เครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตราโซนิก

สถานีตรวจอากาศเป็นโครงการยอดนิยมสำหรับการทดลองกับเซ็นเซอร์ตรวจจับสภาพแวดล้อมแบบต่างๆ และมักเลือกใช้เครื่องวัดความเร็วลมแบบถ้วยและใบพัดวัดลมแบบง่ายๆ เพื่อวัดความเร็วและทิศทางลม สำหรับสถานี QingStation ของ Jianjia Ma เขาตัดสินใจสร้างเซ็นเซอร์ตรวจจับลมแบบอื่น นั่นคือ เครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตราโซนิค
เครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตราโซนิคไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว แต่ข้อเสียคือความซับซ้อนทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก เครื่องวัดความเร็วลมทำงานโดยการวัดเวลาที่พัลส์เสียงอัลตราโซนิคใช้ในการสะท้อนไปยังเครื่องรับที่ระยะทางที่ทราบ ทิศทางลมสามารถคำนวณได้โดยการอ่านค่าความเร็วจากเซ็นเซอร์อัลตราโซนิคสองคู่ที่ตั้งฉากกันและใช้ตรีโกณมิติอย่างง่าย การใช้งานเครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตราโซนิคอย่างถูกต้องต้องอาศัยการออกแบบวงจรขยายสัญญาณอนาล็อกที่ปลายทางรับอย่างระมัดระวังและการประมวลผลสัญญาณอย่างละเอียดเพื่อดึงสัญญาณที่ถูกต้องจากเสียงสะท้อนทุติยภูมิ การแพร่กระจายแบบหลายเส้นทาง และสัญญาณรบกวนทั้งหมดที่เกิดจากสภาพแวดล้อม ขั้นตอนการออกแบบและการทดลองได้รับการบันทึกไว้เป็นอย่างดี เนื่องจาก [Jianjia] ไม่สามารถใช้อุโมงค์ลมเพื่อการทดสอบและการสอบเทียบได้ เขาจึงติดตั้งเครื่องวัดความเร็วลมไว้บนหลังคารถชั่วคราวแล้วออกเดินทาง ค่าที่ได้จะแปรผันตามความเร็ว GPS ของรถ แต่สูงกว่าเล็กน้อย ซึ่งอาจเกิดจากข้อผิดพลาดในการคำนวณหรือปัจจัยภายนอก เช่น การรบกวนของลมหรือกระแสลมจากรถทดสอบหรือการจราจรบนท้องถนนอื่นๆ
เซ็นเซอร์อื่นๆ ได้แก่ เซ็นเซอร์วัดปริมาณน้ำฝนแบบออปติคัล เซ็นเซอร์วัดแสง เซ็นเซอร์วัดแสง และ BME280 สำหรับวัดความกดอากาศ ความชื้น และอุณหภูมิ เจียนเจียวางแผนที่จะใช้ QingStation บนเรืออัตโนมัติ ดังนั้นเขาจึงได้เพิ่ม IMU เข็มทิศ GPS และไมโครโฟนสำหรับเสียงรอบข้างเข้าไปด้วย
ด้วยความก้าวหน้าด้านเซ็นเซอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบ การสร้างสถานีตรวจอากาศส่วนบุคคลจึงง่ายกว่าที่เคย การมีโมดูลเครือข่ายราคาประหยัดช่วยให้เรามั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ IoT เหล่านี้สามารถส่งข้อมูลไปยังฐานข้อมูลสาธารณะ ทำให้ชุมชนท้องถิ่นมีข้อมูลสภาพอากาศที่เกี่ยวข้องในสภาพแวดล้อมของพวกเขา
