Ultraskaņas anemometrs

Meteoroloģiskās stacijas ir populārs projekts eksperimentiem ar dažādiem vides sensoriem, un vēja ātruma un virziena noteikšanai parasti tiek izvēlēts vienkāršs krūzes anemometrs un vēja spārns. Dzjaņdzja Ma QingStation projektam viņš nolēma uzbūvēt cita veida vēja sensoru: ultraskaņas anemometru.
Ultraskaņas anemometriem nav kustīgu daļu, taču kompromiss ir ievērojams elektroniskās sarežģītības pieaugums. Tie darbojas, mērot laiku, kas nepieciešams, lai ultraskaņas skaņas impulss atstarotos līdz uztvērējam zināmā attālumā. Vēja virzienu var aprēķināt, ņemot ātruma rādījumus no diviem ultraskaņas sensoru pāriem, kas ir perpendikulāri viens otram, un izmantojot vienkāršu trigonometriju. Ultraskaņas anemometra pareizai darbībai ir nepieciešama rūpīga analogā pastiprinātāja konstrukcija uztvērēja galā un plaša signāla apstrāde, lai iegūtu pareizo signālu no sekundārajām atbalsīm, daudzceļu izplatīšanās un visiem vides radītajiem trokšņiem. Projektēšanas un eksperimentālās procedūras ir labi dokumentētas. Tā kā [Džaņdzja] nevarēja izmantot vēja tuneli testēšanai un kalibrēšanai, viņš īslaicīgi uzstādīja anemometru uz savas automašīnas jumta un aizbrauca. Iegūtā vērtība ir proporcionāla automašīnas GPS ātrumam, bet nedaudz lielāka. Tas var būt saistīts ar aprēķinu kļūdām vai ārējiem faktoriem, piemēram, vēju vai gaisa plūsmas traucējumiem no testa transportlīdzekļa vai citas ceļu satiksmes.
Citi sensori ietver optiskos lietus sensorus, gaismas sensorus, gaismas sensorus un BME280 gaisa spiediena, mitruma un temperatūras mērīšanai. Dzjaņdzja plāno izmantot QingStation autonomā laivā, tāpēc viņš pievienoja arī IMU, kompasu, GPS un mikrofonu apkārtējās skaņas uztveršanai.
Pateicoties sensoru, elektronikas un prototipu tehnoloģiju attīstībai, personīgās meteoroloģiskās stacijas izveide ir vienkāršāka nekā jebkad agrāk. Lētu tīkla moduļu pieejamība ļauj mums nodrošināt, ka šīs lietu interneta (IoT) ierīces var pārsūtīt savu informāciju uz publiskām datubāzēm, nodrošinot vietējām kopienām atbilstošus laika apstākļu datus to apkārtnē.
Manolis Nikiforakis mēģina uzbūvēt Laika piramīdu — pilnībā cietvielu, bezapkopes, enerģijas un sakaru ziņā autonomu laika apstākļu mērīšanas ierīci, kas paredzēta plaša mēroga izvietošanai. Parasti laika apstākļu stacijas ir aprīkotas ar sensoriem, kas mēra temperatūru, spiedienu, mitrumu, vēja ātrumu un nokrišņus. Lai gan lielāko daļu šo parametru var izmērīt, izmantojot cietvielu sensorus, vēja ātruma, virziena un nokrišņu noteikšanai parasti ir nepieciešama kāda elektromehāniska ierīce.
Šādu sensoru konstrukcija ir sarežģīta un izaicinoša. Plānojot liela mēroga izvietošanu, jānodrošina arī tas, lai tie būtu rentabli, viegli uzstādāmi un tiem nebūtu nepieciešama bieža apkope. Visu šo problēmu novēršana varētu novest pie uzticamāku un lētāku meteoroloģisko staciju būvniecības, kuras pēc tam varētu lielā skaitā uzstādīt attālos apgabalos.
Manolim ir dažas idejas, kā atrisināt šīs problēmas. Viņš plāno uztvert vēja ātrumu un virzienu no akselerometra, žiroskopa un kompasa inerciālā sensora blokā (IMU) (iespējams, MPU-9150). Plāns ir izsekot IMU sensora kustībai, tam brīvi šūpojoties uz kabeļa, līdzīgi kā svārstam. Viņš ir veicis dažus aprēķinus uz salvetes un šķiet pārliecināts, ka tie sniegs nepieciešamos rezultātus, testējot prototipu. Nokrišņu noteikšana tiks veikta, izmantojot kapacitatīvus sensorus, izmantojot speciālu sensoru, piemēram, MPR121 vai iebūvēto skārienfunkciju ESP32. Elektrodu sliežu dizains un atrašanās vieta ir ļoti svarīga pareizai nokrišņu mērīšanai, nosakot lietus lāses. Korpusa, kurā sensors ir uzstādīts, izmērs, forma un svara sadalījums ir arī kritiski svarīgi, jo tie ietekmē instrumenta diapazonu, izšķirtspēju un precizitāti. Manolis strādā pie vairākām dizaina idejām, kuras viņš plāno izmēģināt, pirms izlems, vai visa meteoroloģiskā stacija atradīsies rotējošā korpusa iekšpusē vai tikai sensori iekšpusē.
Interesējoties par meteoroloģiju, [Karlis] uzbūvēja meteoroloģisko staciju. Jaunākais no tiem ir ultraskaņas vēja sensors, kas izmanto ultraskaņas impulsu lidojuma laiku, lai noteiktu vēja ātrumu.
Karlas sensors vēja ātruma noteikšanai izmanto četrus ultraskaņas devējus, kas orientēti ziemeļu, dienvidu, austrumu un rietumu virzienā. Izmērot laiku, kas nepieciešams, lai ultraskaņas impulss pārvietotos starp sensoriem telpā, un atņemot lauka mērījumus, mēs iegūstam lidojuma laiku katrai asij un līdz ar to vēja ātrumu.
Šī ir iespaidīga inženiertehnisko risinājumu demonstrācija, ko papildina satriecoši detalizēts projektēšanas ziņojums.