Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Parę kwestii przy projektowaniu dopplerowskiego anemometru

adamschodowy 10 Lis 2016 15:07 693 12
  • #1 10 Lis 2016 15:07
    adamschodowy
    Poziom 11  

    Uszanowanie,
    przymierzam się do zrobienia proof of concept urządzenia które w jednej osi będzie mierzyć prędkość wiatru na dystansie między 50 a 100 cm przy czym ważne jest dla mnie dokłądność dla małych prędkości - poniżej 1m/s, i chętnie zapoznam się z opiniami mądrzejszych zanim zabrnę w jakieś manowce.

    Uznałem że najprościej byłoby mierzyć dopperowskie przesunięcie ultradźwięków bo zliczając np. przez sekundę impulsy napędzające nadajnik i te z odbiornika niejako "samo mi się robi" uśrednianie dla tej sekundy, podczas gdy na szybko przeprowadziłem drobny eksperyment z modelem z przerobionego popularnego ultradźwiękowego dalmierza HC-SR04 który wysyła paczki impulsów (przeróbka polegała na wymontowaniu przetworników i umieszczeniu ich w linii), ewidentnie potrzebnych było wieeele pomiarów aby uzyskać wiarygodny wynik.

    Co mi sie marzy:
    Najchętniej nadajnik bym zrobił w postaci jakiegoś jednotranzystorowego generatora na kwarcu 40kHz, bo błąd +-200ppm przy tych 40kHz spokojnie mieści mi się w założeniach, odpada metrowa linia nadajnik-procek.
    Czytam jednak że kwarce 40k należą do "trudnowzbudliwych" zaś ogromna większość prostych generatorów, np testerów, projektowana jest pod rezonatory 4MHz i wyżej, a są to kwestie w opisach pomijane zas dla mnie istotne. Wysymulowanie tych modeli w moim ulubionym choć archaicznym electronics workbenchu ver 5.14 nie obiecuje sukcesu ale może to jedno z wielu ograniczeń tego softu. Inna kwestia to dostępność części - chętnie uniknę sprowadzania ich z muzeum.

    Odbiornik widziałbym jako pasmowy na op-ampie, tyle że tu też - znalezione w necie modele które próbowałem sobie poprzesuwać w okolice tych 40kHz dają ploty rozbieżne z oczekiwaniami i tym co widzę w publikacjach na których się chcę wzorować.

    Może ktoś juz te problemiki z osobna przerabiał potrafi wskazac pozbawiony błędów przykład który można wziąć za pewnik i raczej ułatwi on niz spowolni developerkę?


    Generatory które biorę pod uwage dla nadajnika:

    obcięty tester kwarców
    Parę kwestii przy projektowaniu dopplerowskiego anemometru

    generator na trudnowzbudliwych rezonatorach -zgaduję ze obwód rezonansowy LC dobieram na 40KHz i po wzbudzeniu to kwarc nedzie mi ustawiał oscylacje a nie ten układ
    Parę kwestii przy projektowaniu dopplerowskiego anemometru

    Odbiorniki:
    Parę kwestii przy projektowaniu dopplerowskiego anemometru
    (tu R w kolektorze Q4 wydaje mi się 10x większy niż trzeba)

    a tu wyciete wejscie i wyjscie z jakiegos dalmierza - niby rozwiązanie dedykowane ale opamp odbiornika zupełnie egzotyczny, czym to zastapić?
    Intryguje mnie też nadajnik - tutaj zastąpiłbym kluczujący Q1 jednym z wyjściowych inwerterów i podpiął kwarc między jego wejście a pin nr 6, ma to sens?
    Parę kwestii przy projektowaniu dopplerowskiego anemometru

    0 12
  • #2 11 Lis 2016 10:17
    jaszczur1111
    Poziom 33  

    Znalezienie zgrabnego kwarcu na 40kHz graniczy z cudem. Ale istnieją kwarce na 32768 Hz. Są np.w zegarkach naręcznych. Sam generator trzeba traktować tylko jako źródło sygnału a dopiero potem go wzmocnić. Taki kwarc z zegarka pracuje na mocach ułamkowych i nie da się wysterować nim przetwornika z układu jaki zaproponowałeś. Moim zdaniem można też zastosować dowolny inny i dzielnik częstotliwości. Komplikuje to co prawda cały układ, ale przedsięwzięcie staje się realne.

    0
  • #3 13 Lis 2016 21:58
    adamschodowy
    Poziom 11  

    Z kwarcem 40k nie ma żadnego problemu, już je zresztą mam, ale uwaga o wysterowaniu transmittera pewnie cenna bo uznałem że skoro ma on charakter pojemnościowy to wysterować go można jak każde piezo - byle czym, jakoś nie wnikałem czemu w niektórych aplikacjach podpinają go w czymś w rodzaju mostka H (tzn wiem to - aby zwiększyć amplitudę i zasięg, ale nie natrafiłem da datasheeta takiego przetwornika, z npo podaną pojemnością albo Z dla tych 40kHz), oczywiście dodanie stopnia żadnym problemem nie jest. Czy poza tym nie ma luk w moich założeniach?

