Вопросы и замечания по статьям и схемам, представленным на нашем сайте

При поддержке РадиоКОТструктор.ру


Ответить

Re: Ультразвуковой анемометр

Ср май 04, 2022 22:20:50

А что делать с несовпадением резонансов источника и периемника ? Эти несовпадения порождают jitter.

При непрерывном сигнале вблизи резонанса, джиттера не будет, будет некоторое падение уровня отдачи передатчика или чувствительности приёмника, что в нашем случае не критично. Вот график типичного датчика (400ST/R160):
Изображение

Вообще некоторое дрожание фазы в сигнале возможно, но влиять на измерение оно не будет, так как для анализа будет использоваться весь сигнал, на всей продолжительности замера (сотни мс...единицы сек), а не только некоторые перепады, выделяемые компаратором. Кроме того, свёртка будет производится между сигналами двух приёмников, которые будут принимать один и тот-же сигнал.

Чтобы снизить влияние отраженного сигнала, нужно дождаться максимума огибающей, там jitter минимален. После этого есть еще несколько импульсов которые можно использовать для оценки не внося погрешность.

В этом и есть основной недостаток метода таймера и компаратора - зависимость от амплитуды сигнала. При свёртке, амплитуда сигнала, даже меняющаяся на порядок, не окажет влияния на замер фазы.

Да, здесь особой разницы нет: запомнить задержку или начальную фазу функции свертки. Но как -- это сделать с одним датчиком -- не понимаю. Параметры хоть и не значительно, но меняются, от той же температуры.

Представьте три датчика на одной прямой: "А", "М", "В".
"М" - передаёт сигнал, "А" и "В" - принимают.
Измеряем фазы сигналов "А", "В" относительно "М".
Принимаем за ноль их разность при неподвижной среде.
Теперь если среда будет двигаться вдоль прямой, то эта разность фаз будет либо расти, либо уменьшаться, в зависимости от направления.
Для измерения потока среды в перпендикулярном направлении, потребуется ещё пара приёмников.
Итого 5 датчиков.

Используя один датчик "А" для замера в обоих направлениях и вынеся передатчик в сторону от прямой (на середину гипотенузы) можно сэкономить один датчик. Вид сверху:
Изображение
В этом случае угол между направлением движения среды и направлением движения ультразвуковой волны в 45 градусов будет не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной.

А параметры пусть плывут, главное чтоб идентично для всех трёх приёмников.

А вообще, мне кажется, все -- это ловля блох. Сейчас прибор без проблем калибруется с точностью до 0.1м/с.

Не-не, я не в плане критики. Ваш прибор достаточно уникален и те, кому нужен результат, просто его повторят. Но мне интересна сама идея, сделать это другим способом, не для результата, а для удовольствия от самого процесса. Вот заказал "набор датчиков за недорого", приедут - покручу на отладочной плате, посмотрю осциллографом.

Re: Ультразвуковой анемометр

Чт май 05, 2022 11:26:45

При непрерывном сигнале вблизи резонанса, джиттера не будет,


Наверное лучше попробовать. Возможно у меня, что то не правильно сделано, но jiter во время действия отраженного сигнала раза в два больше чем во время его отсутствия.

Вообще некоторое дрожание фазы в сигнале возможно, но влиять на измерение оно не будет, так как для анализа будет использоваться весь сигнал, на всей продолжительности замера (сотни мс...единицы сек), а не только некоторые перепады, выделяемые компаратором. Кроме того, свёртка будет производится между сигналами двух приёмников, которые будут принимать один и тот-же сигнал.


Плохой из меня объясняльщик... Уход частоты от внешних воздействий в излучателях не пропорциональный. Т.е. два одинаковых излучателя по разному реагируют на изменение температуры или обжатие в корпусе и т.д.. Когда изменяется резонансная частота, она влияет на прием и на передачу одновременно, по этому вносимые изменения, при использовании реверсной схемы взаимно компенсируются.

Чтобы снизить влияние отраженного сигнала, нужно дождаться максимума огибающей, там jitter минимален. После этого есть еще несколько импульсов которые можно использовать для оценки не внося погрешность.

В этом и есть основной недостаток метода таймера и компаратора - зависимость от амплитуды сигнала.


Не от амплитуды, а от фазовых искажений, которые меньше проявляются при меньшем влиянии отраженного сигнала. Амплитуда только показывает когда это влияние оптимально.

При свёртке, амплитуда сигнала, даже меняющаяся на порядок, не окажет влияния на замер фазы.


