Anémomètre à ultrasons

Les stations météorologiques sont un projet populaire pour expérimenter avec divers capteurs environnementaux ; un anémomètre à coupelles et une girouette sont généralement utilisés pour déterminer la vitesse et la direction du vent. Pour sa station QingStation, Jianjia Ma a opté pour un capteur de vent différent : un anémomètre à ultrasons.
Les anémomètres à ultrasons ne comportent aucune pièce mobile, mais leur fonctionnement repose sur une complexité électronique accrue. Ils mesurent le temps de réflexion d'une impulsion ultrasonore jusqu'à un récepteur situé à une distance connue. La direction du vent peut être calculée à partir des mesures de vitesse effectuées par deux paires de capteurs à ultrasons perpendiculaires et par des calculs trigonométriques simples. Un anémomètre à ultrasons performant exige une conception soignée de l'amplificateur analogique côté récepteur et un traitement du signal poussé afin d'extraire le signal correct des échos secondaires, de la propagation multi-trajets et de tous les bruits ambiants. La conception et les procédures expérimentales sont bien documentées. N'ayant pu utiliser la soufflerie pour les essais et l'étalonnage, Jianjia a installé temporairement l'anémomètre sur le toit de sa voiture. La valeur obtenue est proportionnelle à la vitesse GPS du véhicule, mais légèrement supérieure. Cet écart peut être dû à des erreurs de calcul ou à des facteurs externes tels que le vent, les perturbations de l'écoulement d'air causées par le véhicule d'essai ou la circulation routière.
Parmi les autres capteurs figurent des pluviomètres optiques, des capteurs de luminosité et un BME280 pour mesurer la pression atmosphérique, l'humidité et la température. Jianjia prévoit d'utiliser la QingStation sur un bateau autonome ; il y a donc également ajouté une centrale inertielle, une boussole, un GPS et un microphone pour l'enregistrement des sons ambiants.
Grâce aux progrès réalisés dans les domaines des capteurs, de l'électronique et du prototypage, construire une station météo personnelle est plus simple que jamais. La disponibilité de modules réseau à bas coût permet à ces objets connectés de transmettre leurs données à des bases de données publiques, offrant ainsi aux communautés locales des données météorologiques pertinentes pour leur environnement.
Manolis Nikiforakis travaille à la conception d'une pyramide météorologique, un dispositif de mesure météorologique entièrement électronique, sans entretien, autonome en énergie et en communication, destiné à un déploiement à grande échelle. Les stations météorologiques sont généralement équipées de capteurs mesurant la température, la pression, l'humidité, la vitesse du vent et les précipitations. Si la plupart de ces paramètres peuvent être mesurés à l'aide de capteurs électroniques, la détermination de la vitesse et de la direction du vent, ainsi que des précipitations, nécessite généralement un dispositif électromécanique.
La conception de tels capteurs est complexe et exigeante. Lors de la planification de déploiements à grande échelle, il est également essentiel de veiller à ce qu'ils soient économiques, faciles à installer et ne nécessitent pas d'entretien fréquent. La résolution de ces problèmes pourrait permettre la construction de stations météorologiques plus fiables et moins coûteuses, qui pourraient ensuite être installées en grand nombre dans des zones reculées.
Manolis a quelques idées pour résoudre ces problèmes. Il prévoit de mesurer la vitesse et la direction du vent grâce à l'accéléromètre, au gyroscope et au compas d'une centrale inertielle (IMU) (probablement une MPU-9150). L'idée est de suivre le mouvement de l'IMU, qui oscille librement sur un câble, à la manière d'un pendule. Il a effectué quelques calculs sommaires et semble confiant quant à l'obtention des résultats escomptés lors des tests du prototype. La mesure des précipitations sera réalisée à l'aide de capteurs capacitifs, soit un capteur dédié comme le MPR121, soit la fonction tactile intégrée de l'ESP32. La conception et l'emplacement des pistes d'électrodes sont cruciaux pour une mesure précise des précipitations par détection des gouttes de pluie. La taille, la forme et la répartition du poids du boîtier qui accueille le capteur sont également des facteurs déterminants, car ils influent sur la portée, la résolution et la précision de l'instrument. Manolis travaille sur plusieurs pistes de conception qu'il prévoit de tester avant de décider si la station météorologique entière sera intégrée au boîtier rotatif ou seulement les capteurs.
En raison de son intérêt pour la météorologie, [Karl] a construit une station météorologique. Le plus récent de ces instruments est le capteur de vent ultrasonique, qui utilise le temps de vol des impulsions ultrasoniques pour déterminer la vitesse du vent.
Le capteur de Carla utilise quatre transducteurs ultrasoniques, orientés nord, sud, est et ouest, pour détecter la vitesse du vent. En mesurant le temps de propagation d'une impulsion ultrasonique entre les capteurs dans une pièce et en soustrayant les mesures de terrain, on obtient le temps de vol pour chaque axe et donc la vitesse du vent.
Il s'agit d'une démonstration impressionnante de solutions d'ingénierie, accompagnée d'un rapport de conception d'une précision remarquable.