Wetterstationen sind ein beliebtes Projekt zum Experimentieren mit verschiedenen Umweltsensoren. Zur Bestimmung von Windgeschwindigkeit und -richtung werden üblicherweise ein einfaches Schalensternanemometer und eine Wetterfahne verwendet. Für Jianjia Mas QingStation entschied er sich für den Bau eines anderen Windsensortyps: eines Ultraschall-Anemometers.
Ultraschall-Anemometer haben keine beweglichen Teile, der Nachteil ist jedoch ein deutlich höherer elektronischer Aufwand. Sie funktionieren, indem sie die Zeit messen, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um zu einem Empfänger in bekannter Entfernung zu reflektieren. Die Windrichtung lässt sich anhand der Geschwindigkeitsmessungen von zwei senkrecht zueinander stehenden Ultraschallsensorpaaren und mithilfe einfacher Trigonometrie berechnen. Der ordnungsgemäße Betrieb eines Ultraschall-Anemometers erfordert eine sorgfältige Konstruktion des analogen Verstärkers auf der Empfangsseite und eine umfassende Signalverarbeitung, um das richtige Signal aus Sekundärechos, Mehrwegeausbreitung und allen durch die Umgebung verursachten Störungen zu extrahieren. Die Konstruktion und die experimentellen Verfahren sind gut dokumentiert. Da [Jianjia] den Windkanal nicht zum Testen und Kalibrieren nutzen konnte, installierte er das Anemometer vorübergehend auf dem Dach seines Autos und fuhr los. Der ermittelte Wert ist proportional zur GPS-Geschwindigkeit des Autos, aber etwas höher. Dies kann auf Rechenfehler oder externe Faktoren wie Wind oder Strömungsstörungen durch das Testfahrzeug oder anderen Straßenverkehr zurückzuführen sein.
Zu den weiteren Sensoren gehören optische Regensensoren, Lichtsensoren und BME280 zur Messung von Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Jianjia plant, die QingStation auf einem autonomen Boot einzusetzen, und hat daher zusätzlich eine IMU, einen Kompass, GPS und ein Mikrofon für Umgebungsgeräusche hinzugefügt.
Dank der Fortschritte in den Bereichen Sensorik, Elektronik und Prototyping ist der Bau einer persönlichen Wetterstation einfacher denn je. Dank kostengünstiger Netzwerkmodule können diese IoT-Geräte ihre Informationen an öffentliche Datenbanken übermitteln und so lokale Gemeinden mit relevanten Wetterdaten aus ihrer Umgebung versorgen.
Manolis Nikiforakis versucht, eine Wetterpyramide zu bauen, ein vollständig auf Festkörpern basierendes, wartungsfreies, energie- und kommunikationsautarkes Wettermessgerät für den großflächigen Einsatz. Wetterstationen sind üblicherweise mit Sensoren ausgestattet, die Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Niederschlag messen. Während die meisten dieser Parameter mit Festkörpersensoren gemessen werden können, erfordert die Bestimmung von Windgeschwindigkeit, -richtung und Niederschlag in der Regel ein elektromechanisches Gerät.
Die Entwicklung solcher Sensoren ist komplex und anspruchsvoll. Bei der Planung großer Anlagen muss zudem darauf geachtet werden, dass sie kostengünstig, einfach zu installieren und wartungsarm sind. Die Beseitigung all dieser Probleme könnte den Bau zuverlässigerer und kostengünstigerer Wetterstationen ermöglichen, die dann in großer Zahl in abgelegenen Gebieten installiert werden könnten.
Manolis hat einige Ideen, wie sich diese Probleme lösen lassen. Er plant, Windgeschwindigkeit und -richtung über den Beschleunigungsmesser, das Gyroskop und den Kompass einer Trägheitssensoreinheit (IMU) (wahrscheinlich ein MPU-9150) zu erfassen. Geplant ist, die Bewegung des IMU-Sensors zu verfolgen, während dieser wie ein Pendel frei an einem Kabel schwingt. Er hat einige Berechnungen auf einer Serviette durchgeführt und ist zuversichtlich, dass diese beim Testen des Prototyps die gewünschten Ergebnisse liefern werden. Die Niederschlagsmessung erfolgt über kapazitive Sensoren mit einem speziellen Sensor wie dem MPR121 oder der integrierten Touch-Funktion des ESP32. Design und Position der Elektrodenbahnen sind für eine korrekte Niederschlagsmessung durch Erkennung von Regentropfen von entscheidender Bedeutung. Größe, Form und Gewichtsverteilung des Gehäuses, in dem der Sensor montiert ist, sind ebenfalls entscheidend, da sie Reichweite, Auflösung und Genauigkeit des Instruments beeinflussen. Manolis arbeitet an mehreren Designideen, die er ausprobieren möchte, bevor er entscheidet, ob die gesamte Wetterstation oder nur die Sensoren im rotierenden Gehäuse untergebracht werden.
Aufgrund seines Interesses an der Meteorologie baute [Karl] eine Wetterstation. Die neueste davon ist der Ultraschall-Windsensor, der die Flugzeit von Ultraschallimpulsen zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit nutzt.
Carlas Sensor nutzt vier Ultraschallwandler, die nach Norden, Süden, Osten und Westen ausgerichtet sind, um die Windgeschwindigkeit zu messen. Indem wir die Zeit messen, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um zwischen den Sensoren in einem Raum zu gelangen, und die Feldmessungen subtrahieren, erhalten wir die Flugzeit für jede Achse und damit die Windgeschwindigkeit.
Dies ist eine beeindruckende Demonstration technischer Lösungen, begleitet von einem erstaunlich detaillierten Konstruktionsbericht.
Veröffentlichungszeit: 19. April 2024