Ultrazvukový anemometer

Meteorologické stanice sú obľúbeným projektom na experimentovanie s rôznymi senzormi prostredia a na určenie rýchlosti a smeru vetra sa zvyčajne vyberá jednoduchý pohárový anemometer a korouhvička.Pre stanicu QingStation Jianjia Ma sa rozhodol postaviť iný typ senzora vetra: ultrazvukový anemometer.
Ultrazvukové anemometre nemajú žiadne pohyblivé časti, ale kompromisom je výrazné zvýšenie elektronickej zložitosti.Pracujú tak, že merajú čas potrebný na odraz ultrazvukového zvukového impulzu do prijímača v známej vzdialenosti.Smer vetra možno vypočítať odčítaním rýchlosti z dvoch párov ultrazvukových senzorov kolmých na seba a pomocou jednoduchej trigonometrie.Správna prevádzka ultrazvukového anemometra vyžaduje starostlivý návrh analógového zosilňovača na prijímacom konci a rozsiahle spracovanie signálu na extrahovanie správneho signálu zo sekundárnych ozvien, viaccestného šírenia a všetkého šumu spôsobeného prostredím.Návrh a experimentálne postupy sú dobre zdokumentované.Keďže [Jianjia] nemohol použiť aerodynamický tunel na testovanie a kalibráciu, dočasne nainštaloval anemometer na strechu svojho auta a odišiel.Výsledná hodnota je úmerná rýchlosti GPS auta, no o niečo vyššia.Môže to byť spôsobené chybami vo výpočtoch alebo vonkajšími faktormi, ako je vietor alebo poruchy prúdenia vzduchu z testovaného vozidla alebo inej cestnej premávky.
Medzi ďalšie senzory patria optické dažďové senzory, svetelné senzory, svetelné senzory a BME280 na meranie tlaku vzduchu, vlhkosti a teploty.Jianjia plánuje použiť stanicu QingStation na autonómnej lodi, takže pridal aj IMU, kompas, GPS a mikrofón pre okolitý zvuk.
Vďaka pokroku v senzoroch, elektronike a technológii prototypovania je stavba osobnej meteorologickej stanice jednoduchšia ako kedykoľvek predtým.Dostupnosť lacných sieťových modulov nám umožňuje zabezpečiť, aby tieto zariadenia internetu vecí mohli prenášať svoje informácie do verejných databáz a poskytovať miestnym komunitám relevantné údaje o počasí vo svojom okolí.
Manolis Nikiforakis sa snaží postaviť meteorologickú pyramídu, plne pevné, bezúdržbové, energeticky a komunikačne autonómne zariadenie na meranie počasia určené na nasadenie vo veľkom meradle.Meteorologické stanice sú zvyčajne vybavené senzormi, ktoré merajú teplotu, tlak, vlhkosť, rýchlosť vetra a zrážky.Zatiaľ čo väčšinu týchto parametrov možno merať pomocou polovodičových senzorov, určenie rýchlosti, smeru a zrážok vetra zvyčajne vyžaduje určitú formu elektromechanického zariadenia.
Návrh takýchto senzorov je zložitý a náročný.Pri plánovaní veľkých nasadení je tiež potrebné zabezpečiť, aby boli nákladovo efektívne, jednoducho sa inštalovali a nevyžadovali častú údržbu.Odstránenie všetkých týchto problémov by mohlo viesť k vybudovaniu spoľahlivejších a lacnejších meteorologických staníc, ktoré by sa potom mohli inštalovať vo veľkom počte v odľahlých oblastiach.
Manolis má niekoľko nápadov, ako tieto problémy vyriešiť.Plánuje zachytiť rýchlosť a smer vetra z akcelerometra, gyroskopu a kompasu v inerciálnej senzorovej jednotke (IMU) (pravdepodobne MPU-9150).Plánom je sledovať pohyb snímača IMU, keď sa voľne kýva na kábli, ako kyvadlo.Urobil nejaké výpočty na obrúsku a zdá sa, že je presvedčený, že pri testovaní prototypu poskytnú výsledky, ktoré potrebuje.Snímanie dažďových zrážok sa bude vykonávať pomocou kapacitných snímačov s použitím špeciálneho snímača, ako je MPR121 alebo vstavaná dotyková funkcia v ESP32.Dizajn a umiestnenie dráh elektród sú veľmi dôležité pre správne meranie zrážok pomocou detekcie dažďových kvapiek.Veľkosť, tvar a rozloženie hmotnosti krytu, v ktorom je snímač namontovaný, sú tiež kritické, pretože ovplyvňujú dosah, rozlíšenie a presnosť prístroja.Manolis pracuje na niekoľkých dizajnových nápadoch, ktoré plánuje vyskúšať predtým, ako sa rozhodne, či bude v otočnom kryte celá meteorologická stanica alebo len senzory vo vnútri.
Pre svoj záujem o meteorológiu postavil [Karl] meteorologickú stanicu. Najnovšou z nich je ultrazvukový senzor vetra, ktorý využíva čas letu ultrazvukových impulzov na určenie rýchlosti vetra.
Snímač Carla využíva štyri ultrazvukové prevodníky, orientované na sever, juh, východ a západ, na detekciu rýchlosti vetra.Meraním času potrebného na prechod ultrazvukového impulzu medzi snímačmi v miestnosti a odčítaním meraní v teréne získame čas letu pre každú os, a teda aj rýchlosť vetra.
Ide o pôsobivú ukážku inžinierskych riešení, ktorú sprevádza neuveriteľne podrobná správa o návrhu.