Ультразвуковой анемометр Опции

[brag]

Вот слепил таккой девайс из почти подручных материалов.
Мож кому будет интересно..

Принцип взят из этой темы http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=65996 + немного мозга. Отдельная благодарность ее учасникам за инфу
Контроллер - атемга88 на плате от какого-то старого проекта.
Датчики брал вот такие http://voron.ua/catalog/018090 дешевые. По скольку мне прислали не пару, а 2 передатчика - так и поставил. передатчик тоже OK работает в качестве приемника
Схема простая. добротности датчиков для расстояния 100мм (взял исходя из нужных критериев) достаточно, так что все прямо к мк. Компаратору опору немного сместил и поднял все это дело над землей.

Принцип основан на измерении разности фаз сигнала туда и обратно и выдача на комп по UART, дальше вся обработка на матлабе.

Тактовая частота 20мгц. резонансная около 42кгц(подстраивал).
У таймера1 2 прерывания в центре цикла и в конце, тоесть прерывания вылетают с частотой ~84кгц всегда из одного места: sleep; rjmp -1;

Код

OCR1B=TMVAL_PI-1; // middle
    OCR1A=TMVAL_PI*2-1;

главное - успеть их обработать, до наступления следующего прерывания.
В обработчике собственно дрыгание ногами и проверка флага ICR, который выставляется по одному фронту(без разницы какому) компаратора.

CODE

static void tih1(){
PORTC^=(PC_US00|PC_US01);
icr1();
}

static void tih2(){
PORTC^=(PC_US12|PC_US13);
icr2();
}

void tihInit(){
setTih1();
}

ISR(iTmr1CmpA){ // full cycle, 40khz
pTih();
}

ISR(iTmr1CmpB){ // middle of cycle
pTih();
}

В стейт-машине
1. делается 4096 холостых тактов
2. берется значение ICR, которое по сути является фазой(если свернуть к +-PI) и интегрируется 2048 раз
3. меняются местами приемник/передатчик
4. повторяется 1-3
5. вычисляется разность фаз(со сварачиванием ессно) выдается результат по uart ( cbkDfrdy(dfi); )

Разность фаз может быть как положительная, так и отрицательная, те можно мерять и направление ветра.

Вот примерно такой код

CODE

// --------------------------------------------------------
static CallbackF pTih;
static long g_integ;
static int g_icrint1,g_icrint2;
static U16 g_ctr;
static U8 g_st;

static void tih1();
static void tih2();

static void tmrReset(){
TCCR1B=(TCCR1B&~0x07);
TCNT1H=0;
TCNT1L=0;
TCCR1B|=(1<<CS10);
TIFR1=0x27;
}

static void setTih1(){
DIDR0=(1<<ADC2D)|(1<<ADC3D);
PORTC=0x30|PC_US00;
DDRC=PC_US00|PC_US12|PC_US01;
ADMUX=3;
pTih=tih1;
tmrReset();
}

static void setTih2(){
DIDR0=(1<<ADC0D)|(1<<ADC1D);
PORTC=0x30|PC_US12;
DDRC=PC_US00|PC_US12|PC_US13;
ADMUX=1;
pTih=tih2;
tmrReset();
}

#define T_PREAMBLE 4096
#define LS_INTC 11

static inline char getIcr(int *picr){
if(TIFR1&(1<<ICF1)){
int icr=ICR1L;
icr|=(U16)ICR1H<<8;
TIFR1=(1<<ICF1);
if(icr>=TMVAL_PI)icr-=TMVAL_PI*2; // if fi>=180 fi=fi-360;
*picr=icr;
return 1;
}
return 0;
}

static void icr1(){
int icr;

switch(g_st){
case 0: // start
g_ctr=0;
g_st=1;
break;
case 1:
if((++g_ctr)>=T_PREAMBLE){
g_ctr=0;
g_integ=0;
g_st=2;
}
break;
case 2:
if(!getIcr(&icr))break;
g_integ+=icr;
if((++g_ctr)>=(1<<LS_INTC)){
g_icrint1=g_integ>>LS_INTC;
g_st=0;
setTih2();
}
break;
default:
g_st=0;
break;
}
}

static void icr2(){
int icr;

