Ультразвуковой анемометр

Цифровой анемометр)

Начну с того, что расскажу, что такое анемометр –

Анемометр — прибор для измерения скорости движения газов, воздуха в системах, например, вентиляции. В метеорологии применяется для измерения скорости ветра (из Википедии).

По принципу действия различают механические анемометры, в которых движение газа приводит во вращение чашечное колесо или крыльчатку (подобие воздушного винта), тепловые анемометры, принцип действия которых основан на измерении снижения температуры нагретого тела, обычно накаливаемой проволоки, от движения газа, ультразвуковые анемометры, основаны на измерении скорости звука в газе в зависимости от движения его, так, навстречу ветру скорость звука ниже, чем в неподвижном воздухе, по ветру — наоборот, выше. (тоже всё из Википедии)

Так вот, из сложностей, которые у меня возникли с 3д печатью, напечатать лопастной анемометр надлежащего качества не получилось, но готовых вариантов для печати более, чем достаточно:

a)  Механический анемометр

https://www.thingiverse.com/thing:2849562 f

Скажу несколько слов о том, как устроен данный вариант –

В основном в данных анемометрах применяются датчики Холла, работает это следующим образом:

Устанавливается датчик Холла, с помощью которого мы и получаем информацию о скорости ветра (на сколько я понял, датчик Холла изменяет напряжение в зависимости от того, где находится магнит, эти данные мы считываем с помощью нашего устройства, проводим калибровку и получаем скорость ветра), примерным образом определяется и направление.

Из-за сложностей, которые у меня возникли во время 3д печати, я решил попробовать разобраться с цифровым анемометром, т.к. у него отсутствуют механические детали и у него много других плюсов, но сейчас речь не об этом.

 

б) Ультразвуковой анемометр

Ультразвуковых анемометров есть несколько видов, основные показаны на рисунке)

Так вот, самый “простой” анемометр выглядит примерно следующим образом:

Как он работает?

Начну с того, что ультразвуковой анемометр называется ультразвуковым потому что работает с помощью ультразвука. Работает ультразвуковой анемометр примерно следующим образом (на картинке указан трёхосевой анемометр, такой же принцип и у двух осевого):

 

Т.е. с помощью ультразвуковых датчиков сигнал сначала передаётся из точки а в точку б, время замеряется, потом сигнал передаётся из точки б в точку а, время замеряется, получается разница скорости прохождения сигнала туда и обратно, что и требовалось найти. Аналогично делают для других осей и мы получаем детальную информацию о скорости и направлении ветра)

Но есть ещё один вариант конструкции, более компактный, но не менее функциональный, презентация:

 

Вот как раз такой анемометр я и пытаюсь сделать)

Как видно из презентации, те же датчики, то же время прохождения из пункта а в пункт б, теперь только сигнал идёт через отражающую поверхность, сделано это для более компактного размещения.

Кстати, достаточно много подробной и интересной информации можно найти по следующей ссылке:

http://www.dl1glh.de/ultrasonic-anemometer.html

Итак, что мы имеем:

Orange Pi One

Несколько датчиков HC-SR04

Два датчика Murata ma40mf14-0b

2 усилителя LM386

2 компаратора LM393

кучу резисторов, пару 100 нано фарадных конденсаторов и так, по мелочи.

 

Сразу скажу, датчики HC-SR04 я хотел использовать по своему усмотрению, т.е. с одного датчика отправлять сигнал и ловить его уже вторым датчиком. Долго пытался запустить эту схему, но судя по информации в интернете, данный датчик сделан таким образом, что не позволяет принимать ультразвуковой сигнал, если предварительно он не был отправлен с передатчика (имеется в виду, если не было подано напряжение на ультразвуковой излучатель, сами датчики то готовы ловить любой ультразвуковой сигнал (HC-SR04 работает на частоте 40kHz) ). Конечно, есть несколько вариантов решения данной ситуации) :

