Ультразвуковые термоанемометры

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Известно, что скорость звука различна для разных сред, в котором этот звук распространяется, имеется также зависимость скорости звука от температуры, давления и скорости ветра в атмосфере, в которой распространяется звук.

Данный вид считается наиболее перспективным, поэтому и был выбран нами для проекта.

В продаже существует огромный выбор анемометров и полностью готовых метеостанций, стоимость которых начинается от 3000 рублей (механический анемометр) и 8000 рублей(метеостанция с возможностью определения силы и направления ветра).

Например, компактная метеостанция на базе механического анемометра, которая могла бы подойти по параметрам стоит от 66 тысяч рублей (https://fuehler-systeme.ru/meteorologiya/kompaktnaya-meteostantsciya.html)

Ультразвуковой анемометр на том же сайте порядка 270 тысяч.

(подобная же модель на других сайтах может стоит от 100 тысяч рублей).

Анемометры и метеостанции других конструкций не дают должную точность, кроме того интеграция уже готового программного обеспечения с закрытым исходным кодом в управляющие алгоритмы электростанции очень сложный процесс.

Таким образом, необходимо разработать собственную модель, сравнительно не дорогую, точную и с доступным кодом на базе микроконтроллера arduino.

Глава 2. Модель метеостанции

Как уже говорилось выше для проекта метеостанции нами был выбран ультразвуковой анемометр с датчиком температуры и влажности.

Ультразвуковые метеостанции являются стандартом метеорологических измерений во всем мире. Приборы такого класса производят множество зарубежных компаний.

Основной особенностью такого прибора является использование акустического (ультразвукового) метода измерения параметров ветра и температуры воздуха, заключающегося в измерении времени прохождения ультразвукового импульса пути Х1 от излучателя к приемнику и в обратном направлении Х2 через исследуемую воздушную среду(рис.1).

рис.1. Схема ультразвукового анемометра.

Скорость ветра V и температура воздуха Т определяются при этом такой формулой:

где Х1 и Х2 — расстояния между ультразвуковыми излучателями и приемниками первой и второй пары соответственно, t1 и t2 — время распространения ультразвукового импульса от излучателя к приемнику первой и второй пары соответственно. Измерение скорости ветра этим методом одновременно в взаимно ортогональных направлениях ( уже необходимы 4 излучателя и 4 приемника) позволяет определять три ортогональных составляющих вектора скорости ветра или результирующий вектор скорости. Определение температуры воздуха основано на измерении скорости звука в воздушной среде и последующего вычисления этой температуры с учетом величины влажности воздуха и атмосферного давления:

Главная задача — сделать очень надежными излучатели и приемники ультразвуковых колебаний, которые изготавливаются из специализированных видов пьезо-керамики и устанавливаются на своеобразные резиновые оправки, выполняющие роль "амортизатора". Так выглядит (на самом деле очень качественный) ультразвуковой датчик для подобных приборов. Датчики работают на частоте от 28 до 40 КГц. При этом датчики одной и той же конструкции могут быть одновременно и излучающим и принимающим ультразвук сенсором.[3.]

Создание своего прототипа мы начали с вывода формул для расчета скорости распространения звуковой волны.

Скорость звука в воздухе в зависимости от давления (высоты), влажности и температуры можно рассчитать по формулам.

где t — температура, P — давление, RH — относительная влажность, Pn — давление насыщенного водяного пара ( определяем по табл в зависимости от температуры ). Аппроксимация опытных данных состояний насыщенного пара позволила получить достаточно точную формулу насыщенного пара для всего диапазона инженерных задач.

где: Pn — давление насыщенного пара

t — температура насыщенного пара (воздуха), 0С.

k — переводной коэффициент размерности = 133.3 для Паскалей.[3]

Исследования показали, что состав воздуха в отдаленных от земли слоях атмосферы почти не меняется и процентное содержание кислорода в нем такое же, как и у поверхности земли.[4]

Разница скорости звука между сухим воздухом (0%) и туманом (100%) составляет 2 м/с при температуре 25С, а при 0С всего лишь 0,4 м/с . Давление тоже, к удивлению, почти не влияет, однако данное утверждение требует дополнительного исследования. На высоте 3 км над уровнем моря скорость звука увеличивается всего лишь на 0,5 м/с (при неизменной температуре 25С и влажности 40%). Основное влияние оказывает температура. Уменьшение температуры с 25 до 0 снижает скорость звука на 15.5 м/с.

