เครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตราโซนิก

สถานีตรวจวัดอากาศเป็นโครงการยอดนิยมสำหรับการทดลองใช้เซ็นเซอร์ตรวจวัดสภาพแวดล้อมต่างๆ โดยปกติแล้วมักจะเลือกใช้เครื่องวัดความเร็วลมแบบถ้วยและกังหันลมเพื่อวัดความเร็วและทิศทางลม แต่สำหรับสถานีตรวจวัดอากาศชิงของเจียนเจีย มา เขาตัดสินใจสร้างเซ็นเซอร์วัดลมชนิดที่แตกต่างออกไป นั่นคือ เครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตราโซนิก
เครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตราโซนิกไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้ แต่ข้อเสียคือความซับซ้อนทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก หลักการทำงานคือการวัดเวลาที่คลื่นเสียงอัลตราโซนิกใช้ในการเดินทางกลับไปยังตัวรับสัญญาณที่ระยะทางที่ทราบ สามารถคำนวณทิศทางลมได้โดยการอ่านค่าความเร็วจากเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกสองคู่ที่ตั้งฉากกัน และใช้ตรีโกณมิติอย่างง่าย การทำงานที่ถูกต้องของเครื่องวัดความเร็วลมแบบอัลตราโซนิกต้องอาศัยการออกแบบวงจรขยายสัญญาณอนาล็อกที่ฝั่งรับสัญญาณอย่างระมัดระวัง และการประมวลผลสัญญาณอย่างละเอียดเพื่อแยกสัญญาณที่ถูกต้องออกจากเสียงสะท้อนรอง การแพร่กระจายแบบหลายเส้นทาง และสัญญาณรบกวนทั้งหมดที่เกิดจากสภาพแวดล้อม ขั้นตอนการออกแบบและการทดลองได้รับการบันทึกไว้อย่างดี เนื่องจาก [Jianjia] ไม่สามารถใช้ห้องทดสอบลมสำหรับการทดสอบและการสอบเทียบได้ เขาจึงติดตั้งเครื่องวัดความเร็วลมไว้บนหลังคารถของเขาชั่วคราวแล้วจากไป ค่าที่ได้นั้นเป็นสัดส่วนกับความเร็ว GPS ของรถ แต่สูงกว่าเล็กน้อย นี่อาจเกิดจากข้อผิดพลาดในการคำนวณหรือปัจจัยภายนอก เช่น ลมหรือการรบกวนการไหลของอากาศจากรถทดสอบหรือการจราจรบนท้องถนนอื่นๆ
เซ็นเซอร์อื่นๆ ได้แก่ เซ็นเซอร์วัดปริมาณน้ำฝนแบบออปติคอล เซ็นเซอร์วัดแสง และ BME280 สำหรับวัดความดันอากาศ ความชื้น และอุณหภูมิ เจียนเจียมีแผนจะใช้ QingStation บนเรือไร้คนขับ ดังนั้นเขาจึงเพิ่ม IMU เข็มทิศ GPS และไมโครโฟนสำหรับบันทึกเสียงรอบข้างเข้าไปด้วย
ด้วยความก้าวหน้าของเซ็นเซอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบ การสร้างสถานีตรวจอากาศส่วนบุคคลจึงง่ายกว่าที่เคยเป็นมา นอกจากนี้ การมีโมดูลเครือข่ายราคาประหยัดยังช่วยให้เรามั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ IoT เหล่านี้สามารถส่งข้อมูลไปยังฐานข้อมูลสาธารณะได้ ทำให้ชุมชนท้องถิ่นได้รับข้อมูลสภาพอากาศที่เกี่ยวข้องในพื้นที่โดยรอบ
