Anemometro a ultrasuoni

Le stazioni meteorologiche sono un progetto popolare per sperimentare vari sensori ambientali, e per determinare la velocità e la direzione del vento si scelgono solitamente un semplice anemometro a coppetta e una banderuola. Per la QingStation di Jianjia Ma, l'uomo 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 ultrasonico per riflettersi su un ricevitore a una distanza nota. La direzione del vento può essere calcolata rilevando la velocità da due coppie di sensori a ultrasuoni perpendicolari tra loro e utilizzando semplici regole trigonometriche. Il corretto funzionamento di un anemometro a ultrasuoni richiede un'attenta progettazione dell'amplificatore analogico all'estremità ricevente e un'elaborazione del segnale completa per estrarre il segnale corretto dagli echi secondari, dalla propagazione multipath e da tutto il rumore causato dall'ambiente. La progettazione e le procedure sperimentali sono ben documentate. Poiché [Jianjia] non è stato in grado di 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 a fattori esterni come il vento o le perturbazioni del flusso d'aria provenienti dal veicolo di prova o da altro traffico stradale.
Altri sensori includono sensori ottici per la pioggia, sensori di luce, sensori di luminosità e BME280 per la misurazione della pressione atmosferica, dell'umidità e della temperatura. Jianjia prevede di utilizzare la QingStation su un'imbarcazione autonoma, quindi ha aggiunto anche un'IMU, una bussola, un GPS e un microfono per i suoni ambientali.
Grazie ai progressi nei sensori, nell'elettronica e nella tecnologia di prototipazione, costruire una stazione meteorologica personale è più facile 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 per il loro ambiente.
Manolis Nikiforakis sta cercando di costruire una Piramide Meteorologica, un dispositivo di misurazione meteorologica completamente allo stato solido, esente da manutenzione e 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 allo stato solido, la determinazione della velocità, della direzione del vento e delle precipitazioni richiede in genere un dispositivo elettromeccanico.
La progettazione di tali sensori è complessa e impegnativa. Quando si pianificano installazioni su larga scala, è anche necessario assicurarsi che siano convenienti, facili da installare e non richiedano una manutenzione frequente. Eliminare 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 in programma di acquisire 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 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 daranno i risultati necessari durante il test del prototipo. Il rilevamento della pioggia sarà effettuato utilizzando sensori capacitivi con un sensore dedicato come l'MPR121 o la funzione touch integrata nell'ESP32. Il design e la posizione delle tracce degli elettrodi sono molto importanti per una corretta misurazione delle precipitazioni tramite il rilevamento delle gocce di pioggia. Anche le dimensioni, la forma e la distribuzione del peso dell'alloggiamento in cui è montato il sensore sono fondamentali, poiché influenzano la portata, la risoluzione e la precisione dello strumento. Manolis sta lavorando a diverse idee progettuali che intende testare prima di decidere se l'intera stazione meteorologica sarà all'interno dell'alloggiamento rotante o solo i sensori al suo interno.
Grazie al 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 percorrenza degli impulsi ultrasonici per determinare la velocità del vento.
Il sensore di Carla utilizza quattro trasduttori ultrasonici, orientati a nord, sud, est e ovest, per rilevare la velocità del vento. Misurando il tempo impiegato da un impulso ultrasonico per percorrere la distanza 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 una dimostrazione impressionante di soluzioni ingegneristiche, accompagnata da un rapporto di progettazione straordinariamente dettagliato.