Ultraschallanemometer

Wetterstationen sind ein beliebtes Projekt, um mit verschiedenen Umweltsensoren zu experimentieren. Zur Bestimmung von Windgeschwindigkeit und -richtung werden üblicherweise ein einfaches Schalenanemometer und eine Wetterfahne verwendet. Für seine QingStation entschied sich Jianjia Ma jedoch für einen anderen Windsensor: ein Ultraschallanemometer.
Ultraschallanemometer haben keine beweglichen Teile, allerdings erhöht sich dadurch die elektronische Komplexität deutlich. Sie messen die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zu einem Empfänger in bekannter Entfernung. Die Windrichtung lässt sich berechnen, indem man die Geschwindigkeitsmessungen zweier senkrecht zueinander angeordneter Ultraschallsensorpaare durchführt und einfache Trigonometrie anwendet. Für den korrekten Betrieb eines Ultraschallanemometers ist eine sorgfältige Auslegung des analogen Verstärkers am Empfänger sowie eine umfangreiche Signalverarbeitung erforderlich, um das korrekte Signal von Sekundärechos, Mehrwegeausbreitung und Umgebungsgeräuschen zu trennen. Die Konstruktions- und Versuchsverfahren sind gut dokumentiert. Da [Jianjia] den Windkanal für Tests und Kalibrierung nicht nutzen konnte, installierte er das Anemometer provisorisch auf dem Dach seines Autos und fuhr weg. Der Messwert ist proportional zur GPS-Geschwindigkeit des Autos, jedoch etwas höher. Dies könnte auf Berechnungsfehler oder externe Faktoren wie Wind- oder Luftströmungsstörungen durch das Testfahrzeug oder anderen Straßenverkehr zurückzuführen sein.
Zu den weiteren Sensoren gehören optische Regensensoren, Lichtsensoren und der BME280 zur Messung von Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Jianjia plant, die QingStation auf einem autonomen Boot einzusetzen und hat sie daher zusätzlich mit einer IMU, einem Kompass, GPS und einem Mikrofon zur Erfassung von Umgebungsgeräuschen ausgestattet.
Dank Fortschritten bei Sensoren, Elektronik und Prototyping-Technologien ist der Bau einer privaten Wetterstation einfacher denn je. Die Verfügbarkeit kostengünstiger Netzwerkmodule ermöglicht es uns, sicherzustellen, dass diese IoT-Geräte ihre Daten an öffentliche Datenbanken übermitteln und so lokale Gemeinschaften mit relevanten Wetterdaten aus ihrer Umgebung versorgen.
Manolis Nikiforakis arbeitet an der Entwicklung einer Wetterpyramide – einem vollständig auf Halbleitertechnik basierenden, wartungsfreien und energie- sowie kommunikationsunabhängigen Wettermessgerät für den großflächigen Einsatz. Üblicherweise sind Wetterstationen mit Sensoren ausgestattet, die Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Niederschlag messen. Während die meisten dieser Parameter mit Halbleitersensoren erfasst 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 großflächiger Installationen muss zudem auf Kosteneffizienz, einfache Installation und geringen Wartungsaufwand geachtet werden. Die Beseitigung all dieser Probleme könnte zur Entwicklung zuverlässigerer und kostengünstigerer Wetterstationen führen, die dann in großer Zahl in abgelegenen Gebieten eingesetzt werden könnten.
Manolis hat einige Ideen, wie sich diese Probleme lösen lassen. Er plant, Windgeschwindigkeit und -richtung mithilfe von Beschleunigungsmesser, Gyroskop und Kompass in einer Inertialsensoreinheit (IMU) (wahrscheinlich einer MPU-9150) zu erfassen. Die Bewegung des IMU-Sensors soll verfolgt werden, während dieser frei an einem Kabel wie ein Pendel schwingt. Er hat einige Berechnungen auf einem Notizzettel angestellt und ist zuversichtlich, dass diese beim Testen des Prototyps die benötigten Ergebnisse liefern werden. Die Niederschlagsmessung erfolgt mittels kapazitiver Sensoren, entweder mit einem speziellen Sensor wie dem MPR121 oder über die integrierte Touch-Funktion des ESP32. Die Gestaltung und Position der Elektrodenbahnen sind für eine korrekte Niederschlagsmessung durch die Erkennung von Regentropfen entscheidend. Auch Größe, Form und Gewichtsverteilung des Sensorgehäuses sind kritisch, da sie Reichweite, Auflösung und Genauigkeit des Instruments beeinflussen. Manolis arbeitet an verschiedenen Designideen, die er testen möchte, bevor er entscheidet, ob die gesamte Wetterstation oder nur die Sensoren im rotierenden Gehäuse untergebracht werden.
Aufgrund seines Interesses an Meteorologie baute [Karl] eine Wetterstation. Das neueste Gerät ist der Ultraschall-Windsensor, der die Laufzeit von Ultraschallimpulsen nutzt, um die Windgeschwindigkeit zu bestimmen.
Carlas Sensor nutzt vier Ultraschallwandler, die nach Norden, Süden, Osten und Westen ausgerichtet sind, um die Windgeschwindigkeit zu messen. Indem die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen den Sensoren in einem Raum gemessen und die Feldmesswerte subtrahiert werden, lässt sich die Laufzeit für jede Achse und somit die Windgeschwindigkeit ermitteln.
Dies ist eine beeindruckende Demonstration von Ingenieurlösungen, begleitet von einem erstaunlich detaillierten Konstruktionsbericht.