Ultrazvučni anemometar

Meteorološke stanice su popularan projekt za eksperimentiranje s različitim senzorima okoliša, a za određivanje brzine i smjera vjetra obično se biraju jednostavni šalasti anemometar i vremenska lopatica.Za QingStation Jianjia Ma odlučio je da napravi drugačiji tip senzora vjetra: ultrazvučni anemometar.
Ultrazvučni anemometri nemaju pokretne dijelove, ali kompromis je značajno povećanje elektronske složenosti.Oni rade mjerenjem vremena koje je potrebno ultrazvučnom zvučnom pulsu da se reflektira na prijemnik na poznatoj udaljenosti.Smjer vjetra može se izračunati uzimanjem očitavanja brzine sa dva para ultrazvučnih senzora okomitih jedan na drugi i korištenjem jednostavne trigonometrije.Pravilan rad ultrazvučnog anemometra zahtijeva pažljiv dizajn analognog pojačala na prijemnom kraju i opsežnu obradu signala kako bi se izdvojio ispravan signal iz sekundarnih odjeka, višeputnog širenja i svih šuma uzrokovanih okolinom.Dizajnerski i eksperimentalni postupci su dobro dokumentovani.Pošto [Jianjia] nije mogao da koristi aerotunel za testiranje i kalibraciju, privremeno je postavio anemometar na krov svog automobila i otišao.Rezultirajuća vrijednost je proporcionalna GPS brzini automobila, ali nešto veća.To može biti zbog grešaka u proračunu ili vanjskih faktora kao što su vjetar ili smetnje strujanja zraka iz test vozila ili drugog cestovnog saobraćaja.
Ostali senzori uključuju optičke senzore za kišu, svjetlosne senzore, svjetlosne senzore i BME280 za mjerenje vazdušnog pritiska, vlažnosti i temperature.Jianjia planira koristiti QingStation na autonomnom brodu, pa je dodao i IMU, kompas, GPS i mikrofon za ambijentalni zvuk.
Zahvaljujući napretku u senzorima, elektronici i tehnologiji izrade prototipa, izgradnja lične meteorološke stanice je lakša nego ikad.Dostupnost jeftinih mrežnih modula omogućava nam da osiguramo da ovi IoT uređaji mogu prenijeti svoje informacije u javne baze podataka, pružajući lokalnim zajednicama relevantne podatke o vremenu u njihovom okruženju.
Manolis Nikiforakis pokušava da izgradi vremensku piramidu, potpuno čvrsti uređaj za merenje vremena koji ne zahteva održavanje, energetski i komunikacioni autonomni uređaj dizajniran za primenu velikih razmera.Obično su meteorološke stanice opremljene senzorima koji mjere temperaturu, pritisak, vlažnost, brzinu vjetra i padavine.Dok se većina ovih parametara može mjeriti pomoću senzora u čvrstom stanju, određivanje brzine vjetra, smjera i padavina obično zahtijeva neki oblik elektromehaničkog uređaja.
Dizajn takvih senzora je složen i izazovan.Kada planirate velike implementacije, također morate osigurati da su isplativi, jednostavni za instalaciju i da ne zahtijevaju često održavanje.Otklanjanje svih ovih problema moglo bi dovesti do izgradnje pouzdanijih i jeftinijih meteoroloških stanica, koje bi se potom mogle instalirati u velikom broju u udaljenim područjima.
Manolis ima neke ideje kako riješiti ove probleme.On planira uhvatiti brzinu i smjer vjetra pomoću akcelerometra, žiroskopa i kompasa u jedinici inercijalnog senzora (IMU) (vjerovatno MPU-9150).Plan je da se prati kretanje IMU senzora dok se slobodno ljulja na kablu, poput klatna.Napravio je neke proračune na salveti i čini se uvjeren da će dati rezultate koji su mu potrebni prilikom testiranja prototipa.Senzor padavina će se vršiti pomoću kapacitivnih senzora koji koriste namenski senzor kao što je MPR121 ili ugrađenu funkciju dodira u ESP32.Dizajn i lokacija tragova elektroda su vrlo važni za ispravno mjerenje padavina detekcijom kišnih kapi.Veličina, oblik i distribucija težine kućišta u koje je senzor montiran su takođe kritični jer utiču na opseg, rezoluciju i tačnost instrumenta.Manolis radi na nekoliko dizajnerskih ideja koje planira isprobati prije nego što odluči hoće li cijela meteorološka stanica biti unutar rotirajućeg kućišta ili samo senzori unutra.
Zbog svog interesovanja za meteorologiju, [Karl] je izgradio meteorološku stanicu. Najnoviji od njih je ultrazvučni senzor vjetra, koji koristi vrijeme leta ultrazvučnih impulsa za određivanje brzine vjetra.
Carlin senzor koristi četiri ultrazvučna pretvarača, orijentirana na sjever, jug, istok i zapad, za detekciju brzine vjetra.Mjerenjem vremena koje je potrebno ultrazvučnom impulsu da putuje između senzora u prostoriji i oduzimanjem mjerenja na terenu, dobijamo vrijeme leta za svaku osu, a time i brzinu vjetra.
Ovo je impresivna demonstracija inženjerskih rješenja, praćena zapanjujuće detaljnim izvještajem o dizajnu.