Anemómetro ultrasónico

As estacións meteorolóxicas son un proxecto popular para experimentar con varios sensores ambientais, e adoitan escollerse un anemómetro de copa simple e un catavento para determinar a velocidade e a dirección do vento. Para a QingStation de Jianjia Ma, decidiu construír un tipo diferente de sensor de vento: un anemómetro ultrasónico.
Os anemómetros ultrasónicos non teñen pezas móbiles, pero a contrapartida é un aumento significativo da complexidade electrónica. Funcionan medindo o tempo que tarda un pulso de son ultrasónico en reflectirse nun receptor a unha distancia coñecida. A dirección do vento pódese calcular tomando lecturas de velocidade de dous pares de sensores ultrasónicos perpendiculares entre si e usando trigonometría simple. O funcionamento axeitado dun anemómetro ultrasónico require un deseño coidadoso do amplificador analóxico no extremo receptor e un amplo procesamento de sinal para extraer o sinal correcto dos ecos secundarios, a propagación multitraxectoria e todo o ruído causado polo ambiente. O deseño e os procedementos experimentais están ben documentados. Dado que [Jianjia] non puido usar o túnel de vento para probas e calibración, instalou temporalmente o anemómetro no teito do seu coche e marchou. O valor resultante é proporcional á velocidade GPS do coche, pero lixeiramente superior. Isto pode deberse a erros de cálculo ou a factores externos como o vento ou as perturbacións do fluxo de aire do vehículo de proba ou doutro tráfico rodado.
Outros sensores inclúen sensores ópticos de choiva, sensores de luz e o BME280 para medir a presión do aire, a humidade e a temperatura. Jianjia planea usar o QingStation nun barco autónomo, polo que tamén engadiu unha IMU, unha brúxula, un GPS e un micrófono para o son ambiental.
Grazas aos avances en sensores, electrónica e tecnoloxía de prototipado, construír unha estación meteorolóxica persoal é máis doado que nunca. A dispoñibilidade de módulos de rede de baixo custo permítenos garantir que estes dispositivos IoT poidan transmitir a súa información a bases de datos públicas, proporcionando ás comunidades locais datos meteorolóxicos relevantes na súa contorna.
Manolis Nikiforakis está a tentar construír unha Pirámide Meteorolóxica, un dispositivo de medición meteorolóxica totalmente de estado sólido, sen mantemento, autónomo en enerxía e comunicacións, deseñado para un despregamento a grande escala. Normalmente, as estacións meteorolóxicas están equipadas con sensores que miden a temperatura, a presión, a humidade, a velocidade do vento e as precipitacións. Aínda que a maioría destes parámetros pódense medir mediante sensores de estado sólido, a determinación da velocidade, dirección e precipitacións do vento adoita requirir algún tipo de dispositivo electromecánico.
O deseño destes sensores é complexo e desafiante. Ao planificar grandes despregamentos, tamén cómpre garantir que sexan rendibles, fáciles de instalar e que non requiran mantemento frecuente. A eliminación de todos estes problemas podería levar á construción de estacións meteorolóxicas máis fiables e menos custosas, que logo poderían instalarse en grandes cantidades en zonas remotas.
Manolis ten algunhas ideas sobre como resolver estes problemas. Planea capturar a velocidade e a dirección do vento a partir do acelerómetro, o xiroscopio e a brúxula nunha unidade de sensor inercial (IMU) (probablemente unha MPU-9150). O plan é rastrexar o movemento do sensor IMU mentres oscila libremente sobre un cable, como un péndulo. Fixo algúns cálculos nunha servilleta e parece seguro de que lle darán os resultados que necesita ao probar o prototipo. A detección da choiva farase mediante sensores capacitivos usando un sensor dedicado como o MPR121 ou a función táctil integrada no ESP32. O deseño e a localización das pistas dos eléctrodos son moi importantes para unha correcta medición das precipitacións mediante a detección das pingas de choiva. O tamaño, a forma e a distribución do peso da carcasa na que se monta o sensor tamén son críticos, xa que afectan o alcance, a resolución e a precisión do instrumento. Manolis está a traballar en varias ideas de deseño que planea probar antes de decidir se toda a estación meteorolóxica estará dentro da carcasa xiratoria ou só os sensores do interior.
Debido ao seu interese pola meteoroloxía, [Karl] construíu unha estación meteorolóxica. A máis recente delas é o sensor de vento ultrasónico, que usa o tempo de voo dos pulsos ultrasónicos para determinar a velocidade do vento.
O sensor de Carla emprega catro transdutores ultrasónicos, orientados ao norte, sur, leste e oeste, para detectar a velocidade do vento. Ao medir o tempo que tarda un pulso ultrasónico en viaxar entre os sensores dunha habitación e restar as medicións de campo, obtemos o tempo de voo para cada eixe e, polo tanto, a velocidade do vento.
Trátase dunha demostración impresionante de solucións de enxeñaría, acompañada dun informe de deseño abraiantemente detallado.