Ultralyd-anemometer

Værstasjoner er et populært prosjekt for å eksperimentere med ulike miljøsensorer, og en enkel koppanemometer og en værhane velges vanligvis for å bestemme vindhastighet og -retning. For Jianjia Mas QingStation bestemte han seg for å bygge en annen type vindsensor: en ultralydanemometer.
Ultralydanemometre har ingen bevegelige deler, men ulempen er en betydelig økning i elektronisk kompleksitet. De fungerer ved å måle tiden det tar for en ultralydpuls å reflekteres til en mottaker på en kjent avstand. Vindretningen kan beregnes ved å ta hastighetsavlesninger fra to par ultralydsensorer vinkelrett på hverandre og bruke enkel trigonometri. Riktig drift av et ultralydanemometer krever nøye design av den analoge forsterkeren i mottakerenden og omfattende signalbehandling for å trekke ut riktig signal fra sekundære ekkoer, flerveisforplantning og all støy forårsaket av miljøet. Design- og eksperimentelle prosedyrer er godt dokumentert. Siden [Jianjia] ikke kunne bruke vindtunnelen til testing og kalibrering, installerte han midlertidig anemometeret på taket av bilen sin og dro. Den resulterende verdien er proporsjonal med bilens GPS-hastighet, men litt høyere. Dette kan skyldes beregningsfeil eller eksterne faktorer som vind- eller luftstrømforstyrrelser fra testkjøretøyet eller annen veitrafikk.
Andre sensorer inkluderer optiske regnsensorer, lyssensorer, lyssensorer og BME280 for måling av lufttrykk, fuktighet og temperatur. Jianjia planlegger å bruke QingStation på en autonom båt, så han la også til en IMU, kompass, GPS og mikrofon for omgivelseslyd.
Takket være fremskritt innen sensorer, elektronikk og prototypeteknologi er det enklere enn noensinne å bygge en personlig værstasjon. Tilgjengeligheten av rimelige nettverksmoduler lar oss sikre at disse IoT-enhetene kan overføre informasjonen sin til offentlige databaser, og dermed gi lokalsamfunn relevante værdata i omgivelsene sine.
Manolis Nikiforakis prøver å bygge en værpyramide, en hel-faststoff, vedlikeholdsfri, energi- og kommunikasjonsautonom værmålingsenhet designet for storskala distribusjon. Vanligvis er værstasjoner utstyrt med sensorer som måler temperatur, trykk, fuktighet, vindhastighet og nedbør. Selv om de fleste av disse parametrene kan måles ved hjelp av faststoffsensorer, krever bestemmelse av vindhastighet, retning og nedbør vanligvis en eller annen form for elektromekanisk enhet.
Utformingen av slike sensorer er kompleks og utfordrende. Når man planlegger store utplasseringer, må man også sørge for at de er kostnadseffektive, enkle å installere og ikke krever hyppig vedlikehold. Å eliminere alle disse problemene kan føre til bygging av mer pålitelige og rimeligere værstasjoner, som deretter kan installeres i stort antall i avsidesliggende områder.
Manolis har noen ideer om hvordan han kan løse disse problemene. Han planlegger å fange opp vindhastighet og -retning fra akselerometeret, gyroskopet og kompasset i en treghetssensorenhet (IMU) (sannsynligvis en MPU-9150). Planen er å spore bevegelsen til IMU-sensoren mens den svinger fritt på en kabel, som en pendel. Han har gjort noen beregninger på en serviett og virker sikker på at de vil gi resultatene han trenger når han tester prototypen. Regnmåling vil bli gjort ved hjelp av kapasitive sensorer som bruker en dedikert sensor som MPR121 eller den innebygde berøringsfunksjonen i ESP32. Utformingen og plasseringen av elektrodesporene er svært viktig for korrekt nedbørsmåling ved å oppdage regndråper. Størrelsen, formen og vektfordelingen på huset som sensoren er montert i er også kritiske, da de påvirker instrumentets rekkevidde, oppløsning og nøyaktighet. Manolis jobber med flere designideer som han planlegger å prøve ut før han bestemmer seg for om hele værstasjonen skal være inne i det roterende huset eller bare sensorene inni.
På grunn av sin interesse for meteorologi bygde [Karl] en værstasjon. Den nyeste av disse er ultralydvindsensoren, som bruker ultralydpulsenes flytid for å bestemme vindhastigheten.
Carlas sensor bruker fire ultralydtransdusere, orientert nord, sør, øst og vest, for å registrere vindhastighet. Ved å måle tiden det tar for en ultralydpuls å bevege seg mellom sensorene i et rom og subtrahere feltmålingene, får vi flygetiden for hver akse og dermed vindhastigheten.
Dette er en imponerende demonstrasjon av ingeniørløsninger, ledsaget av en utrolig detaljert designrapport.