ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ ПРИБОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА НА ПЛАТФОРМЕ ARDUINO.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ ПРИБОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
СКОРОСТИ ВЕТРА НА ПЛАТФОРМЕ ARDUINO.
С.В. Онищенко, А.С.Платонов, А.А.Авджиян студенты 3 курса
инженерно-физического факультета
Научный руководитель П.Ю.Бучацкий к.т.н., доцент,
Аннотация
В данной статье поэтапно рассмотрено создание прибора для измерения
скорости ветра-анемометра, а также краткое описание существующих типов
данных устройств и их сравнение. Рассматривается работа с программными
продуктами, позволяющими осуществлять построение графиков на
основании полученных результатов и передавать полученные данные
измерений скорости ветра в сеть Internet.Была организована автоматическая
запись данных в файлы для их более удобного использования и хранения, а
также передача этих данных непосредственно от устройства на
компьютер(также предусмотрена возможность производить запись
результатов на SD-карту.
Ключевые
слова:
Анемометр,
ArduinoUNO,
представление результатов, запись данных в файл.
графическое
Актуальность данной темы:
В настоящее время, все большую распространенность приобретают
различные способы получения энергии, основанные на возобновляемых
источниках энергии(ВИЭ). Данные говорят о том, что с каждым годом по
всеми миру увеличивается число энергии, вырабатываемой солнечными
установками и ветрогенераторами. В связи с этим возникает потребность в
оценке валового потенциала возобновляемой энергии в конкретном регионе.
Для того чтобы можно было сказать о целесообразности установки
ветрогенераторов в конкретном месте, необходимы метеоданные, а именно
скорость ветра и ее годовое распределение. Однако, далеко не во всех местах
существуют различные метеостанции, которые могут предоставить
необходимые данные. Поэтому и возникает потребность в таком приборе, как
анемометр. Но этот прибор имеет не малую стоимость, но некоторые его
разновидности возможно создать самостоятельно, используя весьма
скромный список необходимых материалов. Созданный таким образом
прибор позволит получить необходимые метеорологические данные для
оценки потенциала ветроэнергии в данной местности для дальнейшего
принятия решения о целесообразности размещения ветрогенераторов в
данном регионе.
Цели и задачи
Цель:
Создать приборизмеряющий скорость ветра с возможностью хранения и
передачи полученных результатов измерений.
1
Задачи:
 Рассмотреть основные типы приборов для измерения скорости ветра;
 Определить какой из них наиболее подходят для непосредственной
реализации и при этом обладает достаточной точностью;
 Провести непосредственную сборку прибора и его калибровку для
получения более точных результатов измерения;
 Осуществить возможность записи результатов измерений в файл,
осуществить графическое представление этих данных и передачу результатов
в сеть Internet.
Классификация приборов для измерения скорости ветра
Анемометр имеет конструкцию, которая приводится в механическое
движение(вращение) воздушным потоком, скорость которого определяется
по числу совершенных оборотов и продолжительности интервала измерения.
Полученные результаты широко используются в метеорологии. Без них не
обойтись и при оценке потенциала ветроэнергии.
В зависимости от конструкции различают анемометры следующих
типов:
 Чашечный;
 Крыльчатый;
 Ультразвуковой;
 Пневмоанемометр.
По обработке данных различают два основных вида устройств:
 Цифровые;
 Аналоговые.
Критерии выбора прибора
Существует ряд стандартных критериев для выбора анемометра:
 Уровень погрешности;
 Диапазон измеряемых параметров;
 Защита от пыли и загрязненных сред;
 Допустимые значения рабочей температуры влажности и т.д.[1]
Однако, нам необходимо создать прибор позволяющий производить
предварительную оценку потенциала, а это означает что нам не нужно
2
добиваться высокой точности измерения, влекущей сильное удорожание
прибора. Поэтому сформировались следующие основные критерии:
 Стоимость;
 Доступность и простота комплектующих;
 Простота и надежность конструкции;
 Приемлемая точность.
На основании вышеизложенных критериев, наш выбор пришелся на
трехлопастной чашечный анемометр.[1]
Проектирование
Чашечный анемометр представляет собой ветродвигатель с
вертикальной осью вращения. Его рабочей частью является ротор, или
ветрянка. Она состоит из одного или нескольких горизонтальных лопастей,
имеющих на концах выпуклые чаши, одинаково сориентированные к
направлению вращения. Такая конструкция позволяет ветрянке вращаться
при любом направлении ветра, не требуя устройства для ориентации
анемометра к ветру. Ветер, набегающий на лопасти, создает разницу
давлений по обе стороны оси вращения,вследствие чего ветрянка вращается
при одновременном действии сил. [2]
При создании прибора нам необходимо было учесть несколько
основных для нас факторов:
1.
Минимизация токарно-фрезеровочных работ.
2.
Максимальная
готовность
непосредственно после приобретения.
деталей
к
использованию
3.
Возможность использования анемометра при любых погодных
условиях.
Эти факторы повлияли на выбор комплектующих для нашего прибора.
Большинство из них было приобретено на обычном рынке.
Для изготовления вала и корпуса анемометра были приобретены:
- болт длиной 180 мм, диаметром 10 мм;
- алюминиевая труба диаметром 12 мм;
- 2 подшипника с внутренним диаметром 12 мм, внешним 30 мм;
- труба пластиковая водопроводная длиной 300 мм, диаметром 30 мм.
3
Вал образуется из болта, на который надевается алюминиевая трубка
длиной 120 мм. На неё закрепляется два подшипника, по одному на каждом
конце, и фиксируются гайкой.
Рис. 1. – Вал анемометра
На конец вала с шляпкой болта на клей крепится небольшой
прямоугольный магнит. Далее эта конструкция помещается внутрь внешней
пластиковой трубы. В результате вал свободно вращается внутри корпуса.
