Анемометр для яхты своими руками

Конструкция анеморумбометра для яхты (измерение скорости и ветра)

Авторы статьи разработали и изготовили несложные устройства для дистанционного измерения скорости и направления вымпельного ветра, объединенные в общую конструкцию анеморумбометра. Результаты двухлетней эксплуатации прибора на минитоннике «Три богатыря» (см. «КЯ» №89) оказались хорошими.

Первичным механическим преобразователем скорости ветра в частоту вращения служит трехчашечная вертушка 13 с полушариями 16 из мячиков от настольного тенниса. Она вращает звездочку из мягкого железа 12 (рис. 1). Пересекая поле катушки 14, снабженной постоянным магнитом 15, лучи ротора-звездочки вызывают пульсации магнитного потока, пронизывающего витки катушки. По закону электромагнитной индукции Фарадея в катушке образуются импульсы электродвижущей силы, амплитуда и частота которых пропорциональны скорости ветра.

Амплитуду этих импульсов сперва пропорционально увеличивает двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1 и VT2 (рис. 3), а затем выпрямляют диоды VD1 и VD2, превращая в ток измерительной цепи. Силу тока измеряет микроамперметр РА2 типа М24, рассчитанный на 100мкА. При линейной характеристике такого измерительного канала отклонение стрелки РА2 пропорционально скорости набегающего ветрового потока. Установка необходимой чувствительности производится резистором R11 в процессе калибровки. Смену диапазона измерения производит переключатель S1. Смена происходит в результате изменения величины балластных сопротивлений R2—R4, включенных последовательно с катушкой датчика L1 (катушка реле РЭС—48, имеющая около 2500 витков). Предусмотрено три диапазона: до 7,5, 12 и 24 м/с.

При настройке схемы важно обеспечить стабильность и линейность ее амплитудно-частотной характеристики. Это облегчает использование внутрикаскадных отрицательных обратных связей, создаваемых эмиттерными резисторами R7, R8 и R10. В схеме применен конденсатор С4, имеющий малые токи утечки (например, типа К53-4, К53-6А, ЭТО-1). От неправильного по полярности включения предохраняет вспомогательный диод VD3, после установки прибора его можно исключить. Расположение элементов схемы на монтажной печатной плате показано на рис. 4.

Измерение направления ветра производится при помощи тщательно уравновешенной флюгарки 2 (рис. 1). Она устанавливается вдоль потока под углом вымпельного ветра, отсчитываемого от носового направления диаметральной плоскости судна. Чтобы аэродинамические моменты флюгарки могли преодолевать заметное сопротивление трения контактов потенциометрического датчика угла R1, площадь ее перьев должна быть не меньше 12—25 см 2 .

Проволочный кольцевой потенциометр 6, обмотанный проводом ПЭМВТ-1 0,22, расположен на цилиндрическом каркасе диаметром 46 мм и высотой 12 мм. Он имеет скользящие контакты, разворачиваемые флюгаркой, и три неподвижных контакта-отвода, разнесенных по дуге R1 на 120°. При соединении с трехкатушечным логометром RS1, имеющим подвижный магнит стрелочной системы, эти отводы образуют хорошо известную следящую передачу угла на постоянном токе. Авторы использовали прибор-индикатор от радиокомпаса АРК. Подобные приборы (например,, курсоуказатели УК-1, УК-3, УК-4) широко применяются в авиационной технике совместно со стандартными кольцевыми потенциометрами-датчиками угла (например, УПРТ-2), рассчитанными на напряжение 27 В. Такие передачи сохраняют удовлетворительную точность и при напряжении 12 В. Стрелка индикатора следит за поворотом контактов потенциометра с погрешностью 2—5°.

Конструктивно датчики направления и скорости ветра объединены в брызгонепроницаемом корпусе диаметром 60X90 мм и размещены на консоли, отходящей вперед от топа мачты на 0,4—0,8 м (рис. 2). С вторичной аппаратурой датчики соединены пятипроводной линией связи, у которой сечение проводов составляет не менее 0,35 мм2. Вся вторичная аппаратура, включая печатную плату усилителя, указатели скорости и направления вымпельного ветра и соответствующие органы управления, закреплена на передней панели комбинированного приборного щитка. Здесь также установлен лаг (изготовлен по схеме, опубликованной в «КЯ» №72).