มาโนลิส นิกิโฟราคิส กำลังพยายามสร้าง "พีระมิดสภาพอากาศ" ซึ่งเป็นอุปกรณ์วัดสภาพอากาศแบบโซลิดสเตททั้งหมด ไม่ต้องบำรุงรักษา ทำงานได้เองทั้งด้านพลังงานและการสื่อสาร ออกแบบมาสำหรับการใช้งานในวงกว้าง โดยทั่วไป สถานีตรวจวัดสภาพอากาศจะติดตั้งเซ็นเซอร์ที่วัดอุณหภูมิ ความดัน ความชื้น ความเร็วลม และปริมาณน้ำฝน แม้ว่าพารามิเตอร์ส่วนใหญ่เหล่านี้สามารถวัดได้โดยใช้เซ็นเซอร์โซลิดสเตท แต่การกำหนดความเร็วลม ทิศทางลม และปริมาณน้ำฝนนั้นโดยทั่วไปแล้วต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กโทรเมคานิกส์บางรูปแบบ
การออกแบบเซ็นเซอร์ดังกล่าวมีความซับซ้อนและท้าทาย เมื่อวางแผนการติดตั้งในวงกว้าง คุณต้องแน่ใจด้วยว่าเซ็นเซอร์นั้นคุ้มค่า ติดตั้งง่าย และไม่ต้องบำรุงรักษาบ่อย การขจัดปัญหาเหล่านี้จะนำไปสู่การสร้างสถานีตรวจวัดอากาศที่เชื่อถือได้และราคาถูกลง ซึ่งสามารถติดตั้งได้เป็นจำนวนมากในพื้นที่ห่างไกล
มาโนลิสมีแนวคิดบางอย่างเกี่ยวกับวิธีการแก้ปัญหาเหล่านี้ เขาตั้งใจจะบันทึกความเร็วและทิศทางลมจากมาตรวัดความเร่ง ไจโรสโคป และเข็มทิศในหน่วยเซ็นเซอร์เฉื่อย (IMU) (น่าจะเป็น MPU-9150) แผนคือการติดตามการเคลื่อนที่ของเซ็นเซอร์ IMU ขณะที่มันแกว่งอย่างอิสระบนสายเคเบิล เหมือนลูกตุ้ม เขาได้ทำการคำนวณคร่าวๆ บนกระดาษเช็ดปากและดูเหมือนจะมั่นใจว่าจะได้ผลลัพธ์ที่เขาต้องการเมื่อทดสอบต้นแบบ การตรวจวัดปริมาณน้ำฝนจะทำโดยใช้เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ โดยใช้เซ็นเซอร์เฉพาะ เช่น MPR121 หรือฟังก์ชันสัมผัสในตัวของ ESP32 การออกแบบและตำแหน่งของเส้นทางอิเล็กโทรดมีความสำคัญมากสำหรับการวัดปริมาณน้ำฝนที่ถูกต้องโดยการตรวจจับหยาดฝน ขนาด รูปร่าง และการกระจายน้ำหนักของตัวเรือนที่ติดตั้งเซ็นเซอร์ก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากส่งผลต่อระยะ ความละเอียด และความแม่นยำของเครื่องมือ มาโนลิสกำลังทำงานเกี่ยวกับแนวคิดการออกแบบหลายแบบที่เขาวางแผนจะทดลองใช้ก่อนที่จะตัดสินใจว่าสถานีตรวจวัดอากาศทั้งหมดจะอยู่ภายในตัวเรือนหมุนได้หรือจะติดตั้งเฉพาะเซ็นเซอร์ไว้ข้างในเท่านั้น
เนื่องจากความสนใจในด้านอุตุนิยมวิทยา [คาร์ล] จึงสร้างสถานีตรวจวัดอากาศขึ้น อุปกรณ์ล่าสุดที่เขาสร้างขึ้นคือเซ็นเซอร์วัดลมแบบอัลตราโซนิก ซึ่งใช้เวลาในการเดินทางของคลื่นอัลตราโซนิกเพื่อกำหนดความเร็วลม
เซ็นเซอร์ของคาร์ลาใช้ตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิกสี่ตัว โดยวางแนวทิศเหนือ ทิศใต้ ทิศตะวันออก และทิศตะวันตก เพื่อตรวจจับความเร็วลม โดยการวัดเวลาที่คลื่นอัลตราโซนิกใช้ในการเดินทางระหว่างเซ็นเซอร์ในห้อง และลบด้วยค่าที่วัดได้จากสนาม เราจะได้เวลาในการเดินทางสำหรับแต่ละแกน และด้วยเหตุนี้จึงได้ความเร็วลม
นี่คือตัวอย่างที่น่าประทับใจของการแก้ปัญหาทางวิศวกรรม พร้อมด้วยรายงานการออกแบบที่มีรายละเอียดอย่างน่าทึ่ง