Υπερηχητικό Ανεμόμετρο

Οι μετεωρολογικοί σταθμοί είναι ένα δημοφιλές έργο για πειραματισμό με διάφορους περιβαλλοντικούς αισθητήρες και συνήθως επιλέγονται ένα απλό ανεμόμετρο σε σχήμα κυπέλλου και ένα ανεμοδείκτης για τον προσδιορισμό της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου. Για τον σταθμό QingStation του Jianjia Ma, αποφάσισε να κατασκευάσει έναν διαφορετικό τύπο αισθητήρα ανέμου: ένα υπερηχητικό ανεμόμετρο.
Τα υπερηχητικά ανεμόμετρα δεν έχουν κινούμενα μέρη, αλλά το μειονέκτημα είναι η σημαντική αύξηση της ηλεκτρονικής πολυπλοκότητας. Λειτουργούν μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται ένας υπερηχητικός ηχητικός παλμός για να ανακλαστεί σε έναν δέκτη σε γνωστή απόσταση. Η κατεύθυνση του ανέμου μπορεί να υπολογιστεί λαμβάνοντας μετρήσεις ταχύτητας από δύο ζεύγη υπερηχητικών αισθητήρων κάθετων μεταξύ τους και χρησιμοποιώντας απλή τριγωνομετρία. Η σωστή λειτουργία ενός υπερηχητικού ανεμόμετρου απαιτεί προσεκτικό σχεδιασμό του αναλογικού ενισχυτή στο άκρο λήψης και εκτεταμένη επεξεργασία σήματος για την εξαγωγή του σωστού σήματος από δευτερεύουσες ηχώ, διάδοση πολλαπλών διαδρομών και όλο τον θόρυβο που προκαλείται από το περιβάλλον. Οι διαδικασίες σχεδιασμού και πειραματισμού είναι καλά τεκμηριωμένες. Δεδομένου ότι ο [Jianjia] δεν μπόρεσε να χρησιμοποιήσει την αεροδυναμική σήραγγα για δοκιμές και βαθμονόμηση, εγκατέστησε προσωρινά το ανεμόμετρο στην οροφή του αυτοκινήτου του και έφυγε. Η προκύπτουσα τιμή είναι ανάλογη με την ταχύτητα GPS του αυτοκινήτου, αλλά ελαφρώς υψηλότερη. 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, γι' αυτό πρόσθεσε επίσης μια μονάδα IMU, πυξίδα, GPS και μικρόφωνο για τον ήχο περιβάλλοντος.
Χάρη στις εξελίξεις στους αισθητήρες, την ηλεκτρονική και την τεχνολογία πρωτοτύπων, η κατασκευή ενός προσωπικού μετεωρολογικού σταθμού είναι ευκολότερη από ποτέ. Η διαθεσιμότητα οικονομικών μονάδων δικτύου μας επιτρέπει να διασφαλίσουμε ότι αυτές οι συσκευές IoT μπορούν να μεταδίδουν τις πληροφορίες τους σε δημόσιες βάσεις δεδομένων, παρέχοντας στις τοπικές κοινότητες σχετικά μετεωρολογικά δεδομένα στο περιβάλλον τους.
Ο Μανώλης Νικηφοράκης προσπαθεί να κατασκευάσει μια Πυραμίδα Καιρού, μια συσκευή μέτρησης καιρού στερεάς κατάστασης, χωρίς απαιτήσεις συντήρησης, αυτόνομη ως προς την ενέργεια και τις 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 τις βροχοπτώσεις. Ενώ οι περισσότερες από αυτές τις παραμέτρους μπορούν να μετρηθούν χρησιμοποιώντας αισθητήρες στερεάς κατάστασης, ο προσδιορισμός της ταχύτητας, της κατεύθυνσης του ανέμου και των βροχοπτώσεων συνήθως απαιτεί κάποια μορφή ηλεκτρομηχανικής συσκευής.
Ο σχεδιασμός τέτοιων αισθητήρων είναι πολύπλοκος και απαιτητικός. Κατά τον σχεδιασμό μεγάλων εγκαταστάσεων, πρέπει επίσης να διασφαλίσετε ότι είναι οικονομικά αποδοτικοί, εύκολοι 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 κάποιες ιδέες για το πώς να λύσει 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 μια MPU-9150). Το σχέδιο είναι να παρακολουθείται η κίνηση του αισθητήρα IMU καθώς ταλαντεύεται ελεύθερα σε ένα καλώδιο, σαν εκκρεμές. Έχει κάνει κάποιους υπολογισμούς σε μια χαρτοπετσέτα και φαίνεται σίγουρος ότι θα δώσουν τα αποτελέσματα που χρειάζεται κατά τη δοκιμή του πρωτοτύπου. Η ανίχνευση βροχόπτωσης θα γίνεται χρησιμοποιώντας χωρητικούς αισθητήρες χρησιμοποιώντας έναν ειδικό αισθητήρα όπως ο MPR121 ή την ενσωματωμένη λειτουργία αφής στο ESP32. Ο σχεδιασμός και η θέση των τροχιών ηλεκτροδίων είναι πολύ σημαντικά για τη σωστή μέτρηση της βροχόπτωσης ανιχνεύοντας σταγόνες 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 εργάζεται πάνω σε διάφορες ιδέες σχεδιασμού που σκοπεύει να δοκιμάσει πριν αποφασίσει αν ολόκληρος ο μετεωρολογικός σταθμός θα βρίσκεται μέσα στο περιστρεφόμενο περίβλημα ή μόνο οι αισθητήρες στο εσωτερικό.
Λόγω του ενδιαφέροντός του για τη μετεωρολογία, [ο Καρλ] κατασκεύασε έναν μετεωρολογικό σταθμό. Ο νεότερος από αυτούς είναι ο υπερηχητικός αισθητήρας ανέμου, ο οποίος χρησιμοποιεί τον χρόνο πτήσης των υπερηχητικών παλμών για να προσδιορίσει την ταχύτητα του ανέμου.
Ο αισθητήρας της Carla χρησιμοποιεί τέσσερις υπερηχητικούς μετατροπείς, προσανατολισμένους προς βορρά, νότο, ανατολή και δύση, για την ανίχνευση της ταχύτητας του ανέμου. Μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται ένας υπερηχητικός παλμός για να ταξιδέψει 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.