Ултразвучен анемометар

Метеоролошките станици се популарен проект за експериментирање со разни сензори за животната средина, а за одредување на брзината и насоката на ветерот обично се избира едноставен анемометар во форма на чаша и временски лопатка. За станицата „Кинг“ на Џианџија Ма, тој одлучил да изгради различен тип на сензор за ветер: ултразвучен анемометар.
Ултразвучните анемометри немаат подвижни делови, но компромисот е значително зголемување на електронската комплексност. Тие работат со мерење на времето потребно за ултразвучен звучен импулс да се рефлектира до приемник на познато растојание. Насоката на ветерот може да се пресмета со земање мерења на брзината од два пара ултразвучни сензори нормални еден на друг и со користење на едноставна тригонометрија. Правилното работење на ултразвучен анемометар бара внимателно дизајнирање на аналогниот засилувач на приемниот крај и обемна обработка на сигналот за да се извлече точниот сигнал од секундарните еха, ширењето на повеќе патеки и целата бучава предизвикана од околината. Дизајнирањето и експерименталните процедури се добро документирани. Бидејќи [Џианџија] не можеше да го користи аеротунелот за тестирање и калибрација, тој привремено го инсталираше анемометарот на покривот на својот автомобил и замина. Добиената вредност е пропорционална на GPS брзината на автомобилот, но малку повисока. Ова може да се должи на грешки во пресметката или надворешни фактори како што се нарушувања на ветерот или протокот на воздух од тест возилото или друг патен сообраќај.
Други сензори вклучуваат оптички сензори за дожд, сензори за светлина, сензори за светлина и BME280 за мерење на воздушен притисок, влажност и температура. Џианџија планира да ја користи QingStation на автономен брод, па затоа додаде и IMU, компас, GPS и микрофон за амбиентален звук.
Благодарение на напредокот во сензорите, електрониката и технологијата за прототипирање, градењето лична метеоролошка станица е полесно од кога било. Достапноста на евтини мрежни модули ни овозможува да осигуриме дека овие IoT уреди можат да ги пренесуваат своите информации до јавни бази на податоци, обезбедувајќи им на локалните заедници релевантни податоци за времето во нивната околина.
Манолис Никифоракис се обидува да изгради Временска пирамида, уред за мерење на времето во цврста состојба, без одржување, кој е автономен со енергија и комуникации, дизајниран за распоредување во големи размери. Типично, временските станици се опремени со сензори кои мерат температура, притисок, влажност, брзина на ветерот и врнежи. Иако повеќето од овие параметри може да се мерат со помош на сензори во цврста состојба, одредувањето на брзината, насоката и врнежите обично бара некаков вид електромеханички уред.
Дизајнот на ваквите сензори е сложен и предизвикувачки. При планирање на големи распоредувања, треба да се осигурате дека тие се исплатливи, лесни за инсталирање и не бараат често одржување. Елиминирањето на сите овие проблеми би можело да доведе до изградба на посигурни и поевтини метеоролошки станици, кои потоа би можеле да се инсталираат во голем број во оддалечени области.
Манолис има неколку идеи за тоа како да се решат овие проблеми. Тој планира да ја сними брзината и насоката на ветерот од акцелерометарот, жироскопот и компасот во инерцијална сензорска единица (IMU) (веројатно MPU-9150). Планот е да се следи движењето на IMU сензорот додека слободно се ниша на кабел, како нишало. Тој направил некои пресметки на салфетка и се чини уверен дека тие ќе ги дадат резултатите што му се потребни при тестирањето на прототипот. Сензорирањето на врнежите ќе се врши со помош на капацитивни сензори со помош на наменски сензор како што е MPR121 или вградената функција на допир во ESP32. Дизајнот и локацијата на трагите на електродите се многу важни за правилно мерење на врнежите со откривање на капки дожд. Големината, обликот и распределбата на тежината на куќиштето во кое е монтиран сензорот се исто така критични бидејќи влијаат на опсегот, резолуцијата и точноста на инструментот. Манолис работи на неколку идеи за дизајн што планира да ги испроба пред да одлучи дали целата метеоролошка станица ќе биде во ротирачкото куќиште или само сензорите внатре.
Поради неговиот интерес за метеорологија, [Карл] изградил метеоролошка станица. Најновиот од нив е ултразвучниот сензор за ветер, кој го користи времето на лет на ултразвучните импулси за да ја одреди брзината на ветерот.
Сензорот на Карла користи четири ултразвучни преобразувачи, ориентирани кон север, југ, исток и запад, за да ја детектира брзината на ветерот. Со мерење на времето потребно за ултразвучен импулс да патува помеѓу сензорите во просторијата и одземање на мерењата на полето, го добиваме времето на лет за секоја оска и со тоа брзината на ветерот.
Ова е импресивна демонстрација на инженерски решенија, придружена со неверојатно детален извештај за дизајнот.