Ultrazvočni anemometer

Vremenske postaje so priljubljen projekt za eksperimentiranje z različnimi okoljskimi senzorji, za določanje hitrosti in smeri vetra pa se običajno izbereta preprost anemometer v obliki skodelice in vremenska lopatica. Za svojo postajo QingStation se je Jianjia Ma odločil zgraditi drugačen tip senzorja vetra: ultrazvočni anemometer.
Ultrazvočni anemometri nimajo gibljivih delov, vendar je kompromis znatno povečanje elektronske kompleksnosti. Delujejo tako, da merijo čas, ki ga ultrazvočni zvočni impulz potrebuje, da se odbije do sprejemnika na znani razdalji. Smer vetra je mogoče izračunati z odčitavanjem hitrosti iz dveh parov ultrazvočnih senzorjev, ki sta pravokotna drug na drugega, in z uporabo preproste trigonometrije. Pravilno delovanje ultrazvočnega anemometra zahteva skrbno zasnovo analognega ojačevalnika na sprejemnem koncu in obsežno obdelavo signalov, da se iz sekundarnih odmevov, večpotnega širjenja in vsega šuma, ki ga povzroča okolje, izlušči pravilen signal. Zasnova in eksperimentalni postopki so dobro dokumentirani. Ker [Jianjia] ni mogel uporabiti vetrovnika za testiranje in kalibracijo, je anemometer začasno namestil na streho svojega avtomobila in odšel. Nastala vrednost je sorazmerna s hitrostjo GPS avtomobila, vendar nekoliko višja. To je lahko posledica računskih napak ali zunanjih dejavnikov, kot so motnje vetra ali pretoka zraka zaradi testnega vozila ali drugega cestnega prometa.
Drugi senzorji vključujejo optične senzorje za dež, svetlobne senzorje, senzorje svetlobe in BME280 za merjenje zračnega tlaka, vlažnosti in temperature. Jianjia namerava QingStation uporabljati na avtonomnem čolnu, zato je dodal tudi IMU, kompas, GPS in mikrofon za zvok iz okolice.
Zahvaljujoč napredku senzorjev, elektronike in tehnologije izdelave prototipov je gradnja osebne vremenske postaje lažja kot kdaj koli prej. Razpoložljivost cenovno ugodnih omrežnih modulov nam omogoča, da te naprave interneta stvari lahko prenašajo svoje informacije v javne baze podatkov in tako lokalnim skupnostim zagotavljajo ustrezne vremenske podatke v njihovi okolici.
Manolis Nikiforakis poskuša zgraditi vremensko piramido, v celoti trdno, vzdrževalno, energetsko in komunikacijsko avtonomno napravo za merjenje vremena, zasnovano za uporabo v velikem obsegu. Običajno so vremenske postaje opremljene s senzorji, ki merijo temperaturo, tlak, vlažnost, hitrost vetra in padavine. Medtem ko je večino teh parametrov mogoče izmeriti s trdnimi senzorji, določanje hitrosti vetra, smeri in padavin običajno zahteva neko obliko elektromehanske naprave.
Zasnova takšnih senzorjev je kompleksna in zahtevna. Pri načrtovanju velikih namestitev morate zagotoviti tudi, da so stroškovno učinkoviti, enostavni za namestitev in da ne zahtevajo pogostega vzdrževanja. Odprava vseh teh težav bi lahko privedla do izgradnje zanesljivejših in cenejših vremenskih postaj, ki bi jih nato lahko namestili v velikem številu na oddaljenih območjih.
Manolis ima nekaj idej, kako rešiti te težave. Namerava zajeti hitrost in smer vetra iz merilnika pospeška, žiroskopa in kompasa v inercialni senzorski enoti (IMU) (verjetno MPU-9150). Načrt je sledenje gibanju senzorja IMU, ko se prosto niha na kablu, kot nihalo. Nekaj izračunov je opravil na prtičku in zdi se prepričan, da bodo dali rezultate, ki jih potrebuje pri testiranju prototipa. Zaznavanje padavin bo izvedeno z uporabo kapacitivnih senzorjev z uporabo namenskega senzorja, kot je MPR121, ali vgrajene funkcije na dotik v ESP32. Zasnova in lokacija sledi elektrod sta zelo pomembni za pravilno merjenje padavin z zaznavanjem dežnih kapljic. Velikost, oblika in porazdelitev teže ohišja, v katerem je nameščen senzor, so prav tako ključne, saj vplivajo na doseg, ločljivost in natančnost instrumenta. Manolis dela na več oblikovalskih idejah, ki jih namerava preizkusiti, preden se odloči, ali bo celotna vremenska postaja znotraj vrtečega se ohišja ali samo senzorji v notranjosti.
Zaradi zanimanja za meteorologijo je [Karl] zgradil vremensko postajo. Najnovejši od teh je ultrazvočni senzor vetra, ki uporablja čas letenja ultrazvočnih impulzov za določanje hitrosti vetra.
Carlin senzor uporablja štiri ultrazvočne pretvornike, usmerjene proti severu, jugu, vzhodu in zahodu, za zaznavanje hitrosti vetra. Z merjenjem časa, ki ga ultrazvočni impulz potrebuje za potovanje med senzorji v prostoru, in odštevanjem meritev polja dobimo čas preleta za vsako os in s tem hitrost vetra.
To je impresivna predstavitev inženirskih rešitev, ki jo spremlja osupljivo podrobno poročilo o zasnovi.