Для изготовления лопастей были приобретены 3 кухонных половника с
отверстием на конце ручки. Согнув концы ручек под углом 120 градусов и
соединив их вместе болтами через штатные и проделанные в
соответствующих местах отверстия, получаем ветрянку. В её центр крепим
гайку с прессшайбой. Соединяем вал и лопасти вместе, накручивая гайку на
болт.
Механизмом подачи сигналов о вращении анемометра служит нехитрая
комбинация из постоянного магнита и замыкающего геркона. Магнит,
закреплённый на валу, проходя один полуоборот и меняя свою полярность,
замыкает геркон, предварительно прочно закреплённый на расстоянии 5-10
мм внутри корпуса. От герконового датчика наружу выведены провода.[2]
Рис. 2. – Общий вид анемометра
4
Полученная конструкция приведена на рисунке 2. Стоимость деталей не
превысила тысячи рублей, что, несомненно, можно отнести к достоинствам
нашего анемометра. Кроме того, подобранные материалы позволяют прибору
быть неприхотливым к условиям внешней среды и быть долговечным. А
достаточно большой размах лопастей обеспечивает большой момент
вращения, что также хорошо сказывается на характеристиках.
Программный код
Для того, чтобы можно было считывать с прибора показания их
обрабатывать, его необходимо соединить с микроконтроллером. Наш выбор
пал на платформу ArduinoUno на базе микропроцессора AtmelATmega 328.
Она имеет достаточно аналоговых и цифровых входов, небольшую
стоимость, а также с лёгкостью взаимодействует с большинством сторонних
ПО.
Подключение к Arduino не составило большого труда, необходимо
только подключить один контакт геркона к питанию в 5 В, а другой через
резистор сопротивлением 10 кОм цифровому входу, как показано на схеме.
Рис. 3. – Схема подключения анемометра к ArduinoUno
Далее следует написание простого программного кода считывания
количества замыканий в единицу времени. В массив каждые 20 мс заносятся
значения с подключённого цифрового входа. Массив заполняется за 2
секунды. Этот промежуток можно увеличивать, повышая точность
измерений, например можно накопить значения за минуту, полчаса, час и т.д.
Затем в массиве подсчитывается количество переходов со значения 0 на
значение 1. Далее это число делится на два, т.к. за 1 оборот происходит два
замыкания. И в конце при помощи несложной формулы с известными
значениями времени, числа оборотов, и диаметра ветрянки вычисляется
значение скорости ветра и выводится на экран.
5
𝜐 =2∙
С
∙ 𝜋𝑑
𝑡
Где υ – скорость ветра;
t – интервал времени считывания сигналов;
С – количество оборотов в интервал времени;
d – диаметр ветрянки.
В результате мы уже можем наблюдать в мониторе порта конкретные
значения скорости ветра.
Рис. 4. – Мониторпорта
Графическое представление
Чтобы наблюдать график изменения скорости ветра в реальном времени
можно воспользоваться стандартным плоттером по последовательному
соединению в ArduinoIDE. Однако, он на данный момент обладает весьма
ограниченным функционалом. Хорошим решением для наших задач явилась
программа SVMonitor [3]. Данное ПО российской разработки имеет
открытый программный код и находится в свободном доступе. Нехитрым
дополнением кода нашего анемометра удалось вывести график. Особенность
данной программы в том, что она позволяет записывать значения, по
которым строится кривая, в отчёт. Отчёт возможно записать в различных
форматах: .txt, .xlsx, .jsn.
6
Рис. 5. – Вывод графика в программе SVMonitor
Запись данных в файл
Однако проделанной работы было недостаточно, чтобы прибор мог
автономно функционировать в условиях внешней среды. Поэтому нами была
реализована функция записи данных напрямую в файл. При этом файл
автоматически создаётся на SD-карте.
Модуль SD-карты подключается к ArduinoUno согласно таблице [4]:
GND
GND
7
VCC
5V
MISO
12
MOSI
11
SCK
13
CS
4
Рис. 6. – Схема подключения модуля SD-карты
Программный код вначале определяет, подключена ли SD-карта. В
случае успеха на карте создаётся файл data.csv. В файл в каждый момент
вычисления пишется время, прошедшее после соединения (столбец Time),
количество оборотов (столбец Count) и скорость ветра в м/с (столбец Speed).
Формат файла позволяет, пользуясь средствами MicrosoftExcel, быстро и
удобно создавать графики на основе полученных данных.
Рис. 7. – Файл data.csv с графиком скорости ветра.
Заключение
В данной работе было проведено сравнение различных типов устройств для
измерения скорости ветра, определено какое из устройств наиболее доступно
для реализации и собрано устройство, с возможностью графического
представления результатов измерений и возможностью записи этих
результатов в специально организованный файл. Данный прибор можно
использовать для оценки валового потенциала ветроэнергии в конкретной
местности, что является весьма актуальной задачей в рамках современного
мира.
Список литературы
1. Анемометры: классификация и выбор [Электронный ресурс]. [2009]. URL:
https://beybitblog.ru/anemometry/ (дата обращения: 10.07.2019).
2. Власов В., Гришин М. Сказ про анемометр, который сделали два советских
инженера // Наука и жизнь. – 2019. – № 1. – С. 50-59.
8
3. GitHub [Электронный ресурс]: SVisual/SVManualRU.pdf at master
Tyill/SVisual
[сайт].
[2019].
URL:
https://github.com/Tyill/SVisual/blob/master/man/ru/SVManualRU.pdf
(дата
обращения: 10.07.2019).
4. Блум, Д. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического
волшебства: Пер. с англ. – СПб.: БВХ-Петербург, 2015. – 336 с.: ил.
9