Ultrasonic Anemometer

Ang mga weather station ay isang sikat na proyekto para sa pag-eeksperimento sa iba't ibang environmental sensor, at isang simpleng cup anemometer at weather vane ang karaniwang pinipili 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 gumagalaw na bahagi, ngunit ang kapalit nito ay isang makabuluhang pagtaas sa electronic complexity. Gumagana ang mga ito sa pamamagitan ng pagsukat ng oras na kinakailangan para sa isang ultrasonic sound pulse upang mag-reflect sa isang receiver sa isang kilalang distansya. Ang direksyon ng hangin ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng pagkuha ng mga pagbasa 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 pagproseso ng signal upang makuha ang tamang signal mula sa mga secondary echo, multipath propagation, at lahat ng ingay na dulot ng kapaligiran. Ang disenyo at mga pamamaraan ng eksperimento ay mahusay na dokumentado. Dahil hindi magamit ni [Jianjia] ang wind tunnel para sa pagsubok at pagkakalibrate, pansamantala niyang inilagay ang anemometer sa bubong ng kanyang sasakyan at umalis. Ang nagresultang halaga ay proporsyonal sa bilis ng GPS ng sasakyan, ngunit bahagyang mas mataas. Maaaring ito ay dahil sa mga error sa pagkalkula o mga panlabas na salik tulad ng hangin o mga kaguluhan sa daloy ng hangin mula sa test vehicle o iba pang trapiko sa kalsada.
Kabilang sa iba pang mga sensor ang optical rain sensors, light sensors, light sensors at BME280 para sa pagsukat ng presyon ng hangin, humidity at temperatura. Plano ni Jianjia na gamitin ang QingStation sa isang autonomous boat, kaya nagdagdag din siya ng IMU, compass, GPS, at mikropono para sa ambient sound.
Dahil sa mga pagsulong sa mga sensor, elektronika, at teknolohiya ng prototyping, ang pagbuo ng isang personal na istasyon ng panahon ay mas madali kaysa dati. Ang pagkakaroon ng mga murang network module ay nagbibigay-daan sa amin upang matiyak na ang mga IoT device na ito ay maaaring magpadala ng kanilang impormasyon sa mga pampublikong database, na nagbibigay sa mga lokal na komunidad ng mga kaugnay na datos ng panahon sa kanilang kapaligiran.
Sinusubukan ni Manolis Nikiforakis na bumuo ng isang Weather Pyramid, isang all-solid-state, walang maintenance, energy- at communications-autonomous na aparato sa pagsukat ng panahon na idinisenyo para sa malawakang pag-deploy. Kadalasan, ang mga istasyon ng panahon ay may mga sensor na sumusukat sa temperatura, presyon, humidity, bilis ng hangin at presipitasyon. Bagama't karamihan sa mga parameter na ito ay maaaring masukat gamit ang mga solid-state sensor, ang pagtukoy sa bilis ng hangin, direksyon, at presipitasyon ay karaniwang nangangailangan ng ilang uri ng electromechanical device.
Ang disenyo ng mga naturang sensor ay kumplikado at mapanghamon. Kapag nagpaplano ng malalaking pag-deploy, kailangan mo ring tiyakin na ang mga ito ay matipid, madaling i-install, at hindi nangangailangan ng madalas na pagpapanatili. 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 nang maramihan sa mga liblib na lugar.
May ilang ideya si Manolis kung paano lulutasin ang mga problemang ito. Plano niyang makuha ang bilis at direksyon ng hangin mula sa accelerometer, gyroscope, at compass sa isang inertial sensor unit (IMU) (marahil ay isang MPU-9150). Ang plano ay subaybayan ang paggalaw ng IMU sensor habang malayang umuugoy ito sa isang cable, tulad ng pendulum. Gumawa na siya ng ilang kalkulasyon sa isang napkin at tila tiwala siyang ibibigay nito ang mga resultang kailangan niya kapag sinusubukan ang prototype. Ang rainfall sensing ay gagawin gamit ang mga capacitive sensor gamit ang isang nakalaang sensor tulad ng MPR121 o ang built-in na touch function sa ESP32. Ang disenyo at lokasyon ng mga electrode track ay napakahalaga para sa tamang pagsukat ng presipitasyon sa pamamagitan ng pag-detect ng mga patak ng ulan. Ang laki, hugis, at distribusyon ng bigat ng housing kung saan nakakabit ang sensor ay kritikal din dahil nakakaapekto ang mga ito sa range, resolution, at accuracy ng instrumento. Si Manolis ay gumagawa ng ilang ideya sa disenyo na plano niyang subukan bago magdesisyon kung ang buong weather station ay nasa loob ng umiikot na housing o ang mga sensor lamang sa loob.
Dahil sa kaniyang interes sa meteorolohiya, nagtayo si [Karl] ng isang 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 transducer, na naka-orient sa hilaga, timog, silangan at kanluran, upang matukoy ang bilis ng hangin. Sa pamamagitan ng pagsukat ng oras na kinakailangan para sa isang ultrasonic pulse na maglakbay sa pagitan ng mga sensor sa isang silid at pagbabawas ng mga sukat ng field, nakukuha natin ang oras ng paglipad para sa bawat axis at samakatuwid ay ang bilis ng hangin.
Ito ay isang kahanga-hangang demonstrasyon ng mga solusyon sa inhinyeriya, na sinamahan ng isang nakamamanghang detalyadong ulat ng disenyo.