Конечно окажет. Вопрос только в том, насколько это влияние будет критично. При использовании ацп, что то выдающегося не наблюдалось. Можно использовать не четыре, а три излучателя, расположив их в вершинах равностороннего треугольника. Несколько таких конструкций тестировал, результат приемлемый.

А параметры пусть плывут, главное чтоб идентично для всех трёх приёмников.


Есть сильное убеждение, что предпосылка про идентичность не верна. Плывут по разному, иногда скачком.

Вот заказал "набор датчиков за недорого", приедут - покручу на отладочной плате, посмотрю осциллографом.


О, отлично, разбираться вместе, гораздо интереснее. На картинке с коробочкой датчиков, которую показывал ранее, есть точно такие излучатели, со ступенькой, только без покрытия. Не плохие излучатели, но в половине случаев контакт минуса отваливается от корпуса. Много времени на это убил, пока понял в чем причина скачкообразного роста погрешности. Проводки для подключения, так же необходимо экранировать -- это оказывает значительное влияние.

Добавлено after 52 minutes:
Про ловлю блох.

Изображение

Вначале калибровка выполнена как обычно, для прибора установленного на столе. В 21 час еще раз в тех же условиях. После того как ушел из комнаты значения выросли. В 22:30 откалибровал, накрыв прибор поролоновой "шапкой". Часть показаний отсутствует по причине выключения электроэнергии.

Re: Ультразвуковой анемометр

Чт май 05, 2022 13:55:25

Возможно у меня, что то не правильно сделано, но jiter во время действия отраженного сигнала раза в два больше чем во время его отсутствия.

Примем за данность, что передаваемый сигнал не имеет джиттера. Предполагаю, то появляется он в принимаемом сигнале из-за того, что отражение происходит не от одной точки в пространстве, а от "размазанной" в пространстве некоторой площади. Т.е. отраженный сигнал состоит из множества отражений наложенных друг на друга со слегка отличающейся фазой. Думаю сами датчики тут не причём, и если расположить их друг на против друга, джиттер пропадет почти полностью.

При длительном накопление сигнала во время свёртки весь этот джиттер сгладится, более того, его наличие даже где-то облегчит повышение разрешающей способности, по аналогии с оверсемплингом АЦП, когда к полезному сигналу подмешивают белый шум. А вообще вы правы, нужны эксперименты.

Не от амплитуды, а от фазовых искажений, которые меньше проявляются при меньшем влиянии отраженного сигнала. Амплитуда только показывает когда это влияние оптимально.

Надежда как раз на то, что при непрерывном сигнале, амплитуда больше, а значит и влияние дребезга фазы будет меньше.

Есть сильное убеждение, что предпосылка про идентичность не верна. Плывут по разному, иногда скачком.

Вот это плохо. Могут скачки появляться, например при нагревании корпуса от солнца, от разных коэффициентов температурного расширения корпуса и датчиков ?

Не плохие излучатели, но в половине случаев контакт минуса отваливается от корпуса. Много времени на это убил, пока понял в чем причина скачкообразного роста погрешности.

Одно слово - Китай. Хорошо хоть недорогие.

Re: Ультразвуковой анемометр

Чт май 05, 2022 14:11:08

Offtop:

Re: Ультразвуковой анемометр

Пт май 06, 2022 23:41:10

Да уж. Хочешь сделать хорошо, делай сам. Я видел что некоторые анемометры используют 200КГц. Тот не анализировали?

Re: Ультразвуковой анемометр

Сб май 07, 2022 00:34:27

Китаец на 40 кгц. Купил излучатели на 200кгц, с младшими stm32 там делать нечего. Если будет возможность, сделаю на xilinx с каким нибудь быстрым ацп. Тема неожиданно для меня, оказалась богатая на сюрпризы. Сначала казалось - все элементарно.

Re: Ультразвуковой анемометр

Сб май 07, 2022 11:47:14

Ага. Но повышение точности за счёт усложнения схемы меня не вдохновляет. Мне (не климатологу) достаточна точность до румба (даже грубее) и скорости по Бофорту. Цифры знать интересно, но анализировать их я не смогу.

Re: Ультразвуковой анемометр

Сб май 07, 2022 17:46:42

Должен признаться, прибор делаю не для того, что бы использовать, а для того чтобы делать. Для себя, принял к сведению, что измерение скорости ветра очень похоже на измерение радиактивности, особенно при малых величинах. Не мог понять, откуда берется стабильное значение 5 см/с. Потом дошло -- ethernet контроллер нагревается и гоняет воздух.

Добавлено after 4 hours 9 minutes 1 second:
Вот это плохо. Могут скачки появляться, например при нагревании корпуса от солнца, от разных коэффициентов температурного расширения корпуса и датчиков ?


