Ανεμόμετρο υπερήχων

Οι μετεωρολογικοί σταθμοί είναι ένα δημοφιλές έργο για πειραματισμούς με διάφορους περιβαλλοντικούς αισθητήρες και συνήθως επιλέγονται ένα απλό ανεμόμετρο κυπέλλου και ανεμοδείκτης για τον προσδιορισμό της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου.Για το QingStation του Jianjia Ma, αποφάσισε να κατασκευάσει έναν διαφορετικό τύπο αισθητήρα ανέμου: ένα ανεμόμετρο υπερήχων.
Τα υπερηχητικά ανεμόμετρα δεν έχουν κινούμενα μέρη, αλλά η αντιστάθμιση είναι μια σημαντική αύξηση στην ηλεκτρονική πολυπλοκότητα.Λειτουργούν μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ανακλαστεί ένας υπερηχητικός παλμός ήχου σε έναν δέκτη σε γνωστή απόσταση.Η διεύθυνση του ανέμου μπορεί να υπολογιστεί λαμβάνοντας μετρήσεις ταχύτητας από δύο ζεύγη αισθητήρων υπερήχων κάθετων μεταξύ τους και χρησιμοποιώντας απλή τριγωνομετρία.Η σωστή λειτουργία ενός ανεμόμετρου υπερήχων απαιτεί προσεκτικό σχεδιασμό του αναλογικού ενισχυτή στο άκρο λήψης και εκτεταμένη επεξεργασία σήματος για την εξαγωγή του σωστού σήματος από τις δευτερεύουσες ηχώ, τη διάδοση πολλαπλών διαδρομών και όλους τους θορύβους που προκαλούνται από το περιβάλλον.Ο σχεδιασμός και οι πειραματικές διαδικασίες είναι καλά τεκμηριωμένες.Επειδή ο [Jianjia] δεν μπόρεσε να χρησιμοποιήσει την αεροδυναμική σήραγγα για δοκιμή και βαθμονόμηση, τοποθέτησε προσωρινά το ανεμόμετρο στην οροφή του αυτοκινήτου του και έφυγε.Η τιμή που προκύπτει είναι ανάλογη με την ταχύτητα GPS του αυτοκινήτου, αλλά ελαφρώς μεγαλύτερη.Αυτό μπορεί να οφείλεται σε σφάλματα υπολογισμού ή σε εξωτερικούς παράγοντες όπως ο άνεμος ή οι διαταραχές της ροής του αέρα από το όχημα δοκιμής ή άλλη οδική κυκλοφορία.
Άλλοι αισθητήρες περιλαμβάνουν οπτικούς αισθητήρες βροχής, αισθητήρες φωτός, αισθητήρες φωτός και BME280 για τη μέτρηση της πίεσης του αέρα, της υγρασίας και της θερμοκρασίας.Ο Jianjia σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει το QingStation σε ένα αυτόνομο σκάφος, επομένως πρόσθεσε επίσης ένα IMU, πυξίδα, GPS και μικρόφωνο για ήχο περιβάλλοντος.
Χάρη στην πρόοδο στους αισθητήρες, τα ηλεκτρονικά και την τεχνολογία πρωτοτύπων, η κατασκευή ενός προσωπικού μετεωρολογικού σταθμού είναι ευκολότερη από ποτέ.Η διαθεσιμότητα μονάδων δικτύου χαμηλού κόστους μας επιτρέπει να διασφαλίσουμε ότι αυτές οι συσκευές IoT μπορούν να μεταδώσουν τις πληροφορίες τους σε δημόσιες βάσεις δεδομένων, παρέχοντας στις τοπικές κοινότητες σχετικά δεδομένα καιρού στο περιβάλλον τους.
Ο Μανώλης Νικηφοράκης προσπαθεί να κατασκευάσει μια πυραμίδα καιρού, μια αυτόνομη συσκευή μέτρησης του καιρού σε πλήρη στερεά κατάσταση, χωρίς συντήρηση, ενέργεια και επικοινωνίες, σχεδιασμένη για ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας.Συνήθως, οι μετεωρολογικοί σταθμοί είναι εξοπλισμένοι με αισθητήρες που μετρούν τη θερμοκρασία, την πίεση, την υγρασία, την ταχύτητα του ανέμου και τη βροχόπτωση.Ενώ οι περισσότερες από αυτές τις παραμέτρους μπορούν να μετρηθούν χρησιμοποιώντας αισθητήρες στερεάς κατάστασης, ο προσδιορισμός της ταχύτητας του ανέμου, της κατεύθυνσης και της βροχόπτωσης απαιτεί συνήθως κάποια μορφή ηλεκτρομηχανικής συσκευής.