switch(g_st){
case 0: // start
g_ctr=0;
g_st=1;
break;
case 1:
if((++g_ctr)>=T_PREAMBLE){
g_ctr=0;
g_integ=0;
g_st=2;
}
break;
case 2:
if(!getIcr(&icr))break;
g_integ+=icr;
if((++g_ctr)>=(1<<LS_INTC)){
g_icrint2=g_integ>>LS_INTC;

int dfi=g_icrint1-g_icrint2;
if(dfi>=TMVAL_PI)dfi-=TMVAL_PI*2; // wrap phase
else if(dfi<-TMVAL_PI)dfi+=TMVAL_PI*2;

cbkDfrdy(dfi);
//outhex(dfi);
//outhex(g_icrint1);uartch(' ');outhex(g_icrint2);
//uartstr_P("\r\n",2);

g_st=0;
setTih1();
}
break;
default:
g_st=0;
break;
}
}

Самое важное здесь выполнить tmrReset в начале каждого измерения иначе фаза будет прыгать рандомически. Ну и успеть полностью обработать прерывание(когда идет замер фазы) примерно за 230 тактов, в моем случаи.

Мне нужно мерять не скорость ветра, а расход воздуха, м3/час. Поэтому эта колбаса помещается в трубе диаметром 125мм.
Формулы простые, все основано на Википедии + Wolfram mathematica

l=0.1; % расстояние между датчиками
d=0.125; % диаметр трубы
vs0=20.0457*sqrt(t+273.15); % скорость звука, t - температура в °C, берется с термодатчика тем же прибором.
dt=y/20e6; % y-разность фаз.
v=-l/dt + sqrt(l^2 + dt^2* vs0^2)/dt; % вычисляем скорость ветра, м/с
va=v*pi*(d/2)^2*3600; % расход воздуха, м3/час

Вот так выглядит результат. Пока тест, дул ртом (в одну и в другую сторону)

[brag]

С трубой картина хуже - отражения в трубе формируют fir-фильтр и довольно легко можно поймать акустическое кз, (слегка сжимая трубу рукой, на пример). длина волны на частоте 40кгц всего каких-то 8мм... надо наверное демпфировать трубу какими-то ультразвукопоглотительными материалами

[Lagman]

Ультразвуковой расходомер, много где применяется. В основном для однофазных (например газ) потоков, если появляется вторая фаза (жидкость в газе) то будет врать. Делают многофазные ультразвуковые расходомеры, но там вся метрология проходит на одной фазе, а потом математическими вычислениями якобы приводят результат к расходу потока.
Обычно приемо-передатчики располагают под углом (реже Х образно) относительно потока (трубы), может в этом есть секрет отсутствия "акустического кз", а может в том что трубы железные и они почти не сжимаются(разжимаются).

[brag]

В трубе какраз максимум отражений именно когда располагать под углом, поэтому я их на палке и разместил, дабы меньше ловить отражений в ущерб точности(из за удара воздуха об конструкцию, профиля турбулентности). Но и то не помогло...
Вот вчера какраз разместил под углом ~45° в отверстиях.
Трубу изнутри обмотал тряпкой(погеморился малость - так гораздо лучше, точность в +-5 м3/час получил, что меня вполне устраивает и что при цене 1LSB~=1м3/час вполне норм, в наколенных условиях особо выше и не получишь.
Труба пвх тонкостенная(где-то 1.5мм) d=125mm, поэтому все нестабильно на отражениях. Если взять металлическую да со стенкой в 3мм, думаю можно просто раз настроить по макс. чувствительности двигая датчики и все. отражения только на пользу (увеличивают силу сигнала). Разместить для простоты настройки "V-образно"

Про многофазность. Если менять отн. влажность воздуха от 40 до 75% при температуре 15°С ничего существенно не меняется, по крайней мере мой прибор этого не видит
Да и по формуле скорость звука от этого практически не зависит.
Вот если там будет уже не пар, а вода(туман), песок итп - другое дело..

