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あるプロジェクトであり、通常は、風速と方向を決定するために単純なカップ型風速計と風向計が選択されます。Jianjia Ma の QingStation では、別のタイプの風センサーである超音波風速計を構築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的な複雑さが大幅に増加します。これらは、超音波パルスが既知の距離にある受信機に反射するのにかかる時間を測定することによって機能します。風向は、互いに直角な 2 対の超音波センサーから速度を読み取り、単純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の慎重な設計と、二次エコー、マルチパス伝播、および環境によって生じ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] さんはテストと校正に風洞を使用できなかったため、車の屋根に風速計を一時的に設置して出発しました。結果の値は車の GPS 速度に比例しますが、わずかに速くなります。これは、計算エラー、またはテスト車両やその他の道路交通からの風や気流の乱れなどの外部要因が原因である可能性があります。
その他のセンサーには、気圧、湿度、温度を測定するための光学式レイン センサー、光センサー、光センサー、BME280 などがあります。Jianjia 氏は自律ボートで QingStation を使用する予定であるため、IMU、コンパス、GPS、周囲音用のマイクも追加しました。
センサー、エレクトロニクス、プロトタイピング技術の進歩のおかげで、個人用気象観測所の構築がこれまでより簡単になりました。低コストのネットワーク モジュールを利用できるため、これらの IoT デバイスがその情報を公共データベースに送信し、地域コミュニティに周囲の関連する気象データを提供できるようになります。
マノリス・ニキフォラキス氏は、大規模展開向けに設計された、オールソリッドステートでメンテナンス不要の、エネルギーと通信を自律的に行​​う気象測定デバイスである Weather Pyramid の構築を試みています。通常、気象観測所には、温度、圧力、湿度、風速、降水量を測定するセンサーが装備されています。これらのパラメータのほとんどはソリッドステート センサーを使用して測定できますが、風速、風向、降水量を決定するには、通常、何らかの形式の電気機械デバイスが必要です。
このようなセンサーの設計は複雑で困難です。大規模な展開を計画する場合は、コスト効率が高く、インストールが簡単で、頻繁なメンテナンスが必要ないことも確認する必要があります。これらすべての問題を解決できれば、より信頼性が高く、より安価な気象観測所が建設され、遠隔地に多数設置される可能性があります。
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捕捉することを計画しています。計画では、ケーブル上で振り子のように自由に揺れる IMU センサーの動きを追跡する予定です。彼はナプキンでいくつかの計算を行っており、プロトタイプをテストするときに必要な結果が得られると確信しているようです。降雨感知は、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を使用して行われます。電極トラックの設計と位置は、雨滴を検出して正確な降水量を測定するために非常に重要です。センサーが取り付けられるハウジングのサイズ、形状、重量配分も、機器の範囲、解像度、精度に影響を与えるため、非常に重要です。マノリス氏はいくつかの設計アイデアに取り組んでおり、気象観測所全体を回転ハウジングの中に入れるか、センサーだけを入れるかを決定する前に試してみる予定です。
気象学への興味のため、[カール] は気象観測所を建設しました。その最新のものは、超音波パルスの飛行時間を使用して風速を測定する超音波風センサーです。
カーラのセンサーは、東西南北に向けられた 4 つの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。超音波パルスが室内のセンサー間を伝わるのにかかる時間を測定し、場の測定値を差し引くことで、各軸の飛行時間が得られ、したがって風速が得られます。
これは、驚くほど詳細な設計レポートを伴う、エンジニアリング ソリューションの印象的なデモンストレーションです。