При известном расстоянии между датчиками легко вычислить скорость прохождения сигнала. Тогда истинная скорость ветра будет равна разности эталонной расчетной скорости и измеренной. Знак будет показывать направление ветра. Если же перпендикулярно к первой паре датчиков добавить еще одну пару, то по теореме Пифагора будет легко определить полный вектор скорости ветра включая направление. Для системы из одной пары датчиков, расположенных например на флюгере чтобы быть ориентированным по ветру, скорость ветра можно будет определить по формуле:

где t — измеренное время прохождения импульса, с;

T — измеренная температура, °C;

RH — измеренная влажность, о.е. [0-1];

P — измеренное давление, Па.[3]

Таким образом, определив теоретические основы работы ультразвуковой метеостанции, мы приступили к построению модели. Для чего был выбран микроконтроллер arduino nano (из-за своих размеров, доступности и простоты программирования, а также большого количества модулей и библиотек http://amperka.ru/product/arduino-nano ), ультразвуковые дальномеры HC-SR04 (http://amperka.ru/product/hc-sr04-ultrasonic-sensor-distance-module ), датчик температуры и влажности DHT11(http://amperka.ru/product/troyka-temperature-humidity-sensor-dht11)

Стоимость подобного проекта получается порядка 1500-2000 рублей, при использовании оригинальных устройств, и раза в 2 меньше, при заказе модулей у сторонних производителей.

Конструкция метеостанции была выбрана максимально простая:

в центре цифровой датчик влажности и температуры ( в дальнейшем был добавлен дополнительно датчик температуры для более стабильной работы), ультразвуковые дальномеры размещены по краям перекрестья.

Зная особенности датчиков HC-SR04, которые не стабильно работают в случае тряски и резкой смены положения, были внесены некоторые изменения в код программы, добавлены фильтры и усредненное значение показаний.

Изучение работы ультразвуковой станции показали ее достаточную точность для гибридных энергетических систем, а программа на базе arduino делает ее доступной для интегрирования в различные устройства.

На данный момент наша метеостанция проходит дополнительное испытание на работоспособность в различных погодных условиях, чтобы убедиться в ее надежности.

Заключение .

Проанализировав рынок, мы выяснили, что существующие готовые решения не подходят для интеграции в гибридные энергетические системы, в связи с высокой стоимостью, низкой точностью, а также со сложностью совмещения программного обеспечения и внесения данных в управляющие алгоритмы электростанции.

Кроме того, изучив возможные конструкции анемометров, проанализировав их сильные и слабые стороны, мы остановили свой выбор на ультразвуковом методе изучения скорости и направления ветра.

Это один из наиболее точных и стабильных способов исследования.

На основе теоретических исследований, была выведена основная формула:

где t — измеренное время прохождения импульса, с;

T — измеренная температура, °C;

RH — измеренная влажность, о.е. [0-1];

P — измеренное давление, Па.[3]

Для работы были выбраны модули на базе arduino, что позволило снизить стоимость прибора в несколько раз и сделать программный код доступным.

Таким образом , в ходе проведенной работы мы получили работоспособный макет метеостанции, которую в дальнейшем мы планируем интегрировать в интеллектуальную гибридную энергетическую систему в автономном исследовательском боте.

Список источников

1. https://geektimes.ru/post/289835/ - здесь подробно рассказано о конструировании и сборке механического анемометра, а также плюсы и минусы различных видов приборов

2. http://blog.regimov.net/ультразвуковой анемометр на двух hc-sr04 инструкция по сборке ультразвукового анемометра на доступных датчиках для микроконтроллера arduino, которая послужила основой нашей метеостанции

3. http://blog.regimov.net/41-2/ теоретические основы измерения скорости и направления ветра с помощью ультразвука.

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Анемометр

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1862; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!