Ultraljudsvindmätare

Väderstationer är ett populärt projekt för att experimentera med olika miljösensorer, och en enkel koppanemometer och väderflöjel används vanligtvis för att bestämma vindhastighet och -riktning. För Jianjia Mas QingStation bestämde han sig för att bygga en annan typ av vindsensor: en ultraljuds-anemometer.
Ultraljudsvindmätare har inga rörliga delar, men nackdelen är en betydande ökning av den elektroniska komplexiteten. De fungerar genom att mäta den tid det tar för en ultraljudspuls att reflekteras till en mottagare på ett känt avstånd. Vindriktningen kan beräknas genom att ta hastighetsavläsningar från två par ultraljudssensorer vinkelräta mot varandra och använda enkel trigonometri. Korrekt drift av en ultraljudsvindmätare kräver noggrann design av den analoga förstärkaren vid mottagaränden och omfattande signalbehandling för att extrahera rätt signal från sekundära ekon, flervägsutbredning och allt brus som orsakas av omgivningen. Design- och experimentprocedurerna är väl dokumenterade. Eftersom [Jianjia] inte kunde använda vindtunneln för testning och kalibrering installerade han tillfälligt vindmätaren på taket av sin bil och lämnade. 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 billiga nätverksmoduler gör det möjligt för oss att säkerställa att dessa IoT-enheter kan överföra sin information till offentliga databaser, vilket förser lokala samhällen med relevant väderdata i sin omgivning.
Manolis Nikiforakis försöker bygga en väderpyramid, en heltäckande, underhållsfri, energi- och kommunikationsautonom vädermätningsenhet i fast tillstånd, avsedd för storskalig driftsättning. Vanligtvis är väderstationer utrustade med sensorer som mäter temperatur, tryck, fuktighet, vindhastighet och nederbörd. Medan de flesta av dessa parametrar kan mätas med fast tillståndssensorer, kräver bestämning av vindhastighet, riktning och nederbörd vanligtvis någon form av elektromekanisk anordning.
Utformningen av sådana sensorer är komplex och utmanande. När man planerar stora utplaceringar måste man också se till att de är kostnadseffektiva, enkla att installera och inte kräver frekvent underhåll. Att eliminera alla dessa problem skulle kunna leda till byggandet av mer tillförlitliga och billigare väderstationer, som sedan skulle kunna installeras i stort antal i avlägsna områden.
Manolis har några idéer om hur man kan lösa dessa problem. Han planerar att fånga vindhastighet och -riktning från accelerometern, gyroskopet och kompassen i en tröghetssensorenhet (IMU) (förmodligen 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 säker på att de kommer att ge de resultat han behöver när han testar prototypen. Regnmätning kommer att göras med hjälp av kapacitiva sensorer som använder en dedikerad sensor som MPR121 eller den inbyggda pekfunktionen 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 avgörande eftersom de påverkar instrumentets räckvidd, upplösning och noggrannhet. Manolis arbetar med flera designidéer som han planerar att testa innan han bestämmer sig för om hela väderstationen ska vara inuti det roterande höljet eller bara sensorerna inuti.
På grund av sitt intresse för meteorologi byggde [Karl] en väderstation. Den nyaste av dessa är ultraljudsvindsensorn, som använder ultraljudspulsernas flygtid för att bestämma vindhastigheten.
Carlas sensor använder fyra ultraljudsgivare, orienterade norr, söder, öster och väster, för att mäta vindhastigheten. Genom att mäta den tid det tar för en ultraljudspuls att färdas mellan sensorerna i ett rum och subtrahera fältmätningarna får vi flygtiden för varje axel och därmed vindhastigheten.
Detta är en imponerande demonstration av tekniska lösningar, åtföljd av en otroligt detaljerad designrapport.