Так же думаю. Скорее всего фиксирующиеся смещения деталей корпуса и излучателей. По этому и возникла идея использовать упругие элементы крепления.

Добавлено after 1 hour 4 minutes 44 seconds:
Считаю, что 3D принтер у меня очень неплохо печатает, но по факту получается вот, что:

Изображение

C_xx -- это настройка таймера задержки старта для каждого канала. Показатель того насколько точно расположены излучатели, относительно друг-друга.
DX1, DX2, DY1, DY2 -- во сколько раз излучатели отличаются друг от друга.

Надо расколупать излучатель, посмотреть, что там внутри. Есть сильное подозрение, что пластина кристалла, совсем не параллельно плоскости корпуса установлена.

Переделал алгоритм на расчет через отношение, а не абсолютную поправку. Это на случай, если функция отклонения от скорости среды окажется не линейной.

Re: Ультразвуковой анемометр

Пн май 09, 2022 19:36:00

Offtop

Re: Ультразвуковой анемометр

Чт май 12, 2022 12:36:38

Было бы хорошо оформить всё-таки статью подобающим образом - со вставкой картинок в текст, а не аттачами. Плюс тут в теме есть инфа, которой можно было бы дополнить статью.

Re: Ультразвуковой анемометр

Чт май 12, 2022 13:11:27

Да, может быть... Вот только, проект постоянно изменяется, а статья после исправления некоторое время проходит модерацию. Актуальная информация на wiki проекта. Когда доработки в основном будут завершены, возможно подкорректирую.

Re: Ультразвуковой анемометр

Пн май 16, 2022 10:53:49

Собрал на плате заказанной в jlcpcb:

Изображение Изображение

Возникли проблемы с работой ethernet интерфейса. Потери составляют до 5%. В чем причина пока не понятно. Перенес контроллер с PoE источником на плату изготовленную ЛУТ -- работает как часы. Похоже где то с ЭМС накосячил.

Re: Ультразвуковой анемометр

Вт май 17, 2022 10:29:37

Ну, вот, после "расковыривания" излучателей, стали понятны причины расхождения параметров.

Вид с боку, показывает, что пластинка идеально прилегает к основанию, тут вопросов нет:

Изображение

В излучателе от которого отказался, видна причина ненадежного контакта с корпусом:

Изображение
Ох уж эти Китайские гении.

Сравнение двух излучателей:

Изображение

А вот причина не одинаковости диаграмм излучения:

Изображение

Во втром еще хуже:

Изображение

Re: Ультразвуковой анемометр

Пт май 20, 2022 00:02:52

Добрый вечер. Тоже делал ультрозвуковой анемометр. Датчики располагал таким же образом. Самый страшный затык был в том, что происходят многократные переотражения ультрозвука от "пола" и "потолка" (пол с потолком ведь паралельны друг другу). Таким образом формируется стоячая волна, которая даёт вклад в принимаемую фазу сигнала. Все бы ничего, ведь фаза всегда одинакова и легко будет учтена при калибровке. Но! Скорость звука в воздухе очень зависима от температуры воздуха. Т.е. если изменяется температура окружающей среды, то разность фаз стоячей волны и отражённой волны будет всегда разной. И при совпадении фаз мы получим увеличение амплитуды принятого сигнала, а при противофазном складывании получим уменьшение (вплоть до полного нуля).
На практике это выглядело так. Собрал макет. Мониторю амплитуду принятого сигнала. Всё ок. Ставлю макет в морозильник и вижу как амплитуда принятого сигнала сначала уменьшается, потом увеличивается, потом снова уменьшается и так далее. Пока макет напрочь не замерзнет. Как у вас с этим обстоят дела?
Изображение
Эти всплески в канале RX в момент передачи сигнала это не проникновение звука через корпус. Я тоже раньше так думал :)) Это проникновение сигнала передатчика через разомнкнутый ключ TS5A3166.
Изображение
Изоляция в закрытом состоянии -64dB. Вообщем сигнал TX сначала подавляется на -64dB, а затем усиливается входным усилителем, как раз до таких значений.
Всё бы прекрасно работало, если бы включить передатчик и не выключать пока проводятся измерения. А так приходится щёлкнуть пачкой импульсов, а затем прислушиваться к эху/звону датчиков :)).
Вообщем тема для меня тоже очень интересна...

Re: Ультразвуковой анемометр

Пт май 20, 2022 15:39:52

Ставлю макет в морозильник и вижу как амплитуда принятого сигнала сначала уменьшается, потом увеличивается, потом снова уменьшается и так далее. Пока макет напрочь не замерзнет. Как у вас с этим обстоят дела?