[Самоделкин]

В трубе какраз максимум отражений именно когда располагать под углом, поэтому я их на палке и разместил, дабы меньше ловить отражений в ущерб точности(из за удара воздуха об конструкцию, профиля турбулентности). Но и то не помогло...
Вот вчера какраз разместил под углом ~45° в отверстиях.
Трубу изнутри обмотал тряпкой(погеморился малость - так гораздо лучше, точность в +-5 м3/час получил, что меня вполне устраивает и что при цене 1LSB~=1м3/час вполне норм, в наколенных условиях особо выше и не получишь.
Труба пвх тонкостенная(где-то 1.5мм) d=125mm, поэтому все нестабильно на отражениях. Если взять металлическую да со стенкой в 3мм, думаю можно просто раз настроить по макс. чувствительности двигая датчики и все. отражения только на пользу (увеличивают силу сигнала). Разместить для простоты настройки "V-образно"

Про многофазность. Если менять отн. влажность воздуха от 40 до 75% при температуре 15°С ничего существенно не меняется, по крайней мере мой прибор этого не видит
Да и по формуле скорость звука от этого практически не зависит.
Вот если там будет уже не пар, а вода(туман), песок итп - другое дело..

---------------------------
Возможно я чего то не правльно понял а чем Вы измеряли +- 5 м3/ч ? Я конечно не метролог но хотелось бы уточнить , в каких диапазонах должен прибор измерять скорости потока ( мин , мах ) . Если нужен ( показометр) это одно дело а вот расходометр - это уже серьезно . Потому что как я понимаю измеритель скорости потока газа (воздуха ) и поток в трубе совсем не простая вещь . Именно по этому датчики распологают и V и X даже W образно это для того чтобы учитывать разные составляющие скорости потока в трубе а не для хорошего сигнала ;-) .

[Herz]

5. вычисляется разность фаз(со сварачиванием ессно) выдается результат по uart ( cbkDfrdy(dfi); )

А что это значит?

[brag]

Возможно я чего то не правльно понял а чем Вы измеряли +- 5 м3/ч ?

Тем же прибором. Конечно эт от части показометр, тк судить о его правильности могу только по косвенным признакам(на пример точности определения фазы,повторяемости итп).

в каких диапазонах должен прибор измерять скорости потока ( мин , мах )

от 0.25 до 5.5 м/с в трубе d=125mm

W образно вроде просто для удлинения пути прохождения сигнала, актуально только для тонких труб тк там скоростя довольно большие.
V - для "нормальных". самый распространенный, видимо из за того, что проще настраивать - датчики в одну линию.
Z - для "толстых и нормальных"
Вот X там думаю да, можно получить точность по-выше.
Я размещал V(вырезал кусок тряпки напротив датчиков) и Z - разницы особой нету (за исключением диапазона измерения из за разных длин пути прохождения сигнала).

А что это значит?

dfi=fi1-fi2; if(dfi>pi)dfi-=2*pi; else if(dfi<-pi)dfi+=2*pi;
fi1 - фаза сигнала "туда", fi2 - фаза сигнала "обратно", или на оборот

[Herz]

dfi=fi1-fi2; if(dfi>pi)dfi-=2*pi; else if(dfi<-pi)dfi+=2*pi;
fi1 - фаза сигнала "туда", fi2 - фаза сигнала "обратно", или на оборот

Читал-читал, так ничего и не понял. А словами нельзя?

[brag]

Читал-читал, так ничего и не понял. А словами нельзя?

хм, что именно не ясно? зачем нужно сворачивать? или что такое сворачивание? или что еще?

[kolobok0]

Тем же прибором. Конечно эт от части показометр, тк судить о его правильности могу только по косвенным признакам(на пример точности определения фазы,повторяемости итп).
...

я так понимаешь это новое слово в измерениях.
мужики то не знали - с поверками возятся... а тут оказывается всё просто...

[Herz]

хм, что именно не ясно? зачем нужно сворачивать? или что такое сворачивание? или что еще?

Наверное, то, что Вы называете сворачиванием.

[brag]

я так понимаешь это новое слово в измерениях.
мужики то не знали - с поверками возятся... а тут оказывается всё просто...

где я хоть раз заикнулся о поверочной точности?
это для системы вентиляции. там нужно знать примерный расход воздуха, скажем 60 - 90 - 120 200 кубов/час. Сам по себе расход меняется от разных параметров сильнее(на пример, если просто подставить ладонь к вент-решетке), чем точность этого наколенного прибора, при чем это отлично по нему видно...
его бы еще калибронуть, но нечем... есть "пропеллерный" анемометр, но сам пропеллер "давит" вентилятор - толку от него 0 - потеря давления в 20па уже отнимает порядка 25м3/час.