    0
  • #4 13 Lis 2016 23:16
    jaszczur1111
    Poziom 33  

    Nie wiem czy nie ma luk. Za mało danych. Łatwiej powiedzieć, że to nie zadziała bo coś tam. Odbiornik można zrobić na bazie jakiegoś radia, wykorzystując podwójną przemianę częstotliwości. Dać generator o częstotliwości niższej o 40kHz od np. 150kHz. Radiem bez problemu można się wstroić i masz tani odbiornik wysokiej klasy.

    0
  • Pomocny post
    #5 14 Lis 2016 05:04
    Rasel
    Poziom 21  

    Cytat:
    Uznałem że najprościej byłoby mierzyć dopperowskie przesunięcie ultradźwięków

    Czy dobrze rozumiem, że chcesz zmierzyć różnicę częstotliwości ciągle nadawanej fali ultradźwiękowej i odbieranej w odległości 1m od nadajnika? Bo jeżeli tak, to jesteś w błędzie, częstotliwość nie ulegnie zmianie przy zmianie prędkości wiatru.
    Takie pomiary ultradźwiękowe odbywają się na innej zasadzie. Link
    Dopplerowski pomiar też jest możliwy, ale działa na jeszcze innej zasadzie, a układ elektroniczny jest dużo bardziej skomplikowany.

    0
  • #6 14 Lis 2016 17:31
    adamschodowy
    Poziom 11  

    racja, załapałem, jestem kretynem :)

    0
  • #7 15 Lis 2016 10:36
    jaszczur1111
    Poziom 33  

    A ja myślę że sprawa nie jest zamknięta. Trzeba zbudować stelaż na nim odbiornik i nadajnik w odległości 1m. Myślicie że to nie zadziała?

    0
  • #8 15 Lis 2016 10:51
    icooz
    Poziom 16  

    Hej Rasel
    Czy czytałeś linka którego zapodałeś? Oświeć mnie jeśli jestem tępy...

    Wikipedia napisał:
    dopplerowskie (ultrasonograficzne) – mierzą częstotliwość dźwięku (ultradźwięku) rozchodzącego się w powietrzu, która zmienia się, gdy ośrodek porusza się względem obserwatora (efekt Dopplera) i w ten sposób wyznaczają prędkość ośrodka

    I btw. w wikipedii jest po trochu opisana zasada mierzenia za pomocą tej metody...

    0
  • #9 16 Lis 2016 01:06
    adamschodowy
    Poziom 11  

    Koncepcji mierzenia w ogólności nie zaoram, tzn zrealizuję to właśnie tak jak z początku zacząłem (a jaszczur1111 pokrótce opisał), ale patent z tym "dopplerem" nie ma szans wypalić dlatego że bez względu na prędkośc medium, o ile będzie stała, f nadajnika dla odbiornika będzie ta sama. można w ten sposób najwyżej mierzyć zmiany prędkości wiatru ale nic to nie daje. Tzn dałoby sie to robic na zasadzie analogicznej jak wyznaczanie trasy akcelerometrem. Obliczeniowo upierdliwe, sumowanie błędów itd.
    Natomiast realizacja samego pomiaru na razie wygląda tek że kupiony niebrandowany ultradźwiękowy czujnik odległości HC-SR04 pozbawiłem umocowanych na stałe przetworników (normalnie mierzy odległość na podstawie czasu impulsów wysłanych i odbitych z powrotem, więc jest wiatroodporny pod tym względem) i umieściłem je naprzeciwko. Czyli odpada cała zabawa w projektowanie układów nadawczych i odbiorczych, sam moduł kosztuje parę doparunastu złotych. Dokładność ograniczona wszelkimi szumami przy użyciu procka na wewn. oscylatorze to około promila, czyli dla prędkości wiatru poniżej 0.5m/sek. Teoretycznie. Póki co -walczę z pouśrednianiem tego do jakiejś w miarę stabilnej wartości. Dochodzi jeszcze kwestia uodpornienia tego na niedokłądność dobrania odległości, bo urządzenie przenośne, więc mierzyć trzeba w dwie strony.
    Zaś dopplerowski pomiar wiatru stosowany w praktyce należy rozumiec tak, że wiązka z nadajnika trafia do odbornika raz bezpośrednio, a drugi raz odbita, i ta róznica wyznacza prędkość medium. Też upierdliwe, i układowo, i obliczeniowo, tak sądze przynajmniej.

    0
  • #10 16 Lis 2016 01:57
    Rasel
    Poziom 21  

    Hej icooz!