มาโนลิส นิกิโฟราคิส กำลังพยายามสร้างพีระมิดสภาพอากาศ (Weather Pyramid) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ตรวจวัดสภาพอากาศแบบโซลิดสเตตทั้งหมด ไม่ต้องบำรุงรักษา ใช้พลังงานและการสื่อสารได้อย่างอิสระ ออกแบบมาสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ โดยทั่วไป สถานีตรวจอากาศจะติดตั้งเซ็นเซอร์สำหรับวัดอุณหภูมิ ความกดอากาศ ความชื้น ความเร็วลม และปริมาณน้ำฝน แม้ว่าพารามิเตอร์เหล่านี้ส่วนใหญ่สามารถวัดได้โดยใช้เซ็นเซอร์แบบโซลิดสเตต แต่การกำหนดความเร็วลม ทิศทางลม และปริมาณน้ำฝนโดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าเครื่องกลบางประเภท
การออกแบบเซ็นเซอร์ดังกล่าวมีความซับซ้อนและท้าทาย เมื่อวางแผนการใช้งานในพื้นที่ขนาดใหญ่ คุณจำเป็นต้องมั่นใจว่าเซ็นเซอร์เหล่านั้นคุ้มค่า ติดตั้งง่าย และไม่ต้องบำรุงรักษาบ่อย การขจัดปัญหาเหล่านี้ทั้งหมดอาจนำไปสู่การสร้างสถานีตรวจอากาศที่เชื่อถือได้มากขึ้นและมีราคาถูกลง ซึ่งสามารถติดตั้งได้จำนวนมากในพื้นที่ห่างไกล
มาโนลิสมีแนวคิดในการแก้ปัญหาเหล่านี้ เขาวางแผนที่จะบันทึกความเร็วและทิศทางลมจากเครื่องวัดความเร่ง ไจโรสโคป และเข็มทิศในชุดเซ็นเซอร์เฉื่อย (IMU) (น่าจะเป็น MPU-9150) แผนคือการติดตามการเคลื่อนไหวของเซ็นเซอร์ IMU ขณะที่แกว่งไปมาอย่างอิสระบนสายเคเบิล คล้ายกับลูกตุ้ม เขาได้ทำการคำนวณบนกระดาษเช็ดปากและดูเหมือนจะมั่นใจว่าผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นไปตามที่เขาต้องการเมื่อทดสอบต้นแบบ การตรวจจับปริมาณน้ำฝนจะทำโดยใช้เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ โดยใช้เซ็นเซอร์เฉพาะทาง เช่น MPR121 หรือฟังก์ชันสัมผัสในตัวใน ESP32 การออกแบบและตำแหน่งของรอยอิเล็กโทรดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการวัดปริมาณน้ำฝนที่ถูกต้องโดยการตรวจจับหยดน้ำฝน ขนาด รูปร่าง และการกระจายน้ำหนักของตัวเรือนที่ติดตั้งเซ็นเซอร์ก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากมีผลต่อระยะ ความละเอียด และความแม่นยำของเครื่องมือ Manolis กำลังพิจารณาแนวคิดการออกแบบหลายๆ ประการซึ่งเขาตั้งใจจะลองก่อนที่จะตัดสินใจว่าสถานีตรวจอากาศทั้งหมดจะอยู่ภายในตัวเรือนหมุนหรือเพียงแค่เซ็นเซอร์ที่อยู่ภายในเท่านั้น
เนื่องจากความสนใจในอุตุนิยมวิทยา [คาร์ล] จึงได้สร้างสถานีตรวจอากาศขึ้น ซึ่งอุปกรณ์ใหม่ล่าสุดคือเซ็นเซอร์ลมอัลตราโซนิก ซึ่งใช้เวลาบินของพัลส์อัลตราโซนิกเพื่อกำหนดความเร็วลม
เซ็นเซอร์ของคาร์ล่าใช้ตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิกสี่ตัว เรียงตัวในแนวเหนือ ใต้ ตะวันออก และตะวันตก เพื่อตรวจจับความเร็วลม โดยการวัดเวลาที่พัลส์อัลตราโซนิกเคลื่อนที่ระหว่างเซ็นเซอร์ในห้อง และลบค่าที่วัดได้ออกจากสนาม เราจะได้เวลาบินของแต่ละแกน และดังนั้นจึงได้ความเร็วลม
นี่คือการสาธิตโซลูชันทางวิศวกรรมที่น่าประทับใจ พร้อมด้วยรายงานการออกแบบที่มีรายละเอียดน่าทึ่ง