Наверное, то, что Вы называете сворачиванием.

Ну фаза периодического сигнала штука круговая, обычно выражается в пределе -пи..+пи или -180° до +180° и физически выйти за эти пределы не может, вернее может, но это будет уже по второму кругу, только распознать мы этого уже не сможем. а при вычитании/сложении мгуть образоватся числа, выходящие за этот предел, поэтому их надо подогнать, дабы получить реальное значение угла.
http://libeas01.it.ohio-state.edu/ojs/inde.../3745/3305/8448
А поскольку фаза=время*костанта, все это действительно и для временной задержки периодического сигнала.

[kolobok0]

...это для системы вентиляции. там нужно знать примерный расход воздуха...

ОФФ/2:

вентиляция....
нужно знать...

а для чего знать, не подскажите?
Есть два варинта ответа:
Для красочного вывода клиенту (что собственно по большому счёту нафик никому не нужно)
Что для теоретических изысков (что в совокупности с другими параметрами - сводит на нет все Ваши измерения. ну или скажем так - ставит под сомнение)

или что то ещё?

Сообщение отредактировал kolobok0 - Jan 5 2014, 15:05

[brag]

для контроля. клиент хочет, чобы его вентиляция давала столько воздуха, сколько прописано в его документах(или в голове, хз).
вообще это оффтоп. лучше бы сказали как без калибровки по готовому прибору можно полуить точность измерения скорости потока воздуха в трубе, скажем 5-10%

[Lagman]

так в ваших формулах все известно, подставляете значения получаете результат, что калибровать то?

[Herz]

А поскольку фаза=время*костанта, все это действительно и для временной задержки периодического сигнала.

теперь понятно...

[brag]

так в ваших формулах все известно, подставляете значения получаете результат, что калибровать то?

вот и я о том же.
погрешность в основном от неоднородности потока.
для точности +-10кубов/час вполне девайс сгодится. а то тут уже про поверку начали
это измеритель скорости потока, а не расходомер (измеритель количества)

[HardEgor]

Точно измерить можно трубкой "Пито".

Можно еще попробовать метеорологическим анемометром измерить, они калиброванные от 0,5 м/с

А оценить точность измерения "плюс-минус километр" можно так - если есть хорошая магистраль со сжатым воздухом, то измеряем там давление и внутренний диаметр магистрали, выводим воздух из магистрали в трубу большего диаметра где будет стоять ваш измеритель.
Зная давление в магистрали и диаметр можно подсчитать скорость воздуха в магистрали, потом этот поток пересчитать в трубу по отношениям диаметров. Подводных камней много, но если аккуратно всё сделать, то можно оценить.

Вообщем-то так и делают в аэродинамических трубах делающих до нескольких махов - стоит целое поле компрессоров с ресиверами размером с небольшую бочку, которые одновременно начинают закачмвать воздух из всех ресиверов в аэродинамическую трубу, вой стоит неимоверный но скорость потока в трубе измеряют трубкой "Пито".

[brag]

Хм, у меня скоростя от 0.25 до 5.5 м/с - врядли их можно нормально измерить трубкой. да еще и зависят от сопротивления.
тут нужен измеритель, который не оказывает сопротивления.

Вариант со сжатым воздухом неплохой. можно попробовать обычным компрессором, только вот датчик давления тоже нормальный прийдется прикупить, стрелочный манометр не прокатит
только вот у нас газ сжимаемый, значт нужно уже 2 датчика. + потери на трение. сомневаюсь, что точность этого метода будет выше, чем "моего" ультразвукового

[Tanya]

Хм, у меня скоростя от 0.25 до 5.5 м/с - врядли их можно нормально измерить трубкой. да еще и зависят от сопротивления.
тут нужен измеритель, который не оказывает сопротивления.

Все оказывает. И свет, и ультразвук. Есть еще проволочный термоанемометр. Им же даже соотношение бензин-воздух в машинах регулируют.
Но он тоже влияет.

