超音波風速計

気象観測ステーションは、様々な環境センサーの実験に人気のプロジェクトです。風速と風向を測定するために、シンプルなカップ型風速計と風向計が使われることがよくあります。Jianjia Ma氏のQingStationでは、彼は異なるタイプの風速センサー、超音波風速計を開発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、その代わりに電子的な複雑さが大幅に増大します。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、互いに直交する2組の超音波センサーから速度を読み取り、簡単な三角法を用い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、受信側のアナログ増幅器を慎重に設計し、二次エコー、マルチパス伝播、そして環境に起因するあらゆるノイズから正しい信号を抽出するための高度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]は試験と校正のために風洞を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、計算誤差、あるいは試験車両や他の道路交通による風や気流の乱れといった外的要因によるものであ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を自律型ボートに使用することを計画しているため、IMU、コンパス、GPS、そして環境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、そしてプロトタイピング技術の進歩により、個人用気象ステーション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デバイスから公共データベースに情報を送信し、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した。
マノリス・ニキフォラキス氏は、大規模展開を目的とした、全固体型でメンテナンスフリー、電力・通信の自律型気象観測装置「ウェザーピラミッド」の開発に取り組んでいます。通常、気象観測所には、気温、気圧、湿度、風速、降水量を測定するセンサーが搭載されています。これらのパラメータのほとんどは固体センサーで測定できますが、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。大規模な導入を計画する際には、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認する必要があります。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し、遠隔地に大量に設置できるようになります。
マノリス氏はこれらの問題を解決するアイデアをいくつか持っています。彼は、慣性センサーユニット（IMU）（おそらくMPU-9150）内の加速度計、ジャイロスコープ、コンパスから風速と風向を取得する計画を立てています。IMUセンサーがケーブル上を振り子のように自由に揺れ動く様子を追跡する計画です。彼はナプキンでいくつかの計算を行い、プロトタイプのテストに必要な結果が得られると確信しているようです。降雨量は、MPR121などの専用センサー、またはESP32に内蔵されたタッチ機能を使用した静電容量センサーによって測定されます。雨滴を検出して正確な降水量を測定するには、電極トラックの設計と配置が非常に重要です。センサーを搭載す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、精度に影響を与えるため、非常に重要です。マノリス氏は、気象観測ステーション全体を回転ハウジング内に収めるか、センサーのみを収納するかを決定する前に、いくつかの設計アイデアを検討しています。
気象学に興味があったため、[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風速センサーで、超音波パルスの飛行時間を利用して風速を測定します。
Carlaのセンサーは、東西南北に向いた4つの超音波トランスデューサーを用いて風速を検知します。室内のセンサー間を超音波パルスが伝わるのにかかる時間を測定し、その測定値から風速を差し引くことで、各軸の伝搬時間、つまり風速が得られます。
これは、驚くほど詳細な設計レポートを伴った、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。