Termometro ultrasonico lowcost - funzionamento a tempo di volo

[tommy2760]

Ciao a tutti ragazzi, è da un po' che non mi faccio sentire e me ne scuso, ma ho avuto un bel po'di beghe un po' di tutti i generi. Questo però non mi ha fermato dal pensare un po' a come implementare un termometro diverso da quelli convenzionali di cui conosciamo bene i limiti. Nel mio piccolo, per ora ho creato questo termometro (ancora in fase di sperimentazione ed elaborazione eh!!). È un termometro ultrasonico a tempo di volo, in cui stimo la velocità del suono inviando,da un trasmettitore ad un ricevitore posti a 30cm, un segnale ultrasonico a circa 40kHz.
Ribadisco, è low Cost e molto può essere migliorato, sia dal punto di vista hardware sia da quello software.
Per ora di hardware ho utilizzato
-una scheda wemos d1 mini(fatta girare a 160mHz)
-un sht21 per la stima dell'umidità
- la schedina ultrasonica us-015(che devo sostituire a breve con un us-026 che pare sia molto più stabile e "preciso")
Il tutto viene a costare meno di 15 eurini.
Ho una risoluzione di 0.1°c, però, ovviamente, soprattutto per limiti hw e anche se(stima un po' approssimativa del tempo di volo) la precisione non è grandiosa, ma bene o male funziona.
Ho già applicato il filtro software della mediana applicata ad un Array di 20 letture effettuate tramite interrupt.
Vi posto qualche foto e, se siete interessati, anche lo sketch (Arduino IDE)







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[tommy2760]

Queste sono le prestazioni attuali, in confronto ad un SHT21 in aria libera praticamente senza radiazione influente sul sensorino stesso.
prestazioni.jpg

Upgrade previsti in tempi brevi:

HW:
-sostituzione capsule ultrasoniche con nuove resistenti all'umidità
-sostituzione scheda US-015 con nuova scheda US-026
-Struttura più compatta e stabile

SW:
-Sostituzione formula utilizzata per calcolo temperatura con altra formula, estremamente più precisa (si parla di scostamenti massimi da quella teorica di 0.3%) da risolvere via numerica iterativamente


Altre informazioni:
La stima del tempo di volo è da parecchi anni un tema molto dibattuto tra ingegneri e fisici e molti sono i paper con diversi metodi di stima.
quello implementato nei piccoli US-015 è a rilevazione di primo picco oltre alla soglia prestabilità. questo significa che, alla ricezione del segnale ultrasonico, il sensore piezoelettrico comincia ad oscillare ma prima che raggiunga la soglia prestabilita passerà un certo tempo (inerzia meccanica) che bene o male può essere soprasseduta da "magheggi" software, ma non sarà mai "perfetta".
Per cambiare questo è necessario anche un cambiamento HW oltre che SW per un controllo dell'onda ultrasonica emessa ad esempio o un eventuale controllo sulla fase

[tommy2760]

Diciamo che il principio di funzionamento è sostanzialmente uguale a quello degli anemometri ultrasonici, cambiano solamente le equazioni. Sul web si trovano 2-3 progetti bellissimi di anemometri ultrasonici fatti molto meglio del mio ma con hardware sicuramente più complessi e ovviamente fatti su misura e sicuramente più costosi.

Per ora questo passa in convento
Sto anche ragionando sulla fattibilità di un interferometro ultrasonico, chedarebbe una accuratezza clamorosamente maggiore, ma ovviamente c'è molto più da "spataccarci dietro" e non so che risultati si possano ottenere a prezzi contenuti... vediamo un po'!!!

[capriccio]

Queste sono le prestazioni attuali, in confronto ad un SHT21 in aria libera praticamente senza radiazione influente sul sensorino stesso.
prestazioni.jpg

Upgrade previsti in tempi brevi:

HW:
-sostituzione capsule ultrasoniche con nuove resistenti all'umidità
-sostituzione scheda US-015 con nuova scheda US-026
-Struttura più compatta e stabile

SW:
-Sostituzione formula utilizzata per calcolo temperatura con altra formula, estremamente più precisa (si parla di scostamenti massimi da quella teorica di 0.3%) da risolvere via numerica iterativamente


Altre informazioni:
La stima del tempo di volo è da parecchi anni un tema molto dibattuto tra ingegneri e fisici e molti sono i paper con diversi metodi di stima.
quello implementato nei piccoli US-015 è a rilevazione di primo picco oltre alla soglia prestabilità. questo significa che, alla ricezione del segnale ultrasonico, il sensore piezoelettrico comincia ad oscillare ma prima che raggiunga la soglia prestabilita passerà un certo tempo (inerzia meccanica) che bene o male può essere soprasseduta da "magheggi" software, ma non sarà mai "perfetta".
Per cambiare questo è necessario anche un cambiamento HW oltre che SW per un controllo dell'onda ultrasonica emessa ad esempio o un eventuale controllo sulla fase

Non posso fare altro che farti i complimenti Tommy, e se le prestazioni sono già buone ora, penso tu possa raggiungere risultati molto soddisfacenti
questa è, per forza di cose, perlomeno ad oggi, l'unica tecnologia che potrebbe consentirci di eliminare virtualmente tutte le problematiche relative agli errori radiativi, perlomeno a costi accessibili

seguo, nella mia ignoranza in ambito elettronico, con molto interesse

Mauro

[zoomx]

Interesse e domande, ovviamente!