[brag]

проволоку геморой калибровать..
влияет ессно все, только думаю понятно о чем идет речь
5мвт ультразвука все таки не сильно много ))

[uk8amk]

Интересная тема.
Тут как раз за недорого попалась платка ардуинского УЗ дальномера HC-SR04 с вроде подходящими датчиками.
Хотел повторить, но некоторые тонкости реализации программы не до конца ясны.
Не могли бы вы выложить полный код тестовой программы?

[uk8amk]

Попробовал изобрести УЗ анемометр.
Стреляю пачку импульсов излучателем, на приемнике жду ответа. Время полета пачки до приемника = скорости.
Макет: http://s30.postimg.org/x5r4sod4h/0414.jpg
Я применил открытые излучатели с сеточкой. Схема себя вела странно когда дул на приемник. Пришлось приемник заклеить скотчем. Наверное поток воздуха приводил к колебаниям чашечки-резонатора и случайным срабатываниям компаратора. С закрытой сеточкой упала чувствительность и поэтому добавился усилитель на NE5532.
Пищалки скотчем примотаны к рейке, она находится в трубке из литровой пластиковой бутылки с отрезанными краями.
Дул в трубку со всей силы 3 раза в каждое направление. Это видно на графике: http://s29.postimg.org/g8tbs3i07/image.png
Сейчас ноль у меня плавает. С чем связано не знаю. Возможно удастся скомпенсировать если стрелять в оба направления(сейчас только в одну сторону).

У меня вопрос по фазовому методу автора.
Т.к. синусоида - периодическая функция, получается что корректное определение скорости возможно только в пределах одного периода. Если скорость меняется в значительных пределах так, что фаза развернется до 2пи, будет нельзя определить скорость?

[AndyBig]

Сейчас ноль у меня плавает. С чем связано не знаю.

С температурой, скорее всего...

У меня вопрос по фазовому методу автора.
Т.к. синусоида - периодическая функция, получается что корректное определение скорости возможно только в пределах одного периода.

Именно так.

[uk8amk]

Доделал схему с программой так что теперь оба датчика являются трансиверами(пока 2 из 4-х).
В дифференциальном режиме точность улучшилась и плавание нуля уменьшилось.
Однако столкнулся с неприятным моментом, на который ранее не обращал внимание. На графике периодически выскакивают иголки. Причем так, что даже усреднение и скользящее среднее полсотни выборок не слишком помогает.
Я подключил внешний компаратор LM393 и к его выходу осциллограф.
Стало видно, что сигнал с приёмной пищалки нарастает плавно и первый период компаратор не всегда захватывает.
Как на рисунке: http://s30.postimg.org/4lz2enwwh/Ultrasonic_TOF.png
Получается, что время полёта звука TOF может быть определено с погрешностью +/-25мкс(F=40КГц). для дальномера, меряющего метры погрешность в несколько см не страшна. Для анемометра, меряющего микросекунды неприемлема.
Есть ли несложные способы обойти этот недочёт?

[LexaryStyle]

Я делал термоанемометр на базе спец сенсора. Точность хорошая от 0 до 10м\с но нужно бороться с темп. зависимостью и компенсировать ее.

[uk8amk]

Фазовым методом ТС насколько помню можно адекватно померять до 14м/с.
Но хотелось бы захватить и область шторма(> 20м/с) с ураганным ветром.
А ультразвуковой анемометр чем интересен - можно без движущихся деталей определять точное направление ветра.
Для меня это актуально поскольку занимаемся установкой ветряков. Перед установкой делается мониторинг параметров местности и выбор оптимальной точки установки. Сейчас применяем комплекты анемометров АП-1 крыльчатый и чашечный со всеми присущими им недостатками.

[HardEgor]

Для меня это актуально поскольку занимаемся установкой ветряков. Перед установкой делается мониторинг параметров местности и выбор оптимальной точки установки. Сейчас применяем комплекты анемометров АП-1 крыльчатый и чашечный со всеми присущими им недостатками.

Просто так, сходу, сделать не получится. купите готовый до 30 м/с с точностью до 0,2 м/с во всем диапазоне- http://meteosap.ru
А любой метеоприбор, та же вертушка, измеряет до 60 м/с по паспорту с ухудшением точности на крайних значениях.

