Anemómetro ultrasónico

Las estaciones meteorológicas son un proyecto popular para experimentar con diversos sensores ambientales, y generalmente se elige un anemómetro de cazoleta y una veleta sencillos para determinar la velocidad y 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 la desventaja es un aumento significativo en la complejidad electrónica. Funcionan midiendo el tiempo que tarda un pulso de sonido ultrasónico en reflejarse en 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 funcionamiento correcto de un anemómetro ultrasónico requiere un diseño cuidadoso del amplificador analógico en el extremo receptor y un procesamiento de señal exhaustivo para extraer la señal correcta de los ecos secundarios, la propagación por trayectos múltiples 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 perturbaciones del viento o del flujo de aire del vehículo de prueba u otro tipo de tráfico rodado.
Otros sensores incluyen sensores ópticos de lluvia, sensores de luz, sensores de luz y el BME280 para medir la presión atmosférica, la humedad y la temperatura. Jianjia planea usar la QingStation en una embarcación autónoma, por lo que también añadió una unidad de medición inercial (IMU), una brújula, un GPS y un micrófono para el sonido ambiental.
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 nos permite garantizar 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 intentando construir una Pirámide Meteorológica, un dispositivo de medición meteorológica de estado sólido, sin mantenimiento, autónomo en términos de energía y comunicaciones, diseñado para su implementación a gran escala. Normalmente, las estaciones meteorológicas están equipadas con sensores que miden la temperatura, la presión, la humedad, la velocidad del viento y las precipitaciones. Si bien la mayoría de estos parámetros se pueden medir con sensores de estado sólido, determinar la velocidad, la dirección y las precipitaciones del viento suele requerir algún tipo de dispositivo electromecánico.
El diseño de estos sensores es complejo y desafiante. Al planificar grandes despliegues, también es necesario garantizar que sean rentables, fáciles de instalar y que no requieran mantenimiento frecuente. Eliminar todos estos problemas podría llevar a la construcción de estaciones meteorológicas más fiables y económicas, que posteriormente podrían instalarse en grandes cantidades en zonas remotas.
Manolis tiene algunas ideas para resolver estos problemas. Planea capturar la velocidad y dirección del viento mediante el acelerómetro, el giroscopio y la brújula en una unidad de sensor inercial (IMU) (probablemente una MPU-9150). El plan consiste en rastrear el movimiento del sensor IMU mientras oscila libremente en un cable, como un péndulo. Ha realizado algunos cálculos en una servilleta y confía en que le proporcionarán los resultados necesarios 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 fundamentales para una correcta medición 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 cruciales, ya que afectan al 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 por la meteorología, [Karl] construyó una estación meteorológica. La más reciente de ellas 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. Al medir el tiempo que tarda un pulso ultrasónico en viajar entre los sensores de una habitación y restar las mediciones de campo, obtenemos el tiempo de vuelo de 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 sorprendentemente detallado.