Anémomètre à ultrasons

Les stations météorologiques sont un projet populaire pour expérimenter divers capteurs environnementaux. Un simple anémomètre à coupelle et une girouette sont généralement utilisés pour déterminer la vitesse et la direction du vent. Pour la QingStation de Jianjia Ma, il a décidé de construire un type de capteur de vent différent : un anémomètre à ultrasons.
Les anémomètres à ultrasons ne comportent aucune pièce mobile, mais leur complexité électronique est considérablement accrue. Ils mesurent le temps nécessaire à une impulsion ultrasonore pour se réfléchir vers un récepteur situé à une distance connue. La direction du vent peut être calculée en mesurant la vitesse de deux paires de capteurs à ultrasons perpendiculaires l'une à l'autre et en utilisant une trigonométrie simple. Le bon fonctionnement d'un anémomètre à ultrasons nécessite une conception soignée de l'amplificateur analogique à la réception et un traitement approfondi du signal afin d'extraire le signal correct des échos secondaires, de la propagation par trajets multiples et de tout le bruit environnemental. La conception et les procédures expérimentales sont bien documentées. Comme [Jianjia] n'a pas pu utiliser la soufflerie pour les tests et l'étalonnage, il a temporairement installé l'anémomètre sur le toit de sa voiture et est parti. La valeur obtenue est proportionnelle à la vitesse GPS de la voiture, mais légèrement supérieure. Cela peut être dû à des erreurs de calcul ou à des facteurs externes tels que des perturbations du vent ou de la circulation d'air dues au véhicule d'essai ou à d'autres véhicules.
D'autres capteurs incluent des capteurs optiques de pluie, des capteurs de lumière, des capteurs de luminosité et le BME280 pour mesurer la pression atmosphérique, l'humidité et la température. Jianjia prévoit d'utiliser la QingStation sur un bateau autonome ; il a donc également ajouté une centrale inertielle, une boussole, un GPS et un microphone pour le son ambiant.
Grâce aux progrès des capteurs, de l'électronique et des technologies de prototypage, construire une station météorologique personnelle est plus facile que jamais. La disponibilité de modules réseau à faible coût nous permet de garantir que ces appareils IoT transmettent leurs informations à des bases de données publiques, fournissant ainsi aux communautés locales des données météorologiques pertinentes pour leur environnement.
Manolis Nikiforakis tente de construire une pyramide météorologique, un appareil de mesure météorologique entièrement à semi-conducteurs, sans entretien, autonome en énergie et en communications, conçu pour 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 à semi-conducteurs, 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 s'assurer qu'ils sont rentables, faciles à installer et ne nécessitent pas de maintenance fréquente. L'élimination de tous ces problèmes pourrait conduire à la construction de stations météorologiques plus fiables et moins coûteuses, qui pourraient ensuite être installées en grand nombre dans les zones reculées.
Manolis a quelques idées pour résoudre ces problèmes. Il prévoit de capturer la vitesse et la direction du vent à partir de l'accéléromètre, du gyroscope et de la boussole dans une unité de capteur inertiel (IMU) (probablement un MPU-9150). L'objectif est de suivre le mouvement du capteur IMU lorsqu'il oscille librement sur un câble, comme un pendule. Il a effectué quelques calculs sur un coin de table et semble confiant quant aux résultats attendus lors des tests du prototype. La mesure des précipitations sera effectuée à l'aide de capteurs capacitifs utilisant un capteur dédié comme le MPR121 ou la fonction tactile intégrée de l'ESP32. La conception et l'emplacement des pistes d'électrodes sont essentiels pour une mesure correcte des précipitations par détection des gouttes de pluie. La taille, la forme et la répartition du poids du boîtier dans lequel le capteur est monté sont également cruciales, car elles affectent la portée, la résolution et la précision de l'instrument. Manolis travaille sur plusieurs idées de conception qu'il prévoit de tester avant de décider si la station météorologique sera entièrement intégrée au boîtier rotatif ou uniquement les capteurs.
En raison de son intérêt pour la météorologie, [Karl] a construit une station météorologique. Le plus récent d'entre eux est le capteur de vent à ultrasons, qui utilise le temps de vol des impulsions ultrasoniques pour déterminer la vitesse du vent.
Le capteur de Carla utilise quatre transducteurs ultrasonores, orientés nord, sud, est et ouest, pour détecter la vitesse du vent. En mesurant le temps de parcours d'une impulsion ultrasonore entre les capteurs d'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 incroyablement détaillé.