Ultrasonic Anemometer

Ang mga istasyon ng panahon ay isang sikat na proyekto para sa pag-eksperimento sa iba't ibang mga sensor sa kapaligiran, at karaniwang pinipili ang isang simpleng cup anemometer at weather vane upang matukoy ang bilis at direksyon ng hangin.Para sa QingStation ni Jianjia Ma, nagpasya siyang bumuo ng ibang uri ng wind sensor: isang ultrasonic anemometer.
Ang mga ultrasonic anemometer ay walang mga gumagalaw na bahagi, ngunit ang trade-off ay isang makabuluhang pagtaas sa pagiging kumplikado ng elektroniko.Gumagana ang mga ito sa pamamagitan ng pagsukat sa oras na kinakailangan para sa isang ultrasonic sound pulse na sumasalamin sa isang receiver sa isang kilalang distansya.Ang direksyon ng hangin ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng pagkuha ng mga pagbabasa ng bilis mula sa dalawang pares ng ultrasonic sensor na patayo sa isa't isa at paggamit ng simpleng trigonometrya.Ang wastong operasyon ng isang ultrasonic anemometer ay nangangailangan ng maingat na disenyo ng analog amplifier sa receiving end at malawak na pagpoproseso ng signal upang makuha ang tamang signal mula sa mga pangalawang dayandang, multipath propagation, at lahat ng ingay na dulot ng kapaligiran.Ang disenyo at mga eksperimentong pamamaraan ay mahusay na dokumentado.Dahil hindi nagamit ni [Jianjia] ang wind tunnel para sa pagsubok at pagkakalibrate, pansamantala niyang inilagay ang anemometer sa bubong ng kanyang sasakyan at umalis.Ang resultang halaga ay proporsyonal sa bilis ng GPS ng kotse, ngunit bahagyang mas mataas.Ito ay maaaring dahil sa mga error sa pagkalkula o mga panlabas na salik tulad ng hangin o airflow disturbances mula sa pagsubok na sasakyan o iba pang trapiko sa kalsada.
Kasama sa iba pang mga sensor ang mga optical rain sensor, light sensor, light sensor at BME280 para sa pagsukat ng air pressure, humidity at temperatura.Plano ni Jianjia na gamitin ang QingStation sa isang autonomous na bangka, kaya nagdagdag din siya ng IMU, compass, GPS, at mikropono para sa ambient sound.
Salamat sa mga pagsulong sa mga sensor, electronics, at teknolohiya ng prototyping, ang pagbuo ng isang personal na istasyon ng panahon ay mas madali kaysa dati.Ang pagkakaroon ng mga low-cost network modules ay nagbibigay-daan sa amin upang matiyak na ang mga IoT device ay maaaring magpadala ng kanilang impormasyon sa mga pampublikong database, na nagbibigay sa mga lokal na komunidad ng may-katuturang data ng panahon sa kanilang kapaligiran.
Sinusubukan ni Manolis Nikiforakis na bumuo ng Weather Pyramid, isang all-solid-state, walang maintenance, energy- at communications-autonomous weather measurement device na idinisenyo para sa malakihang pag-deploy.Karaniwan, ang mga istasyon ng panahon ay nilagyan ng mga sensor na sumusukat sa temperatura, presyon, halumigmig, bilis ng hangin at pag-ulan.Bagama't ang karamihan sa mga parameter na ito ay maaaring masukat gamit ang mga solid-state na sensor, ang pagtukoy sa bilis ng hangin, direksyon, at pag-ulan ay karaniwang nangangailangan ng ilang uri ng electromechanical device.
Ang disenyo ng naturang mga sensor ay kumplikado at mapaghamong.Kapag nagpaplano ng malalaking deployment, kailangan mo ring tiyakin na ang mga ito ay cost-effective, madaling i-install, at hindi nangangailangan ng madalas na maintenance.Ang pag-aalis ng lahat ng mga problemang ito ay maaaring humantong sa pagtatayo ng mas maaasahan at mas murang mga istasyon ng panahon, na maaaring mai-install sa malaking bilang sa mga malalayong lugar.
May ilang ideya si Manolis kung paano lutasin ang mga problemang ito.Plano niyang makuha ang bilis ng hangin at direksyon mula sa accelerometer, gyroscope at compass sa isang inertial sensor unit (IMU) (marahil isang MPU-9150).Ang plano ay subaybayan ang paggalaw ng IMU sensor habang malaya itong umiindayog sa isang cable, tulad ng isang pendulum.Nakagawa siya ng ilang mga kalkulasyon sa isang napkin at tila tiwala na ibibigay nila ang mga resulta na kailangan niya kapag sinusubukan ang prototype.Gagawin ang rainfall sensing gamit ang mga capacitive sensor gamit ang nakalaang sensor gaya ng MPR121 o ang built-in na touch function sa ESP32.Ang disenyo at lokasyon ng mga track ng elektrod ay napakahalaga para sa tamang pagsukat ng ulan sa pamamagitan ng pag-detect ng mga patak ng ulan.Ang laki, hugis at bigat ng pamamahagi ng pabahay kung saan naka-mount ang sensor ay kritikal din dahil nakakaapekto ang mga ito sa saklaw, resolution at katumpakan ng instrumento.Si Manolis ay gumagawa ng ilang mga ideya sa disenyo na plano niyang subukan bago magpasya kung ang buong istasyon ng panahon ay nasa loob ng umiikot na pabahay o ang mga sensor lamang sa loob.
Dahil sa kanyang interes sa meteorolohiya, nagtayo si [Karl] ng istasyon ng panahon. Ang pinakabago sa mga ito ay ang ultrasonic wind sensor, na gumagamit ng oras ng paglipad ng mga ultrasonic pulse upang matukoy ang bilis ng hangin.
Gumagamit ang sensor ni Carla ng apat na ultrasonic transducers, na nakatuon sa hilaga, timog, silangan at kanluran, upang makita ang bilis ng hangin.Sa pamamagitan ng pagsukat sa oras na kinakailangan para sa isang ultrasonic pulse upang maglakbay sa pagitan ng mga sensor sa isang silid at pagbabawas ng mga sukat sa field, nakukuha namin ang oras ng paglipad para sa bawat axis at samakatuwid ang bilis ng hangin.
Ito ay isang kahanga-hangang pagpapakita ng mga solusyon sa engineering, na sinamahan ng isang nakamamanghang detalyadong ulat ng disenyo.