Градуировка анеморумбометра проводилась в аэродинамической трубе. Удовлетворительную точность можно получить и при сравнении с показаниями образцового анемометра (например, АРИ-49), если вертушки градуируемого и образцового приборов расположить на равной высоте и в открытом месте. Приблизительную калибровку по двум-трем точкам легко произвести при помощи автомобиля, на котором хорошо выверен спидометр. Скоростям ветра 5, 10 и 15 м/с соответствуют показания спидометра 18, 36 и 54 км/ч. Градуировку следует производить в безветренный день, закрепив датчик анемометра на выстреле на высоте 0,6—1,0 м над крышей автомобиля.

Косвенно о точности сборки и качестве работы анемометра можно судить по порогу трогания вертушки. В описанной конструкции порог чувствительности соответствует скорости ветра 0,3 м/с.

Источник

Hand made — Анемометр (измеритель скорости ветра)

Появилась задача собрать для одного проекта анемометр, чтобы снимать данные можно было на компьютере по интерфейсу USB. В статье речь пойдет больше о самом анемометре, чем о системе обработки данных с него:

1. Компоненты

2. Изготовление крыльчатки

К латунному бочонку были припаяны 3 куска медной проволоки длиной 1 см каждый под углом 120 градусов. В отверстие бочонка я припаял стойку из китайского плеера с резьбой на конце.

Трубочку от конфеты разрезал на 3 части длиной около 2 см.

Разрезал пополам 2 шарика и с помощью мелких шурупов из того же плеера и полистирольного клея (клеевым пистолетом) прикрепил половинки шарика к трубочкам от чупа-чупса.

Трубочки с половинками шарика надел на припаянные куски проволоки, сверху все закрепил клеем.

3. Изготовление основной части

Несущим элементом анемометра является металлический стержень от шариковой ручки. В нижнюю часть стержня (куда вставлялась пробка) я вставил диск от мышки (энкодер). В конструкции самой мышки нижняя часть энкодера упиралась в корпус мышки образуя точечный подшипник, там была смазка, поэтому энкодер легко крутился. Но нужно было зафиксировать верхнюю часть стержня, для этого я подобрал подходящий кусок пластика с отверстием точно по диаметру стержня (такой кусок был вырезан из системы выдвигания каретки CD-ROMa). Оставалось решить проблему с тем, чтобы стержень с энкодером не выпадал из точечного подшипника, поэтому на стержне непосредственно перед удерживающим элементом я напаял несколько капель припоя. Таким образом, стержень свободно крутился в удерживающей конструкции, но не выпадал из подшипника.

Причина, по которой была выбрана схема с энкодером, следующая: все статьи о самодельных анемометрах в Интернете описывали их изготовление на базе двигателя постоянного тока от плеера, CD-ROMa или еще какого изделия. Проблема с такими устройствами во первых в их калибровке и малой точности при малой скорости ветра, а во вторых — в нелинейной характеристике скорости ветра по отношению к выходному напряжению, т.е. для передачи информации на компьютер есть определенные проблемы, нужно просчитывать закон изменения напряжения или тока от скорости ветра. При использовании энкодера такой проблемы нет, так как зависимость получается линейной. Точность высочайшая, так как энкодер дает около 50 импульсов на один оборот оси анемометра, но несколько усложняется схема преобразователя, в котором стоит микроконтроллер, считающий количество импульсов в секунду на одном из портов и выдающий это значение в порт USB.

4. Испытания и калибровка

Для калибровки был использован лабораторный анемометр

Весь процесс наглядно виден на роликах:

Спасибо за внимание

З.Ы. на первом ролике что-то непонятное со звуком, там фен сильно шумел, чего ютуб его так сконвертировал — не знаю, если что — это не техносаунд 🙂

Источник

IT техническая сторона яхтинга

В статье про Испанию я упомянул про электронно-навигационное оснащение яхты для морского перехода. Один из читателей сказал: «очень интересно как это всё делается по серьёзному, для хождения по морю».

Попробую рассказать какое электрооборудование было на моей яхте и как оно подключалось. Основная идея яхты, на мой взгляд, это максимум современных технологий которые необходимы для выживания в стихии природы. Такой стихией является шторм, сильный ветер, дождь, холод, влажность либо все это вместе взятое. Поэтому яхта снаружи должна быть достаточно грубая и крепкая, чтоб устоять перед стихией, а внутри комфортная для нахождения человека и управления и принятия правильных решений во время испытаний природой.

На этом фото виден топ мачты. До того как мачту устанавливают на яхту, которая, как правило уже спущена на воду, на земле на мачту и внутрь мачты устанавливают все необходимое.

