Anemometro ad ultrasuoni

Le stazioni meteorologiche sono un progetto popolare per la sperimentazione di vari sensori ambientali e di solito vengono scelti un semplice anemometro a tazza e una banderuola per determinare la velocità e la direzione del vento.Per la QingStation di Jianjia Ma, ha deciso di costruire un diverso tipo di sensore del vento: un anemometro a ultrasuoni.
Gli anemometri a ultrasuoni non hanno parti mobili, ma il compromesso è un aumento significativo della complessità elettronica.Funzionano misurando il tempo impiegato da un impulso sonoro ultrasonico per riflettersi su un ricevitore a una distanza nota.La direzione del vento può essere calcolata rilevando le letture della velocità da due coppie di sensori a ultrasuoni perpendicolari tra loro e utilizzando una semplice trigonometria.Il corretto funzionamento di un anemometro a ultrasuoni richiede un'attenta progettazione dell'amplificatore analogico all'estremità ricevente e un'ampia elaborazione del segnale per estrarre il segnale corretto dagli echi secondari, dalla propagazione multipercorso e da tutto il rumore causato dall'ambiente.La progettazione e le procedure sperimentali sono ben documentate.Poiché [Jianjia] non ha potuto utilizzare la galleria del vento per i test e la calibrazione, ha installato temporaneamente l'anemometro sul tetto della sua auto e se n'è andato.Il valore risultante è proporzionale alla velocità GPS dell'auto, ma leggermente superiore.Ciò potrebbe essere dovuto a errori di calcolo o fattori esterni come vento o disturbi del flusso d'aria provenienti dal veicolo di prova o da altro traffico stradale.
Altri sensori includono sensori ottici di pioggia, sensori di luce, sensori di luce e BME280 per misurare la pressione dell'aria, l'umidità e la temperatura.Jianjia prevede di utilizzare la QingStation su una barca autonoma, quindi ha aggiunto anche un'IMU, una bussola, un GPS e un microfono per il suono ambientale.
Grazie ai progressi nei sensori, nell'elettronica e nella tecnologia di prototipazione, costruire una stazione meteorologica personale è più semplice che mai.La disponibilità di moduli di rete a basso costo ci consente di garantire che questi dispositivi IoT possano trasmettere le loro informazioni a database pubblici, fornendo alle comunità locali dati meteorologici rilevanti nei loro dintorni.
Manolis Nikiforakis sta cercando di costruire una piramide meteorologica, un dispositivo di misurazione meteorologico completamente allo stato solido, esente da manutenzione, autonomo dal punto di vista energetico e delle comunicazioni, progettato per un'implementazione su larga scala.In genere, le stazioni meteorologiche sono dotate di sensori che misurano temperatura, pressione, umidità, velocità del vento e precipitazioni.Sebbene la maggior parte di questi parametri possa essere misurata utilizzando sensori a stato solido, la determinazione della velocità del vento, della direzione e delle precipitazioni richiede in genere una qualche forma di dispositivo elettromeccanico.
La progettazione di tali sensori è complessa e impegnativa.Quando si pianificano distribuzioni di grandi dimensioni, è inoltre necessario assicurarsi che siano convenienti, facili da installare e che non richiedano una manutenzione frequente.L’eliminazione di tutti questi problemi potrebbe portare alla costruzione di stazioni meteorologiche più affidabili e meno costose, che potrebbero poi essere installate in gran numero in aree remote.
Manolis ha alcune idee su come risolvere questi problemi.Ha intenzione di catturare la velocità e la direzione del vento dall'accelerometro, dal giroscopio e dalla bussola in un'unità sensore inerziale (IMU) (probabilmente un MPU-9150).Il piano è quello di tracciare il movimento del sensore IMU mentre oscilla liberamente su un cavo, come un pendolo.Ha eseguito alcuni calcoli su un tovagliolo e sembra fiducioso che forniranno i risultati di cui ha bisogno durante il test del prototipo.Il rilevamento della pioggia verrà effettuato utilizzando sensori capacitivi utilizzando un sensore dedicato come MPR121 o la funzione touch integrata nell'ESP32.La progettazione e la posizione delle tracce degli elettrodi sono molto importanti per una corretta misurazione delle precipitazioni rilevando le gocce di pioggia.Anche le dimensioni, la forma e la distribuzione del peso dell'alloggiamento in cui è montato il sensore sono fondamentali poiché influiscono sulla portata, sulla risoluzione e sulla precisione dello strumento.Manolis sta lavorando su diverse idee di design che intende provare prima di decidere se l'intera stazione meteorologica sarà all'interno dell'alloggiamento rotante o solo i sensori all'interno.
A causa del suo interesse per la meteorologia, [Karl] costruì una stazione meteorologica. La più recente di queste è il sensore del vento a ultrasuoni, che utilizza il tempo di volo degli impulsi ultrasonici per determinare la velocità del vento.
Il sensore di Carla utilizza quattro trasduttori a ultrasuoni, orientati nord, sud, est e ovest, per rilevare la velocità del vento.Misurando il tempo impiegato da un impulso ultrasonico per viaggiare tra i sensori in una stanza e sottraendo le misurazioni sul campo, otteniamo il tempo di volo per ciascun asse e quindi la velocità del vento.
Si tratta di un'impressionante dimostrazione di soluzioni ingegneristiche, accompagnata da un rapporto di progettazione sorprendentemente dettagliato.