Che differenza c'è, se la sai, tra us-015 us-026 e gli HC_SR04 HC_SR05. Da qualche parte ho il link di una pagina che spiega l'evoluzione della elettronica a parità di sigla. La cerco.
Ho già usato un sensore ultrasonico impermeabile derivato da quelli di uso automobilistico, come era prevedibile la sensibilità diminuisce a causa proprio della copertura plastica.
Hai scelto la Wemos per la sua velocità?
Io pensavo di abbattere gli errori utilizzando la scheda così com'è e mettendo un bersaglio davanti, quindi usando un percorso più lungo.

Tira fuori lo sketch e spiega come hai fatto ad interfacciare una scheda pensata per i 5V a lavorare con la logica a 3.3V della Wemos. Ci vogliono i traslatori di livello.

[tommy2760]

Interesse e domande, ovviamente!

Che differenza c'è, se la sai, tra us-015 us-026 e gli HC_SR04 HC_SR05. Da qualche parte ho il link di una pagina che spiega l'evoluzione della elettronica a parità di sigla. La cerco.
Ho già usato un sensore ultrasonico impermeabile derivato da quelli di uso automobilistico, come era prevedibile la sensibilità diminuisce a causa proprio della copertura plastica.
Hai scelto la Wemos per la sua velocità?
Io pensavo di abbattere gli errori utilizzando la scheda così com'è e mettendo un bersaglio davanti, quindi usando un percorso più lungo.

Tira fuori lo sketch e spiega come hai fatto ad interfacciare una scheda pensata per i 5V a lavorare con la logica a 3.3V della Wemos. Ci vogliono i traslatori di livello.

Ciao zoomx.
1_la differenza tra us-015 ed us-026 sta nel fatto che l'us 015 prevede la presenza di unn microprocessore cinese (non si sa la marca) e un amplificatore lm324 a più stadi di amplificazione (condesatori e resistori montati sulla schedina) mentre l'US 026 elimina sostanzialmente componenti HW per utilizzare un solo chip integrato chiamato CS100 che si incarica di fare tutto. inoltre può gestire la 3.3V non rendendo necessario un traslatore sul pin echo.
Gli HCsr04 lasciali perdere, danno letture molto più approssimative e molto meno stabili. Se cerchi bene su internet ci sono tutte le differenze fra HCsr04 ed us 015 tra cui comparison su youtube.
2-Si, ho scelto wemos perchè processa 10 volte più veloce di un arduino (si può impostare 160MHz)
3-Gli errori li hai comunque, soprattutto in presenza di vento. Sono molto più limitati se li metti in posizione verticale ci vuole però una struttura bella solida (non come la mia ahaha). Il bersaglio è una idea, ma a me non piace perchè l'onda perde parte dell'energia (per tratti "lunghi", ovvio), invece se sono affacciati hai il massimo accoppiamento possibile. Io personalmente preferirei mettere un' altra coppia RX TX invertite piuttosto e sfruttare altre equazioni (probabilmente ci proverò)
4-traslatore di livello= partitore con resistenze, fra l'altro solo in lettura sul pin ECHO , il trigger lo puoi dare a 5V.

Lo sketch stasera

[zoomx]

Non fidarti delle sigle
questo
HC-SR04 to world Ultrasonic Wave Detector Ranging Module for arduino Distance Sensor Wide Voltage 3V~5.5V - aliexpress.com - imall.com
è marchiato HC-SR04 ma dietro si vede bene che usa il CS100 e l'hanno anche scritto "CS100 inside"!
Ne ho ordinati alcuni e si prevede che arriveranno a fine maggio.....
Per cui continuerò con quelli che ho.....

[tommy2760]

Non fidarti delle sigle
questo
HC-SR04 to world Ultrasonic Wave Detector Ranging Module for arduino Distance Sensor Wide Voltage 3V~5.5V - aliexpress.com - imall.com
è marchiato HC-SR04 ma dietro si vede bene che usa il CS100 e l'hanno anche scritto "CS100 inside"!
Ne ho ordinati alcuni e si prevede che arriveranno a fine maggio.....
Per cui continuerò con quelli che ho.....

eheh lo ben so! I nostri amichetti cinesi dicono A e poi ci si ritrova con B o C... gli hcsr04 vecchi facevano abbastanza ribrezzo, magari questi vanno meglio.. comunque stasera dissaldo i TX ed RX dagli US 026 che mi sono arrivati, faccio i cablaggi e provo. In teoria mi sono anche arrivate le capsule nuove ma non posso andare a prenderle causa quarantena per ora.

[zoomx]

Non tutti i venditori cinesi sono uguali, alcuni producono loro o si fanno produrre su specifiche loro.

Io dovrei avere delle capsule da qualche parte, forse volevo provare a generare l'impilso da me, ormai con il tempo che passa fra l'ordine e l'arrivo, cosa che accade da prima della crisi attuale, mi dimentico per cosa avevo comperato.

Vediamo se riesco ad accroccare qualcosa, nel frattempo.

[tommy2760]

Allora, ho fatto una struttura più solida ed ho sostituito l'US 015 con l'US-026.
Bisogna stare molto attenti a "isolare le capsule" dalla struttura rigida poichè quando il TX trasmette, se la struttura è troppo rigida, la lettura verrà falsata a causa della maggiore velocità di propagazione del suono della struttura rispetta all'aria. Per quanto riguarda l'US 026 è molto più stabile in lettura del suo predecessore, e alimento tutto a 3.3V.