Внутри мачты обычно проходят кабели питания ходовых огней на топе мачты и якорного сигнала, в случае установки VHF антены — антенный кабель, кабель от метеостанции. На моей мачте были только сигнальный и ходовой огонь, а антенны VHF и GPS были расположены на релингах на корме яхты. Так же на мачты устанавливают активные радарные отражатели и сами радарные антенны с соответствующими кабелями внутри мачты.

Электрическая система питания

Над спрей-худом (минитентом над входом в рубку) или на кормовой надстройке чаще всего располагают солнечные панели.

В рундуках на корме под сидениями в кокпите находятся аккумуляторы. В последнее время среди яхтсменов популярны авиационные Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4, LFP). Они очень емкие и лёгкие. Соответственно есть контроллер солнечных панелей и контроллер зарядки батарей. Так же есть инвертор с 12 вольт бортовой сети питания до 19 вольт для подключения лаптопа и разъёмы прикуривателей как в автомобиле.

Имеется встроенная система берегового питания на 220 вольт. Состоит из термо-предохранителей, обычных розеток, и удлинителей с универсальными вилками двух типов, которые наиболее популярны на колонках подключения яхты к сети питания в марине (на стоянке). Имеется обычное электрическое зарядное устройство аккумуляторов от сети берегового питания.

На стационарном дизельном двигателе, как правило, установлен электрогенератор. На старых моделях двигателя он совмещен конструктивно с электро-стартером двигателя.

Иногда на яхтах устанавливают ветрогенераторы на случай облачности (солнечные панели в такую погоду неэффективны) или отсутствия, либо поломки дизель-генератора.

Инструменты помогающие навигации

Наиболее важный инструмент для шкипера это эхолот. Это прибор в режиме реального времени показывает на жидкокристаллическом экране реальное расстояние от фальшкиля яхты до дна.

Доплеровский гидроакустический лаг или эхолот переднего обзора может выводить на экран не только абсолютную скорость лодки относительно грунта, но и особенности рельефа перед носом яхты. Этот прибор есть далеко не на всех яхтах. В частности он может показывать рыб, дельфинов и китов непосредственно под яхтой на экране монитора.

На старых яхтах обычно стоит электромеханический лаг. Фактически просто крыльчатка, обороты которой считают с помощью электромагнитного сенсора.

Имеется магнитный компас с электрической подсветкой.

Погодная станция, включающая в себя, помимо прочего оборудования, анемометр для измерения скорости ветра. Станция позволяет записывать и направления ветра в данный момент, давление воздуха.

Есть еще инструмент аварийной навигации по звёздам — секстан. Но им сейчас умеют пользоваться малое количество яхстменов. Так как этот прибор с успехом заменил GPS приёмник. И вместо аварийного секстана берут запасной ручной GPS на батарейках. Для лаптопа потребуется USB GPS. GPS на яхте много не бывает 🙂

Радар — прибор показывающий препятствия в радиусе несколько тысяч метров, но во время непогоды с дождем его видимость оставляет желать лучшего. Так же он не видит встречных судов за скалой или мысом.

Всё чаще на море люди используют AIS. Автоматическая идентификационная система, это цифровой прибор, который по радиоканалу осуществляет обмен координатами и курсами судов оказавшихся в радиусе 3-4 миль, в зависимости от мощности передатчиков. Этот прибор лишён недостатков радара, но только в случае если все встречные лодки оборудованы аналогичным прибором. Что бывает далеко не всегда. Так же капитан может обесточить этот прибор.

Espot и EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacon) как и спутниковый телефон позволяют передавать через спутники вдали от берега информацию о положении яхты в центр спасения либо просто в интернет сервис местоположения яхты.

И наконец очень эффективное средство получения координат и прогноза погоды в океане — VHF радиостанция. Надо дождаться появления в области видимости проходящего судна и запросить через рацию необходимую информацию. Обычно это прогноз погоды на ближайшее время и текущая координата.

Об экстремальных ситуациях

В случае отсутствия и поломки судового хронометра можно запросить по рации ещё и точное время.

Но при наличии заряженного современного мобильного телефона Samsung Galaxy A10.5 за 150 долларов в водонепроницаемом чехле с установленной программой для навигации, такой потребности уже почти ни у кого не осталось.

Пару слов о судовом хронометре. Обычно это часы механические или кварцевые с точным ходом помещенные в водонепроницаемый контейнер из стекла и меди. Все это рассчитано на случай временного нахождения прибора в воде, если, не дай бог, яхта перевернется полностью вокруг своей продольной оси (оверкиль).

