Anemómetro ultrasónico

Las estaciones meteorológicas son un proyecto popular para experimentar con diversos sensores ambientales, y normalmente se elige un anemómetro de cazoletas y una veleta para determinar la velocidad y la dirección del viento. Para la QingStation de Jianjia Ma, decidió construir un tipo diferente de sensor de viento: un anemómetro ultrasónico.
Los anemómetros ultrasónicos no tienen partes móviles, pero esto conlleva un aumento significativo en la complejidad electrónica. Funcionan midiendo el tiempo que tarda un pulso de sonido ultrasónico en reflejarse hacia un receptor a una distancia conocida. La dirección del viento se puede calcular tomando lecturas de velocidad de dos pares de sensores ultrasónicos perpendiculares entre sí y utilizando trigonometría simple. El correcto funcionamiento de un anemómetro ultrasónico requiere un diseño cuidadoso del amplificador analógico en el extremo receptor y un procesamiento de señal extenso para extraer la señal correcta de los ecos secundarios, la propagación multitrayecto y todo el ruido ambiental. El diseño y los procedimientos experimentales están bien documentados. Dado que [Jianjia] no pudo usar el túnel de viento para las pruebas y la calibración, instaló temporalmente el anemómetro en el techo de su automóvil y se marchó. El valor resultante es proporcional a la velocidad GPS del automóvil, pero ligeramente superior. Esto puede deberse a errores de cálculo o a factores externos como el viento o las perturbaciones del flujo de aire del vehículo de prueba u otro tráfico.
Otros sensores incluyen sensores ópticos de lluvia, sensores de luz y un BME280 para medir la presión atmosférica, la humedad y la temperatura. Jianjia planea usar la QingStation en un barco autónomo, por lo que también añadió una IMU, una brújula, un GPS y un micrófono para captar el sonido ambiente.
Gracias a los avances en sensores, electrónica y tecnología de prototipado, construir una estación meteorológica personal es más fácil que nunca. La disponibilidad de módulos de red de bajo coste permite que estos dispositivos IoT transmitan su información a bases de datos públicas, proporcionando a las comunidades locales datos meteorológicos relevantes de su entorno.
Manolis Nikiforakis está desarrollando una Pirámide Meteorológica, un dispositivo de medición meteorológica totalmente de estado sólido, sin mantenimiento y autónomo en energía y comunicaciones, diseñado para su despliegue a gran escala. Normalmente, las estaciones meteorológicas están equipadas con sensores que miden la temperatura, la presión, la humedad, la velocidad del viento y la precipitación. Si bien la mayoría de estos parámetros pueden medirse con sensores de estado sólido, la determinación de la velocidad y dirección del viento, así como la precipitación, generalmente requiere algún tipo de dispositivo electromecánico.
El diseño de este tipo de sensores es complejo y presenta grandes desafíos. Al planificar despliegues a gran escala, también es necesario garantizar que sean rentables, fáciles de instalar y que no requieran mantenimiento frecuente. La solución de todos estos problemas podría conducir a la construcción de estaciones meteorológicas más fiables y económicas, que podrían instalarse en grandes cantidades en zonas remotas.
Manolis tiene algunas ideas sobre cómo resolver estos problemas. Planea capturar la velocidad y dirección del viento a partir del acelerómetro, el giroscopio y la brújula en una unidad de sensor inercial (IMU) (probablemente una MPU-9150). El plan es rastrear el movimiento del sensor IMU mientras oscila libremente en un cable, como un péndulo. Ha hecho algunos cálculos en una servilleta y parece confiar en que le darán los resultados que necesita al probar el prototipo. La detección de lluvia se realizará mediante sensores capacitivos utilizando un sensor específico como el MPR121 o la función táctil integrada en el ESP32. El diseño y la ubicación de las pistas de los electrodos son muy importantes para una medición correcta de la precipitación mediante la detección de gotas de lluvia. El tamaño, la forma y la distribución del peso de la carcasa donde se monta el sensor también son críticos, ya que afectan el alcance, la resolución y la precisión del instrumento. Manolis está trabajando en varias ideas de diseño que planea probar antes de decidir si toda la estación meteorológica estará dentro de la carcasa giratoria o solo los sensores.
Debido a su interés en la meteorología, [Karl] construyó una estación meteorológica. El más reciente de estos dispositivos es el sensor de viento ultrasónico, que utiliza el tiempo de vuelo de los pulsos ultrasónicos para determinar la velocidad del viento.
El sensor de Carla utiliza cuatro transductores ultrasónicos, orientados al norte, sur, este y oeste, para detectar la velocidad del viento. Midiendo el tiempo que tarda un pulso ultrasónico en viajar entre los sensores de una habitación y restando las mediciones de campo, obtenemos el tiempo de vuelo para cada eje y, por lo tanto, la velocidad del viento.
Se trata de una impresionante demostración de soluciones de ingeniería, acompañada de un informe de diseño con un nivel de detalle asombroso.