Ultraäänianemometri

Sääasemat ovat suosittuja paikkoja kokeilla erilaisia ympäristöantureilla, ja tuulen nopeuden ja suunnan määrittämiseen käytetään yleensä yksinkertaista kuppianemometriä ja tuuliviiriä. Jianjia Man QingStationia varten hän päätti rakentaa erityyppisen tuulianturin: ultraäänianemometrin.
Ultraäänianemometreissä ei ole liikkuvia osia, mutta kompromissina on merkittävä elektronisen monimutkaisuuden kasvu. Ne toimivat mittaamalla aikaa, joka ultraäänipulssin heijastumiselta tunnetulla etäisyydellä olevaan vastaanottimeen kuluu. Tuulen suunta voidaan laskea ottamalla nopeuslukemia kahdelta toisiinsa kohtisuorassa olevalta ultraäänianturiparilta ja käyttämällä yksinkertaista trigonometriaa. Ultraäänianemometrin asianmukainen toiminta vaatii vastaanottopään analogisen vahvistimen huolellista suunnittelua ja laajaa signaalinkäsittelyä oikean signaalin erottamiseksi toissijaisista kaiuista, monitie-etenemisestä ja kaikesta ympäristön aiheuttamasta kohinasta. Suunnittelu ja kokeelliset menetelmät on dokumentoitu hyvin. Koska [Jianjia] ei pystynyt käyttämään tuulitunnelia testaukseen ja kalibrointiin, hän asensi tuulimittarin väliaikaisesti autonsa katolle ja lähti. Tuloksena oleva arvo on verrannollinen auton GPS-nopeuteen, mutta hieman korkeampi. Tämä voi johtua laskentavirheistä tai ulkoisista tekijöistä, kuten tuulesta tai ilmavirran häiriöistä testiajoneuvosta tai muusta tieliikenteestä.
Muita antureita ovat optiset sadetunnistimet, valotunnistimet, valoanturit ja BME280 ilmanpaineen, kosteuden ja lämpötilan mittaamiseen. Jianjia aikoo käyttää QingStationia autonomisessa veneessä, joten hän lisäsi siihen myös IMU:n, kompassin, GPS:n ja mikrofonin ympäristön ääniä varten.
Antureiden, elektroniikan ja prototyyppiteknologian kehityksen ansiosta henkilökohtaisen sääaseman rakentaminen on helpompaa kuin koskaan. Edullisten verkkomoduulien saatavuus mahdollistaa sen, että voimme varmistaa, että nämä IoT-laitteet voivat lähettää tietonsa julkisiin tietokantoihin ja tarjota paikallisille yhteisöille relevantteja säätietoja ympäristöstään.
Manolis Nikiforakis yrittää rakentaa sääpyramidin, täysin kiinteän olomuodon, huoltovapaan, energian ja viestinnän suhteen itsenäisen säämittauslaitteen, joka on suunniteltu laajamittaiseen käyttöön. Sääasemat on tyypillisesti varustettu antureilla, jotka mittaavat lämpötilaa, painetta, kosteutta, tuulen nopeutta ja sademäärää. Vaikka useimmat näistä parametreista voidaan mitata kiinteän olomuodon antureilla, tuulen nopeuden, suunnan ja sademäärän määrittäminen vaatii tyypillisesti jonkinlaisen sähkömekaanisen laitteen.
Tällaisten antureiden suunnittelu on monimutkaista ja haastavaa. Suuria käyttöönottoja suunniteltaessa on myös varmistettava, että ne ovat kustannustehokkaita, helppoja asentaa eivätkä vaadi usein tapahtuvaa huoltoa. Kaikkien näiden ongelmien poistaminen voisi johtaa luotettavampien ja edullisempien sääasemien rakentamiseen, joita voitaisiin sitten asentaa suuria määriä syrjäisille alueille.
Manoliksella on ideoita näiden ongelmien ratkaisemiseksi. Hän aikoo tallentaa tuulen nopeuden ja suunnan kiihtyvyysanturista, gyroskoopista ja kompassista inertia-anturiyksikössä (IMU) (todennäköisesti MPU-9150). Suunnitelmana on seurata IMU-anturin liikettä, kun se heiluu vapaasti vaijerin varassa, kuten heilurin. Hän on tehnyt joitakin laskelmia lautasliinalla ja vaikuttaa luottavaiselta, että ne antavat tarvitsemansa tulokset prototyypin testauksessa. Sademäärän mittaus tehdään kapasitiivisilla antureilla käyttäen erillistä anturia, kuten MPR121:tä tai ESP32:n sisäänrakennettua kosketustoimintoa. Elektrodiratojen suunnittelu ja sijainti ovat erittäin tärkeitä sademäärän oikean mittauksen kannalta sadepisaroiden havaitsemisen avulla. Anturin kiinnityskotelon koko, muoto ja painojakauma ovat myös ratkaisevia, koska ne vaikuttavat laitteen toimintasäteeseen, resoluutioon ja tarkkuuteen. Manolis työstää useita suunnitteluideoita, joita hän aikoo kokeilla ennen kuin päättää, sijoitetaanko koko sääasema pyörivän kotelon sisään vai vain sen sisällä olevat anturit.
Kiinnostuksensa meteorologiaan vuoksi [Karl] rakensi sääaseman. Uusin näistä on ultraäänituulianturi, joka käyttää ultraäänipulssien lentoaikaa tuulen nopeuden määrittämiseen.
Carlan anturi käyttää neljää pohjoiseen, etelään, itään ja länteen suunnattua ultraäänianturia tuulen nopeuden mittaamiseen. Mittaamalla ajan, joka ultraäänipulssin kulkemiseen antureiden välillä huoneessa, ja vähentämällä kenttämittaukset saadaan kunkin akselin lentoaika ja siten tuulen nopeus.
Tämä on vaikuttava demonstraatio teknisistä ratkaisuista, johon liittyy hämmästyttävän yksityiskohtainen suunnitteluraportti.