Во время оверкиля с нагруженной парусами мачтой современные яхты имеют риск потерять мачту. Так как в момент поворота мачта с парусами ложится на воду. Мачтой вниз опрокинуть килевую яхту может только большая волна, например в сценарии «ветром положило, потом волной перевернуло». И вот когда мачта двигается с парусами в толще воды, получается что вода «дует» в паруса, и силы при этом, конечно, очень большие, даже если это маленький штормовой парус. Далее паруса оказывают сопротивление прохождению мачты под воду и в этот неудачный момент вся сумма сил от веса яхты и волн может быть приложена в одной точке где то по середине мачты. В результате пустотелая облегченная мачта может переломиться.

Когда яхта встанет на ровный киль. Сломанная мачта является угрозой (в случае биения мачты во время шторма о корпус) для хрупкого в тонких местах композитного корпуса современной яхты.

Поэтому в такой ситуации лучше перерубить все ванты, которые держат остаток мачты большим болторезом и если получиться, принайтовать (привязать концами) обломок мачты вдоль борта на палубе яхты.

Но если погодные условия не позволяют, то лучше лишиться мачты, чем подвергать риску травмы экипаж. Например во время шторма гонщик яхтсмен из Индии в одной известной регате одиночников получил травму спины, пытаясь проделать манипуляции с мачтой в одиночку. Лучше полагаться в такой ситуации на лебедки и тали а не на крепость вашего мышечного корсета вокруг позвоночника (это большой риск остаться инвалидом на всю жизнь), или принять решение о затоплении обломка мачты.

Гик или бум (перпендикулярная часть рангоута на мачте) обычно не повреждается и его можно использовать как временную мачту в последствии.

Наиболее легкая ситуация с потерей остойчивости яхты это брочинг. Когда казалось бы яхта под воздействием волн и ветра совсем положила мачту на воду, но все таки за счет балласта и баланса сил встаёт на ровный киль.

Навигационные устройства и картплоттеры

Мне нравится все в картплотерах за 2000 евро, кроме цены. Если не брать во внимание дорогие устройства, то есть примерно пара вариантов как оснастить лодку аналогично, но дешевле.

Вариант первый — купить подержаный водонепроницаемый и защищенный Panasonic Toughpad FZ-M1 или подобный планшет (Hugerock T-70S). Видеообзор. И поставить на этот планшет яхтенную навигационную OSS программу OpenCPN и немного старые электронные морские карты. Либо, что предпочтительнее, купить легально новые карты того региона, где вы совершаете переход. Впрочем карты всего мира но 10 ти летнего возраста так же полезно иметь под рукой. Основная информация там по прежнему осталась актуальной для навигации.

Есть еще более недорогой вариант. Новый Райсбери Пай 4 с OpenCPN в водо- и пыле непроницаемом корпусе (или этом подороже но радиатор, аккумулятор и промокашку для адсорбции конденсата всё равно придеться добавить.) — 100 евро (или Олимекс, он имеет гнездо для подключения аккумулятора или Orange — очень дешёвый).

Такой же защищенный (IP65 / NEMA4) монитор 200 евро (Можно собрать монитор с тачем, который работает при наличии воды на поверхности экрана за 145 евро + держали и герметик водонепроницаемый). Кабели и разъемы защищенные от воды из Китая — 30 евро.

Плагин в OpenCPN для погоды частично допилили, но стоит упомянуть программу ZyGrib (или её форк с дальнейшим развитием XyGrib). В XyGrib добавили ещё слоёв, включая волны разного типа, добавили несколько прогностических моделей. OpenCPN это показывать не умеет. Да и со скачиванием погоды у него похуже будет. Поэтому, качать и исследовать удобней в Z(X)yGrib, а потом кидать в OpenCPN, в котором, кстати, есть плагин для просчёта оптимальной траектории движения согласно прогнозу из GRIB и полярам яхты.

Прогноз актуальной погоды на 3 дня вперед OpenCPN, при наличии установленного плагина и подключения к Интеренету через WiFi может скачать с сервера погоды. Важно это делать до выхода и только исходя из прогноза погоды и других факторов (готовность судна и экипажа) принимать решения о выходе яхты в море. От этого решения с учётом всех факторов зависит безопасность яхты в океане.

Так же можно построить недорогой AIS приемник, на основе модуля приёма цифрового телевидения за 20 евро (называемые «донглами», «свистками» habr.com/post/149702 habr.com/post/373465 ), но чувствительность такого устройства и надёжность будет сомнительными. Лучше приобрести специализированное устройство.