  1. Всё распаять и достать отдельно ультразвуковые датчики (на приём и на получение), вот пример: http://www.zolalab.com.br/eletronica_projetos/ultrasonic_talk.php Спасибо этому проекту, там всё подробно расписано, как заставить ультразвуковые датчики получать и отправлять сигналы.
  2. Я видел следующий вариант:Утверждается, что получилось заставить данный модуль работать в таком режиме, по идее так должно работать, ссылка на источник: https://technicalustad.com/distance-measuring-system-with-arduino-uno-and-ultrasonic-sensor-hc-sr04/

Я решил реализовать следующий вариант (источник) :

 

Что мы здесь имеем:

LM386 это усилитель сигнала, в него идёт сигнал с ультразвукового приёмника, далее этот сигнал поступает в компаратор LM393, с помощью потенциометра мы настраиваем компаратор LM393 таким образом, чтобы светодиод мигал только в том случае, когда получает сигнал.

Т.е. Датчик -> конденсатор 100 нано фарад -> усилитель сигнала LM 386 -> компаратор LM393 -> Orange Pi One

В случае с излучателем ультразвука, говорят, что достаточно подключить излучатель к пинам Orange (ну или любого другого микроконтроллера) и подавать на него напряжение, не проверял, я использовал для отправки сигнала как раз HC-SR04.

Т.к. датчики Murata ma40mf14-0b вроде работают в режиме приём/передача, то я дополнительно подключу к принимающему датчику пин от Orange pi, для того, чтобы его использовать как передатчик, вроде должно заработать.

Т.е., на данный момент, я реализую 2 таких схемы и в итоге получу 2 датчика, которые работают в режиме отправки/получения ультразвукового сигнала, настрою их, и смогу уже измерять скорость ветра по одному вектору (для “простого” анемометра достаточно 2х векторов).

Итак, ситуация на данный момент следующая – у меня работают два датчика на приём сигнала от одного HC-SR04, заставить один датчик отправлять сигнал другому просто используя пины Orange Pi не получилось, возможно что-то делал не так, но не суть, не получилось (скорей всего я найду схему, как отправлять сигнал с помощью ma40, скорей всего я уже это нашёл, но не обратил внимание). Но опять же, идём дальше, нашёл на просторах пакистанского интернета такое вот изделие:

ссылка на сайт института

В данном случае использовали модули HC-SR04, из этих модулей достали передатчики, поставили их напротив друг друга и заставили общаться. В принципе, пока я разбираюсь со своими датчики, вполне могу поработать над таким вариантом, чтобы потихоньку двигаться дальше, в дальнейшем заменив HC-SR04 на более подходящие мне датчики)

Вот, кстати, аналогичное сделал кто-то  , уже на русском и с программой для вычислений на C.

 

Продолжение

Собрав похожий вариант изделия, правда не в 2х направлениях, а только в одном, столкнулся с тем, что датчики показывают разные значения, хотя должны показывать примерно одно и то же время, скорей всего это связано с подключением и сборкой и какой-то странной ОС на апельсинке, скорей всего при новой сборке такого не было, возможно, что один из датчиков немного неправильно работает, есть такие подозрения:

 

Ну да ладно, идём дальше:

Решил вместо того, чтобы переделывать предыдущий вариант, сделать такой вариант:

 

Вот схема, по которой функционирует данные анемометр:

В принципе, вроде всё понятно, осталось подготовить корпус, подключить датчики и проверить, как он работает:

Сделал модель корпуса и распечатал её на 3д принтере, накупил необходимых компонентов для того, чтобы всё это чудо подключить и заставить работать, как подключать ультразвуковые датчики, которые будут принимать сигнал я знаю (производителя Murata или ещё какого другого производителя, с подключением к усилителю и компаратору), в качестве датчика, который будет отправлять сигнал я буду использовать датчик из модуля HC-SR04 (буду использовать только один датчик, без датчика для приёма).

 

Please follow and like us:
0
Ультразвуковой анемометр

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Перейти к верхней панели