Ultraschall-Anemometer

Wetterstationen sind ein beliebtes Projekt zum Experimentieren mit verschiedenen Umweltsensoren. Zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit und -richtung werden in der Regel ein einfaches Schalenwindmesser und eine Wetterfahne verwendet.Für die QingStation von Jianjia Ma beschloss er, eine andere Art von Windsensor zu bauen: ein Ultraschall-Anemometer.
Ultraschall-Anemometer haben keine beweglichen Teile, der Nachteil ist jedoch ein erheblicher Anstieg der elektronischen Komplexität.Sie funktionieren, indem sie die Zeit messen, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um zu einem Empfänger in einer bekannten Entfernung zu reflektieren.Die Windrichtung kann berechnet werden, indem Geschwindigkeitsmessungen von zwei zueinander senkrechten Ultraschallsensorpaaren vorgenommen und einfache Trigonometrie verwendet werden.Der ordnungsgemäße Betrieb eines Ultraschall-Anemometers erfordert eine sorgfältige Auslegung des Analogverstärkers auf der Empfangsseite und eine umfassende Signalverarbeitung, um aus Sekundärechos, Mehrwegeausbreitung und allen durch die Umgebung verursachten Geräuschen das richtige Signal zu extrahieren.Das Design 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 ging.Der resultierende Wert ist proportional zur GPS-Geschwindigkeit des Autos, jedoch etwas höher.Dies kann auf Berechnungsfehler oder externe Faktoren wie Wind- oder Strömungsstörungen durch das Testfahrzeug oder anderen Straßenverkehr zurückzuführen sein.
Weitere Sensoren sind optische Regensensoren, Lichtsensoren, Lichtsensoren und BME280 zur Messung von Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur.Jianjia plant, die QingStation auf einem autonomen Boot einzusetzen, daher fügte er außerdem eine IMU, einen Kompass, GPS und ein Mikrofon für Umgebungsgeräusche hinzu.
Dank der Fortschritte bei Sensoren, Elektronik und Prototyping-Technologie ist der Bau einer persönlichen Wetterstation einfacher denn je.Durch die Verfügbarkeit kostengünstiger Netzwerkmodule können wir sicherstellen, dass diese IoT-Geräte ihre Informationen an öffentliche Datenbanken übermitteln können und so lokale Gemeinden mit relevanten Wetterdaten in ihrer Umgebung versorgen.
Manolis Nikiforakis versucht, eine Wetterpyramide zu bauen, ein wartungsfreies, energie- und kommunikationsautonomes Festkörper-Wettermessgerät, das für den Einsatz in großem Maßstab konzipiert ist.Typischerweise sind Wetterstationen 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 typischerweise eine Art elektromechanisches Gerät.
Das Design solcher Sensoren ist komplex und anspruchsvoll.Wenn Sie große Bereitstellungen planen, müssen Sie außerdem sicherstellen, dass diese kostengünstig und einfach zu installieren sind und keine häufige Wartung erfordern.Die Beseitigung all dieser Probleme könnte zum Bau zuverlässigerer und kostengünstigerer Wetterstationen führen, die dann in großer Zahl in abgelegenen Gebieten installiert werden könnten.
Manolis hat einige Ideen, wie diese Probleme gelöst werden können.Er plant, Windgeschwindigkeit und -richtung vom Beschleunigungsmesser, Gyroskop und Kompass in einer Trägheitssensoreinheit (IMU) (wahrscheinlich einer MPU-9150) zu erfassen.Der Plan besteht darin, die Bewegung des IMU-Sensors zu verfolgen, während er wie ein Pendel frei an einem Kabel schwingt.Er hat einige Berechnungen auf einer Serviette durchgeführt und scheint zuversichtlich zu sein, dass sie beim Testen des Prototyps die Ergebnisse liefern werden, die er benötigt.Die Niederschlagserfassung erfolgt über kapazitive Sensoren mithilfe eines speziellen Sensors wie dem MPR121 oder der integrierten Touch-Funktion im ESP32.Für eine korrekte Niederschlagsmessung durch die Erkennung von Regentropfen sind die Gestaltung und Lage der Elektrodenbahnen von großer Bedeutung.Auch Größe, Form und Gewichtsverteilung des Gehäuses, in dem der Sensor montiert ist, sind entscheidend, da sie die Reichweite, Auflösung und Genauigkeit des Instruments beeinflussen.Manolis arbeitet an mehreren Designideen, die er ausprobieren möchte, bevor er entscheidet, ob die gesamte Wetterstation im rotierenden Gehäuse untergebracht wird oder nur die Sensoren darin.
Aufgrund seines Interesses an Meteorologie baute [Karl] eine Wetterstation. Die neueste davon ist der Ultraschall-Windsensor, der die Flugzeit von Ultraschallimpulsen zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit nutzt.
Carlas Sensor verwendet vier Ultraschallwandler, die nach Norden, Süden, Osten und Westen ausgerichtet sind, um die Windgeschwindigkeit zu erfassen.Indem wir die Zeit messen, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um zwischen den Sensoren in einem Raum zu wandern, 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 Designbericht.