Проще делал, у меня есть механический анемометр. Оба прибора простояли всю зиму и весну на крыше. Показания не отличаются. У ультразвукового, более выражены максимальные значения, а усреденные идут вровень. Погрешность не превышает 0.5m/s. Причем она изменяется и такой остается, видимо из-за недостаточно прецизионного крепления излучателей. Т.е. при температурной деформации, что то смещается и фиксируется в этом положении.

Эти всплески в канале RX в момент передачи сигнала это не проникновение звука через корпус. Я тоже раньше так думал :)) Это проникновение сигнала передатчика через разомнкнутый ключ TS5A3166.


Не совсем понятно, почему они отсутствуют, при креплении излучателей на независимых подвесах. Вернее не совсем отсутствуют, видны только затухающие колебания от переключения мультиплексора. Правда -- это были самые первые эксперименты и возможно, что то упустил. Спасибо за мысль, попробую проверить. Впрочем, в не первый раз говорю, что эти сигналы находятся далеко за зоной наших интересов. Разве, что не получится, как мечталось, сделать автоматическую калибровку поправки на разность резонансов излучателей.

Добавлено after 5 hours 18 minutes 45 seconds:
Сделал следующую версию платы, разнес PoE источник и ethernet контроллер. По идее в предыдущей версии, помеха приходила на аналоговую часть ethernet, от PoE источника. То, что на моей плате работает, а на JLCPCB глючит, объяснить не могу.

Изображение Изображение

Если заработает нормально, перенесу в Release.

Re: Ультразвуковой анемометр

Пт май 20, 2022 16:31:24

Понял. Похоже мои представления о стоячей волне ошибочны. Попробую заказать уз датчики как у вас. Спасибо.

Re: Ультразвуковой анемометр

Пт май 20, 2022 22:42:08

Попробую заказать уз датчики как у вас. Спасибо.


А Вы какие использовали ? Можете алгоритмом и описанием конструкции поделиться ? На чем собирали ?

Добавлено after 5 hours 25 minutes 16 seconds:
Проверил охлаждение до -20 гр., по рекомендации Jack_by85. Выяснил, что с BME280 не правильно получаю температуру. После 0 градусов показания скакнули до 409 гр. Что-то видимо не понял при чтении datasheet. На улице не использовал эти датчики... Изменения показания анемометра, меня несколько удручают:

Изображение

Т.е. есть к чему стремиться.

Re: Ультразвуковой анемометр

Вс май 22, 2022 11:50:39

Удачное сегодня утро:

Изображение

Как удалось добиться ? Изменил конструкцию базы:

Изображение Изображение

Вот излучатели немного огорчили, один на низкой температуре начинал выдавать не пойми, что. После замены -- вылечилось. В понедельник посмотрю на томографе, что с ним не так.

Форма сигнала эха поменялась:

Изображение


И, да, в datasheet на bme280, черным по английски сказано: данный пример работает на положительных значениях температуры. В общем скопипастил формулу расчета из библиотеки adafruit.

Re: Ультразвуковой анемометр

Вт май 24, 2022 13:54:55

Успехи сменились неудачами.
Узловая точка изменения фазы, смещается по времени, в зависимости от температуры. Такое впечатление, что изменяется резонансная частота излучателя.
После отключения условий ограничения максимальной скорости и фазы, получил не вменяемые показания при смене температуры.
Т.е. проще говоря, анемометр зимой у меня некоторые значения пропускал, по причине их не адекватности. Пока решения для этой задачи не вижу.

С сайтиком, второй день, что то странное происходит, картинки вообще не добавить.

Re: Ультразвуковой анемометр

Вт май 24, 2022 19:56:41

Приехал мой парктроник. Провёл небольшой эксперимент, разместил пару датчиков друг на против друга на расстоянии около 7 см. На передатчик подал меандр 3 В, 40 кГц. Параллельно приёмному датчику, что-бы убрать наводки и помехи, пришлось подключить индуктивность с платы парктроника (которая всё равно не нужна, можно сломать). Осциллографом видно достаточно чистый синус амплитудой около 3мВ. Синхронизация от сигнала передатчика. Под углом 45 гр. к оси датчиков подул ртом :) Как ни старался, больше чем на 1 мкс фазу "сдуть" не смог. Это при периоде 25 мкс. Немного покрутил частоту, в диапазоне 39-41 кГц картина практически не меняется, т.е. резонанс влияет слабо. В общем обнадёживающие результаты, теперь надо найти время слепить макет с ОУ и накидать код на МК.
Ответить