[uk8amk]

На низких скоростях погрешность в 2-3 м/с вполне приемлема.
Такую штуку делаю в основном по своей инициативе, поэтому 5-10 кбаксов врядли кто-то в ближайшее время отстегнёт на покупку.
Про то что сразу хорошо сделать не выйдет вы правы. Попался отчет немецкого инженера по разработке анемометра:
https://www.technik.dhbw-ravensburg.de/~lau...anemometer.html
Объём работ впечатляет.
Пока попробую допаять вторую пару датчиков и повесить на окно. А там видно будет куда дальше двигаться.

[uk8amk]

Решил заснять параметры отклика аналоговой части системы.
Возбуждение передатчика 10 периодов прямоугольником 5 вольт в мостовом режиме.
Расстояние до приемника 20см.
Сигнал снимаю с ОУ NJM4580, КУ примерно 10 единиц.
1. Время между маркерами 1030мкс, дискретизация 625кГц:
http://s30.postimg.org/qk3aqamip/Shot_0_1030us.png
2. Время 244мкс, дискретизация 1,25мГц:
http://s28.postimg.org/3p6ackgdp/Shot_1_244u_S.png
Пришлось смотреть самодельным цифровым осцом т.к. на лучевом всё прыгает и ничего не понятно.
Видно небольшой шум в отстутсвии сигнала - это неэкранированная лапша.
За сигналом идет приличный звон. Пищалки видимо высокодобротные.

[Voblin]

На самом деле ограничение в пи/2 можно обойти использовав свип сигнал. Наверно даже возможно одновременно подавать на излучатели свип и одновременно принимать разностную частоту ИМХО.

[Anton75]

На всякий случай, вдруг пригодится: этой темой давно занимается проф. Шкундин Семен Захарович в Горном институте. Там целая научная школа по этому направлению. http://www.sirsensor.ru/index.php?P=c_art_1
И аспиранты есть толковые. Вам бы с ними пообщаться было полезно, может, подскажут что-то. Насколько мне не изменяет память, математика там серьезная.

[uk8amk]

Спасибо за совет. Но я пожалуй пока с несерьёзной математикой повожусь )))

Произвёл еще несколько замеров и на выходе компаратора видно, что когда сигнал нарастает(микрофон раскачивается) и имеет еще недостаточную амплитуду, то срабатывание неустойчивое и импульсы короткие.
Скрин: http://s22.postimg.org/6i6fsthm9/Shot_0_1_3u_S.png
Я ввёл пороговое ограничение на минимальую ширину импульса, система сразу стала работать значительно стабильнее. Бывают еще редкие выбросы, но думаю и с ними справлюсь.

[Anton75]

пока с несерьёзной математикой повожусь

Когда-то участвовал в разработке аппарата искусственной вентиляции легких, где применялись УЗ измерители потока Горного института. Датчики представляли из себя пьезокерамические кольца того же диаметра, что и труба, т.е. вся конструкция гладкая изнутри, чтобы не вносила возмущений в поток газа. Глубоко в суть работы датчика не вникал, но со слов разработчика помню, что "размазывание" сигнала и появление ложных максимумов - это основная проблема, для ее решения применялся корреляционный прием.

[uk8amk]

Появилось немного свободного времени, я оформил схему на двухсторонюю печатную платку чтобы не было шума и датчики расположил строго перпендикулярно.
Вобщем работает.
http://s13.postimg.org/68v828tkn/anemom1.png
http://s28.postimg.org/yacvxkjz1/anemom2.png
Точность правда не ахти какая, где-то процентов 30 туда-сюда могут прыгать показания. Но это уже хоть что-то.
Непонятный момент - есть как бы несколько пораженных зон. Если дуть вентилятором с некоторых точек, то амплитуда(скорость ветра) сильно падает. Правда у меня размеры самого вентилятора невелики по сравнению с самой конструкцией и это может также являться причиной ошибок.
На реальном ветре пока не проверял. Летом нифига ветра нет.

[kolobok0]

... Если дуть вентилятором с некоторых точек, то амплитуда(скорость ветра) сильно падает....

в заметках по данной тематике кто то писал что от вентилятора не совсем то - биение лопастей наблюдается. Возможно конечно же
зависеть от софта-железа сей момент, но вот что то припомнил прочитав Вашу мессагу...