Ultraljudsvindmätare

Väderstationer är ett populärt projekt för att experimentera med olika miljösensorer, och en enkel koppvindmätare och väderflöjel brukar väljas för att bestämma vindhastighet och riktning.För Jianjia Ma's QingStation bestämde han sig för att bygga en annan typ av vindsensor: en ultraljudsvindmätare.
Ultraljudsanemometrar har inga rörliga delar, men avvägningen är en betydande ökning av elektronisk komplexitet.De fungerar genom att mäta den tid det tar för en ultraljudspuls att reflektera till en mottagare på ett känt avstånd.Vindriktningen kan beräknas genom att ta hastighetsavläsningar från två par ultraljudssensorer vinkelräta mot varandra och med hjälp av enkel trigonometri.Korrekt drift av en ultraljudsvindmätare kräver noggrann design av den analoga förstärkaren i mottagningsänden och omfattande signalbehandling för att extrahera den korrekta signalen från sekundära ekon, flervägsutbredning och allt brus som orsakas av omgivningen.Designen och experimentella procedurer är väl dokumenterade.Eftersom [Jianjia] inte kunde använda vindtunneln för testning och kalibrering, installerade han temporärt vindmätaren på taket av sin bil och gick.Det resulterande värdet är proportionellt mot bilens GPS-hastighet, men något högre.Detta kan bero på beräkningsfel eller externa faktorer som vind- eller luftflödesstörningar från testfordonet eller annan vägtrafik.
Andra sensorer inkluderar optiska regnsensorer, ljussensorer, ljussensorer och BME280 för mätning av lufttryck, luftfuktighet och temperatur.Jianjia planerar att använda QingStation på en autonom båt, så han lade också till en IMU, kompass, GPS och mikrofon för omgivande ljud.
Tack vare framsteg inom sensorer, elektronik och prototypteknik är det enklare än någonsin att bygga en personlig väderstation.Tillgången till lågkostnadsnätverksmoduler gör att vi kan säkerställa att dessa IoT-enheter kan överföra sin information till offentliga databaser och förse lokalsamhällen med relevant väderdata i sin omgivning.
Manolis Nikiforakis försöker bygga en väderpyramid, en helt i fast tillstånd, underhållsfri, energi- och kommunikationsautonom vädermätningsenhet designad för storskalig utbyggnad.Vanligtvis är väderstationer utrustade med sensorer som mäter temperatur, tryck, luftfuktighet, vindhastighet och nederbörd.Medan de flesta av dessa parametrar kan mätas med hjälp av solid-state-sensorer, kräver bestämning av vindhastighet, riktning och nederbörd vanligtvis någon form av elektromekanisk anordning.
Utformningen av sådana sensorer är komplex och utmanande.När du planerar stora installationer måste du också se till att de är kostnadseffektiva, lätta att installera och inte kräver frekvent underhåll.Att eliminera alla dessa problem skulle kunna leda till byggandet av mer pålitliga och billigare väderstationer, som sedan skulle kunna installeras i stort antal i avlägsna områden.
Manolis har några idéer om hur man löser dessa problem.Han planerar att fånga vindhastighet och riktning från accelerometern, gyroskopet och kompassen i en tröghetssensorenhet (IMU) (troligen en MPU-9150).Planen är att spåra IMU-sensorns rörelse när den svänger fritt på en kabel, som en pendel.Han har gjort några beräkningar på en servett och verkar övertygad om att de kommer att ge de resultat han behöver när han testar prototypen.Nederbördsavkänning kommer att göras med hjälp av kapacitiva sensorer som använder en dedikerad sensor som MPR121 eller den inbyggda touchfunktionen i ESP32.Utformningen och placeringen av elektrodspåren är mycket viktiga för korrekt nederbördsmätning genom att detektera regndroppar.Storleken, formen och viktfördelningen på höljet där sensorn är monterad är också kritiska eftersom de påverkar instrumentets räckvidd, upplösning och noggrannhet.Manolis jobbar på flera designidéer som han planerar att testa innan han bestämmer sig för om hela väderstationen ska vara inne i det roterande huset eller bara sensorerna inuti.
På grund av sitt intresse för meteorologi byggde [Karl] en väderstation. Den nyaste av dessa är ultraljudsvindsensorn, som använder flygtiden för ultraljudspulser för att bestämma vindhastigheten.
Carlas sensor använder fyra ultraljudsgivare, orienterade mot norr, söder, öster och väster, för att detektera vindhastighet.Genom att mäta tiden det tar för en ultraljudspuls att färdas mellan sensorerna i ett rum och subtrahera fältmätningarna får vi fram flygtiden för varje axel och därmed vindhastigheten.
Detta är en imponerande demonstration av tekniska lösningar, åtföljd av en fantastiskt detaljerad designrapport.