Ο σχεδιασμός τέτοιων αισθητήρων είναι περίπλοκος και δύσκολος.Όταν σχεδιάζετε μεγάλες αναπτύξεις, πρέπει επίσης να βεβαιωθείτε ότι είναι οικονομικά αποδοτικές, εύκολες στην εγκατάσταση και δεν απαιτούν συχνή συντήρηση.Η εξάλειψη όλων αυτών των προβλημάτων θα μπορούσε να οδηγήσει στην κατασκευή πιο αξιόπιστων και λιγότερο δαπανηρών μετεωρολογικών σταθμών, οι οποίοι στη συνέχεια θα μπορούσαν να εγκατασταθούν σε μεγάλους αριθμούς σε απομακρυσμένες περιοχές.
Ο Μανώλης έχει μερικές ιδέες για το πώς να λύσετε αυτά τα προβλήματα.Σχεδιάζει να καταγράψει την ταχύτητα και την κατεύθυνση του ανέμου από το επιταχυνσιόμετρο, το γυροσκόπιο και την πυξίδα σε μια μονάδα αδρανειακού αισθητήρα (IMU) (πιθανώς ένα MPU-9150).Το σχέδιο είναι να παρακολουθείτε την κίνηση του αισθητήρα IMU καθώς αιωρείται ελεύθερα σε ένα καλώδιο, σαν ένα εκκρεμές.Έχει κάνει κάποιους υπολογισμούς σε μια χαρτοπετσέτα και δείχνει σίγουρος ότι θα δώσουν τα αποτελέσματα που χρειάζεται κατά τη δοκιμή του πρωτότυπου.Η ανίχνευση βροχόπτωσης θα γίνει χρησιμοποιώντας χωρητικούς αισθητήρες χρησιμοποιώντας έναν αποκλειστικό αισθητήρα όπως ο MPR121 ή την ενσωματωμένη λειτουργία αφής στο ESP32.Ο σχεδιασμός και η θέση των τροχιών των ηλεκτροδίων είναι πολύ σημαντικές για τη σωστή μέτρηση της βροχόπτωσης με την ανίχνευση σταγόνων βροχής.Το μέγεθος, το σχήμα και η κατανομή βάρους του περιβλήματος στο οποίο είναι τοποθετημένος ο αισθητήρας είναι επίσης κρίσιμα καθώς επηρεάζουν την εμβέλεια, την ανάλυση και την ακρίβεια του οργάνου.Ο Μανώλης επεξεργάζεται αρκετές σχεδιαστικές ιδέες που σκοπεύει να δοκιμάσει πριν αποφασίσει εάν ολόκληρος ο μετεωρολογικός σταθμός θα βρίσκεται μέσα στο περιστρεφόμενο περίβλημα ή μόνο οι αισθητήρες μέσα.
Λόγω του ενδιαφέροντός του για τη μετεωρολογία, ο [Karl] κατασκεύασε έναν μετεωρολογικό σταθμό. Ο νεότερος από αυτούς είναι ο υπερηχητικός αισθητήρας ανέμου, ο οποίος χρησιμοποιεί το χρόνο πτήσης των υπερηχητικών παλμών για να καθορίσει την ταχύτητα του ανέμου.
Ο αισθητήρας της Carla χρησιμοποιεί τέσσερις μετατροπείς υπερήχων, με προσανατολισμό βόρεια, νότια, ανατολή και δύση, για να ανιχνεύσει την ταχύτητα του ανέμου.Μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ταξιδέψει ένας παλμός υπερήχων μεταξύ των αισθητήρων σε ένα δωμάτιο και αφαιρώντας τις μετρήσεις πεδίου, λαμβάνουμε τον χρόνο πτήσης για κάθε άξονα και επομένως την ταχύτητα του ανέμου.
Πρόκειται για μια εντυπωσιακή επίδειξη μηχανικών λύσεων, συνοδευόμενη από μια εκπληκτικά λεπτομερή έκθεση σχεδιασμού.