超音波風速計

気象観測所は、さまざまな環境センサーを実験するための人気のプロジェクトであり、風速と風向を測定するために、通常はシンプルなカップ式風速計と風向計が選ばれます。馬建佳氏のQingStationでは、彼は異なるタイプの風速センサー、すなわち超音波風速計を製作することにしました。
超音波風速計には可動部品はありませんが、その代償として電子回路が著しく複雑になります。超音波風速計は、超音波パルスが既知の距離にある受信機に反射するまでの時間を測定することで機能します。風向は、互いに垂直な2組の超音波センサーから速度の読み取り値を取得し、簡単な三角法を使用することで計算できます。超音波風速計を適切に動作させるには、受信側のアナログアンプを慎重に設計し、二次エコー、マルチパス伝搬、および環境によって引き起こされるすべてのノイズから正しい信号を抽出するための広範な信号処理が必要です。設計と実験手順は十分に文書化されています。[Jianjia]は風洞をテストと校正に使用できなかったため、一時的に風速計を車の屋根に設置して出発しました。得られた値は車のGPS速度に比例しますが、わずかに高くなります。これは、計算エラーまたはテスト車両や他の道路交通からの風や気流の乱れなどの外部要因による可能性があります。
その他のセンサーには、光学式雨量センサー、光センサー、気圧、湿度、温度を測定するBME280などがあります。Jianjia氏はQingStationを自律航行ボートで使用する予定なので、IMU、コンパス、GPS、周囲の音を拾うためのマイクも追加しました。
センサー、電子機器、プロトタイピング技術の進歩により、個人用気象観測所の構築はかつてないほど容易になりました。低コストのネットワークモジュールが利用可能になったことで、これらのIoTデバイスが情報を公共データベースに送信できるようになり、地域社会に周辺地域の関連気象データを提供することが可能になります。
マノリス・ニキフォラキス氏は、大規模展開を想定して設計された、完全固体型でメンテナンスフリー、エネルギーと通信が自律的な気象観測装置「ウェザーピラミッド」の構築に取り組んでいる。通常、気象観測所には、温度、気圧、湿度、風速、降水量を測定するセンサーが備えられている。これらのパラメータのほとんどは固体型センサーで測定できるが、風速、風向、降水量を測定するには、通常、何らかの電気機械装置が必要となる。
こうしたセンサーの設計は複雑で困難を伴う。大規模な展開を計画する際には、費用対効果が高く、設置が容易で、頻繁なメンテナンスを必要としないことも確保する必要がある。これらの問題をすべて解決できれば、より信頼性が高く、より安価な気象観測所を建設することが可能になり、遠隔地に多数設置できるようになるだろう。
マノリスはこれらの問題を解決する方法についていくつかのアイデアを持っています。彼は慣性センサーユニット（IMU）（おそらくMPU-9150）の加速度計、ジャイロスコープ、コンパスから風速と風向を取得する予定です。計画では、振り子のようにケーブル上で自由に揺れるIMUセンサーの動きを追跡します。彼はナプキンにいくつかの計算を行い、プロトタイプのテスト時に必要な結果が得られると確信しているようです。降雨量の検出は、MPR121などの専用センサーまたはESP32の内蔵タッチ機能を使用した静電容量センサーで行います。雨滴を検出して正確な降雨量を測定するには、電極トラックの設計と位置が非常に重要です。センサーが取り付けられているハウジングのサイズ、形状、重量配分も、機器の測定範囲、解像度、精度に影響するため重要です。マノリスは、気象観測所全体を回転ハウジング内に収めるか、センサーだけを収めるかを決定する前に試す予定のいくつかの設計アイデアに取り組んでいます。
気象学への関心から、カールは気象観測所を建設した。その中でも最新のものは超音波風速計で、超音波パルスの伝搬時間を利用して風速を測定する。
カーラのセンサーは、北、南、東、西の4方向に配置された超音波トランスデューサーを使用して風速を検出します。室内のセンサー間を超音波パルスが伝わる時間を測定し、現場の測定値を差し引くことで、各軸の伝搬時間、ひいては風速が得られます。
これは、驚くほど詳細な設計報告書を伴う、印象的なエンジニアリングソリューションの実証例である。