nieco wyższa.Może to wynikać z błędów obliczeniowych lub czynników zewnętrznych, takich jak zakłócenia wiatru lub przepływu powietrza z badanego pojazdu lub innego ruchu drogowego.
Inne czujniki obejmują optyczne czujniki deszczu, czujniki światła, czujniki światła i BME280 do pomiaru ciśnienia powietrza, wilgotności i temperatury.Jianjia planuje używać QingStation na autonomicznej łodzi, dlatego dodał także IMU, kompas, GPS i mikrofon do odtwarzania dźwięków otoczenia.
Dzięki postępowi w czujnikach, elektronice i technologii prototypowania budowanie osobistej stacji pogodowej jest łatwiejsze niż kiedykolwiek.Dostępność tanich modułów sieciowych pozwala nam zapewnić, że te urządzenia IoT będą mogły przesyłać swoje informacje do publicznych baz danych, dostarczając lokalnym społecznościom odpowiednich danych o pogodzie w ich otoczeniu.
Manolis Nikiforakis próbuje zbudować piramidę pogodową, całkowicie półprzewodnikowe, bezobsługowe, autonomiczne pod względem energii i komunikacji urządzenie do pomiaru pogody, przeznaczone do wdrożenia na dużą skalę.Zazwyczaj stacje pogodowe są wyposażone w czujniki mierzące temperaturę, ciśnienie, wilgotność, prędkość wiatru i opady.Chociaż większość tych parametrów można zmierzyć za pomocą czujników półprzewodnikowych, określenie prędkości, kierunku i opadów wiatru zazwyczaj wymaga jakiejś formy urządzenia elektromechanicznego.
Projektowanie takich czujników jest złożone i wymagające.Planując duże wdrożenia, należy także zadbać o to, aby były one opłacalne, łatwe w instalacji i nie wymagały częstej konserwacji.Wyeliminowanie wszystkich tych problemów mogłoby doprowadzić do budowy bardziej niezawodnych i tańszych stacji pogodowych, które można następnie instalować w dużych ilościach w odległych obszarach.
Manolis ma kilka pomysłów, jak rozwiązać te problemy.Planuje rejestrować prędkość i kierunek wiatru z akcelerometru, żyroskopu i kompasu w module czujnika inercyjnego (IMU) (prawdopodobnie MPU-9150).Plan polega na śledzeniu ruchu czujnika IMU, gdy porusza się on swobodnie na kablu niczym wahadło.Dokonał obliczeń na serwetce i wydaje się być pewien, że przy testowaniu prototypu dadzą one oczekiwane wyniki.Wykrywanie opadów deszczu będzie odbywać się za pomocą czujników pojemnościowych z wykorzystaniem dedykowanego czujnika, takiego jak MPR121 lub wbudowanej funkcji dotykowej w ESP32.Konstrukcja i lokalizacja ścieżek elektrod są bardzo ważne dla prawidłowego pomiaru opadów poprzez wykrywanie kropel deszczu.Rozmiar, kształt i rozkład masy obudowy, w której zamontowany jest czujnik, są również krytyczne, ponieważ wpływają na zasięg, rozdzielczość i dokładność instrumentu.Manolis pracuje nad kilkoma pomysłami projektowymi, które planuje wypróbować przed podjęciem decyzji, czy cała stacja pogodowa będzie znajdować się w obrotowej obudowie, czy tylko znajdujące się w niej czujniki.
Ze względu na swoje zainteresowania meteorologią [Karl] zbudował stację pogodową. Najnowszym z nich jest ultradźwiękowy czujnik wiatru, który wykorzystuje czas przelotu impulsów ultradźwiękowych do określenia prędkości wiatru.
Czujnik Carli wykorzystuje cztery przetworniki ultradźwiękowe, skierowane na północ, południe, wschód i zachód, do wykrywania prędkości wiatru.Mierząc czas potrzebny na podróż impulsu ultradźwiękowego pomiędzy 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.