Подключение инструментов к нашему навигационному устройству

Это типичная схема подключения эхолота Гармин (или любого «медленного» инструмента) к системе навигации. Понятно что вместо DB-9 используют USB cp2102 адаптер. Обращаю ваше внимание что все кабели и разъёмы должны быть водонепроницаемые.

Простой электрический автопилот

Это устройство можно подключить напрямую к OpenCPN, как любой другой яхтенный инструмент. И оно будет держать курс строго по вашей прокладке. Но необходимо будет следить за изменением ветра.

В случае смены ветра, вас предупредит погодная станция как будильник и надо будет перенастроить паруса на другой галс.

От одной современной аккумуляторной батареи заряженной в течении солнечного дня от 2 солнечных панелей это устройство будет работать примерно 8 часов. Что даст вам шанс выспаться. В шторм устройство такого класса к сожалению не достаточно сильное для контроля яхты. Поэтому вам потребуется напарник, либо надо ставить более мощное гидравлическое устройство. Как вариант поставить механическое ветро-подруливающее устройство.

Микроволновка

Это очень полезное на яхте устройство. Дело в том, что во время грозы можно спрятать в микроволновку всю чувствительную электронику (планшет, мобильные телефоны, лаптоп). Что гарантирует сохранность ваших навигационных устройств на случай прямого попадания молнии в мачту и разряда электрического тока через корпус яхты.

Кроме того в марине, на стоянке, подключив СВЧ печь к сети 220 вольт, можно готовить еду и быстро размораживать продукты.

Для изоляции камеры СВЧ печи используется дроссельное соединение, которое работает только на частоте 2.45 ГГц. Даже ближайшие снизу и сверху диапазоны сотовой связи 2.1 ГГц (3G) и 2.6 ГГц (LTE) уже почти не ослабляются.

С точки зрения экранировки обычная неэмалированная кастрюля из нержавейки с такой же крышкой (сплошной металлической) будет гораздо эффективнее микроволновки. Лучше замотать устройства в фольгу или положить в неэмалированную кастрюлю для максимальной защиты.

А что будет с человеком внутри, если в мачту ударит молния?

Как правило, от места крепления мачты сквозного монтажа (которая проходит через палубу и крепится в районе киля), либо через вант-путенсы, вдоль бортов, для мачт, устанавливающихся на палубу, проведены толстые кабели к килю (зачастую металлическому), который действует как заземление для молнии. Более того — в некоторых случаях (на композитных яхтах, в основном) ниже ватерлинии на корпусе яхты или на киле устанавливается специальная пластина, к которой подводятся эти проводники, и которая и служит для безопасного выведения заряда. Такие пластины иногда даже красят специальным токопроводящим гелем, хотя заряд молнии пробивает и обычную краску.

Таким образом молния проходит через мачту, специальные проводники и заземляется в воду, не представляя рисков для людей, находящихся на борту или в яхте. Но за металлические части я бы, в любом случае, держаться не рекомендовал.

Человек не сильно зависит от перепадов электромагнитного поля и во время грозы не держится голыми руками или любыми другими частями тела за мачту или кабели питания и массы.

Мачта внутри яхты, у которой степс находится в районе киля, обычно обмотана канатом (изолятором). Поэтому можно касаться изолятора на мачте. Пайолы на полу это так же изоляторы (я в это верю :-). На моей яхте степс маты был на рубке и мачта вообще не проходила через салон.

Интерфейс NMEA-0183 в RS485

Я использую интерфейс с открытым исходным дизайном железа MOD-RS485-ISO и водостойкие кабели.

Программное обеспечение для протокола NMEA под микроконтроллер PIC16F18324 можно скачать тут. Если нужна будет более детальная реализация протокола части кода можно позаимствовать на GitHub.

Я не проверял работоспособность. Микроконтроллер, который я использую 8-ми битный и поэтому, скорее всего придётся разбивать пакеты от GPS при получении.

Можно сделать то же самое на RPi, но мне нравятся более экономичные и независимые решения на PIC.

Общая схема подключения VHF-рации, автопилота и навигатора

На схеме синим цветом обозначены кабели NMEA-0183, а красным RS232. У меня на яхте на рации был выход NMEA — датаграммы от рации получать можно и для остального железа.

Посмотрите шпаргалку, которая нужна на яхте.
Или инструкцию про то как сделать свой навигатор и заработать при этом денег на путешествие на яхте Использование OpenCPN для автоматизации производства.
Тонкости подготовки имиджа и самого кода для навигатора и периферии: Все «тайны» настройки софта для модулей и периферии OpenCPN

Источник