Ultrasoniese Anemometer

Weerstasies is 'n gewilde projek vir eksperimentering met verskeie omgewingsensors, en 'n eenvoudige koppie-anemometer en weervaan word gewoonlik gekies om windspoed en -rigting te bepaal. Vir Jianjia Ma se QingStation het hy besluit om 'n ander tipe windsensor te bou: 'n ultrasoniese anemometer.
Ultrasoniese anemometers het geen bewegende dele nie, maar die nadeel is 'n beduidende toename in elektroniese kompleksiteit. Hulle werk deur die tyd te meet wat dit neem vir 'n ultrasoniese klankpuls om na 'n ontvanger op 'n bekende afstand te reflekteer. Windrigting kan bereken word deur spoedlesings van twee pare ultrasoniese sensors loodreg op mekaar te neem en eenvoudige trigonometrie te gebruik. Die behoorlike werking van 'n ultrasoniese anemometer vereis noukeurige ontwerp van die analoogversterker aan die ontvangkant en uitgebreide seinverwerking om die korrekte sein uit sekondêre eggo's, multipadvoortplanting en alle geraas wat deur die omgewing veroorsaak word, te onttrek. Die ontwerp- en eksperimentele prosedures is goed gedokumenteer. Aangesien [Jianjia] nie die windtunnel vir toetsing en kalibrasie kon gebruik nie, het hy die anemometer tydelik op die dak van sy motor geïnstalleer en vertrek. Die gevolglike waarde is eweredig aan die motor se GPS-spoed, maar effens hoër. Dit kan wees as gevolg van berekeningsfoute of eksterne faktore soos wind- of lugvloeiversteurings van die toetsvoertuig of ander padverkeer.
Ander sensors sluit in optiese reënsensors, ligsensors, ligsensors en BME280 vir die meting van lugdruk, humiditeit en temperatuur. Jianjia beplan om die QingStation op 'n outonome boot te gebruik, daarom het hy ook 'n IMU, kompas, GPS en mikrofoon vir omgewingsklank bygevoeg.
Danksy vooruitgang in sensors, elektronika en prototiperingstegnologie is die bou van 'n persoonlike weerstasie makliker as ooit tevore. Die beskikbaarheid van laekoste-netwerkmodules stel ons in staat om te verseker dat hierdie IoT-toestelle hul inligting na openbare databasisse kan oordra, wat plaaslike gemeenskappe van relevante weerdata in hul omgewing voorsien.
Manolis Nikiforakis probeer om 'n Weerpiramide te bou, 'n volledig vastetoestand-, onderhoudsvrye, energie- en kommunikasie-outonome weermetingstoestel wat ontwerp is vir grootskaalse ontplooiing. Tipies is weerstasies toegerus met sensors wat temperatuur, druk, humiditeit, windspoed en neerslag meet. Terwyl die meeste van hierdie parameters met behulp van vastetoestandsensors gemeet kan word, vereis die bepaling van windspoed, rigting en neerslag tipies 'n vorm van elektromeganiese toestel.
Die ontwerp van sulke sensors is kompleks en uitdagend. Wanneer groot ontplooiings beplan word, moet jy ook verseker dat hulle koste-effektief, maklik om te installeer en nie gereelde onderhoud benodig nie. Die uitskakeling van al hierdie probleme kan lei tot die konstruksie van meer betroubare en goedkoper weerstasies, wat dan in groot getalle in afgeleë gebiede geïnstalleer kan word.
Manolis het 'n paar idees oor hoe om hierdie probleme op te los. Hy beplan om windspoed en -rigting van die versnellingsmeter, giroskoop en kompas in 'n traagheidsensoreenheid (IMU) (waarskynlik 'n MPU-9150) vas te lê. Die plan is om die beweging van die IMU-sensor op te spoor terwyl dit vrylik op 'n kabel swaai, soos 'n pendulum. Hy het 'n paar berekeninge op 'n servet gedoen en lyk vol vertroue dat hulle die resultate sal gee wat hy benodig wanneer hy die prototipe toets. Reënvalwaarneming sal gedoen word met behulp van kapasitiewe sensors wat 'n toegewyde sensor soos die MPR121 of die ingeboude aanraakfunksie in die ESP32 gebruik. Die ontwerp en ligging van die elektrodespore is baie belangrik vir korrekte neerslagmeting deur reëndruppels op te spoor. Die grootte, vorm en gewigsverspreiding van die behuising waarin die sensor gemonteer is, is ook krities, aangesien dit die reikwydte, resolusie en akkuraatheid van die instrument beïnvloed. Manolis werk aan verskeie ontwerpidees wat hy beplan om uit te probeer voordat hy besluit of die hele weerstasie binne die roterende behuising sal wees of net die sensors binne.
As gevolg van sy belangstelling in meteorologie het [Karl] 'n weerstasie gebou. Die nuutste hiervan is die ultrasoniese windsensor, wat die vlugtyd van ultrasoniese pulse gebruik om windspoed te bepaal.
Carla se sensor gebruik vier ultrasoniese omsetters, georiënteerd noord, suid, oos en wes, om windsnelheid te bepaal. Deur die tyd te meet wat dit neem vir 'n ultrasoniese puls om tussen die sensors in 'n kamer te beweeg en die veldmetings af te trek, verkry ons die vlugtyd vir elke as en dus die windsnelheid.
Dit is 'n indrukwekkende demonstrasie van ingenieursoplossings, vergesel van 'n verstommend gedetailleerde ontwerpverslag.