    Tak, tak, czytałem, czytałem... To zdanie z Wikipedii:

    Cytat:
    dopplerowskie (ultrasonograficzne) – mierzą częstotliwość dźwięku (ultradźwięku) rozchodzącego się w powietrzu, która zmienia się, gdy ośrodek porusza się względem obserwatora (efekt Dopplera) i w ten sposób wyznaczają prędkość ośrodka


    jest dość nieszczęśliwie sformułowane i może wprowadzać w błąd i - jak wynika z Twojego posta - wprowadza. Dopplerowski pomiar odbywa się na zasadzie radaru, za pomocą urządzenia zwanego SODAR. Nadajnik wysyła w przestrzeń krótki sygnał ultradźwiękowy składający się np. z 10 pełnych okresów tonu o częstotliwości np. 40kHz. Odbiornik (który może być umieszczony w tym samym miejscu co nadajnik, lub głośnik nadajnika może być jednocześnie mikrofonem odbiornika) odbiera echo wysłanego sygnału, które odbiło się od cząsteczek poruszającego się powietrza (nazwijmy to tak umownie, bo mówiąc precyzyjnie od niejednorodności występujących w powietrzu, m.in. turbulencji). Jeżeli powietrze się nie porusza, to częstotliwość odebrana jest równa nadawanej. A jeżeli powietrze się porusza, to odebrana częstotliwość ulegnie zmianie zgodnie ze zjawiskiem Dopplera.
    Oczywiście to jest bardzo skrócony i uproszczony opis, bo nadajnik może wysyłać falę ciągłą, wtedy na wejściu odbiornika musimy zastosować filtr środkowo-zaporowy, który usunie nadawaną częstotliwość, ale to są szczegóły techniczne związane z konkretną implementacją.
    Warto podkreślić, że przy metodzie impulsowej możemy na jakiś czas po wysłaniu impulsu wyłączyć odbiornik i odbierać tylko późniejsze echo. W ten sposób zmierzymy prędkość wiatru w dużej odległości od urządzenia pomiarowego. Pozwala to wyeliminować zawirowania powietrza (turbulencje) spowodowane obecnością budynku lub masztu na którym jest zainstalowana aparatura pomiarowa, które wprowadzają dodatkowy błąd pomiaru. Na przykład odbiór echa dopiero po dwóch sekundach da nam informacje o prędkości wiatru w odległości ok. 340 metrów od miejsca zainstalowania "anten" SODAR-u. Oczywiście możemy odbierać kilka ech co ułamek sekundy i mieć informację o prędkości wiatru w różnych warstwach powietrza (czy na różnych wysokościach, gdy "anteny" SODAR-u skierujemy pionowo w górę).
    Stosując minimum trzy "anteny" SODAR-u odsunięte od siebie, możemy określić, oprócz prędkości, także kierunek wiatru.

    Icooz, jeżeli chcesz wiedzieć jeszcze więcej, to poczytaj o urządzeniu nazywającym się LIDAR. Ono mierzy za pomocą lasera! Dając Autorowi wątku link do Wikipedii, chciałem żeby zobaczył gdzie popełnia gruby błąd, który uniemożliwia działanie urządzenia według przyjętych przez niego założeń.

    Ale generalnie zgadzam się z kolegą jaszczur1111, urządzenie można zbudować i sprawdzić jak działa. Trzeba tylko wybrać którą wersję:
    1. Ultradźwiękową mierzącą odstęp czasu potrzebny na przebycie drogi dźwięku pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem (i z powrotem!) położonymi w ustalonej odległości,
    2. Dopplerowską mierzącą częstotliwość odebranego echa (ale układowo jest to dużo bardziej skomplikowane urządzenie od wersji 1).
    3. Rozumiem, że o laserowej na razie nie rozmawiamy.

    Przepraszam za przydługi tekst i pozdrawiam
    Rasel

    0
  • #11 16 Lis 2016 18:38
    jaszczur1111
    Poziom 33  

    A jakby sygnał do odbiornika docierał 2 drogami? Jedna np. kablem, albo dla wymagających podczerwienią, a druga powietrzem? Mamy wtedy źródło odniesienia w odbiorniku i sygnał opóźniony, bądź przyśpieszony ruchem powietrza.

    0
  • #12 16 Lis 2016 22:13
    adamschodowy
    Poziom 11  

    Tak właśnie jest w HC-04, sygnał na wyjściu zmienia stan na wysoki w momencie nadania impulsu a na niski w chwili odebrania. Szerokość impulsu przekłada się na czas przejścia.

    0
  • #13 20 Lis 2016 20:11
    icooz
    Poziom 16  

    Dzięki kolego, zawsze warto wiedzieć :)
    Dzięki za informacje, do zobaczenia.

    0