مقياس شدة الريح بالموجات فوق الصوتية

تعد محطات الطقس مشروعًا شائعًا لتجربة العديد من أجهزة الاستشعار البيئية، وعادةً ما يتم اختيار مقياس شدة الريح البسيط وريشة الطقس لتحديد سرعة الرياح واتجاهها.بالنسبة لمحطة QingStation التي أنشأها Jianjia Ma، قرر بناء نوع مختلف من أجهزة استشعار الرياح: مقياس شدة الريح بالموجات فوق الصوتية.
لا تحتوي أجهزة قياس شدة الريح بالموجات فوق الصوتية على أجزاء متحركة، ولكن المفاضلة تمثل زيادة كبيرة في التعقيد الإلكتروني.وهي تعمل عن طريق قياس الوقت الذي تستغرقه نبضة الصوت بالموجات فوق الصوتية لتنعكس على جهاز الاستقبال على مسافة معروفة.يمكن حساب اتجاه الرياح عن طريق أخذ قراءات السرعة من زوجين من أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية المتعامدة مع بعضها البعض واستخدام علم المثلثات البسيط.يتطلب التشغيل السليم لمقياس شدة الريح بالموجات فوق الصوتية تصميمًا دقيقًا لمكبر الصوت التناظري عند الطرف المتلقي ومعالجة واسعة النطاق للإشارات لاستخراج الإشارة الصحيحة من الأصداء الثانوية، وانتشار المسارات المتعددة، وجميع الضوضاء الناجمة عن البيئة.تم توثيق التصميم والإجراءات التجريبية بشكل جيد.نظرًا لأن [Jianjia] لم يتمكن من استخدام نفق الرياح للاختبار والمعايرة، فقد قام مؤقتًا بتثبيت مقياس شدة الريح على سطح سيارته وغادر.وتتناسب القيمة الناتجة مع سرعة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في السيارة، ولكنها أعلى قليلاً.قد يكون ذلك بسبب أخطاء حسابية أو عوامل خارجية مثل اضطرابات الرياح أو تدفق الهواء من مركبة الاختبار أو حركة المرور الأخرى على الطريق.
وتشمل المستشعرات الأخرى أجهزة استشعار المطر الضوئية وأجهزة استشعار الضوء وأجهزة استشعار الضوء وBME280 لقياس ضغط الهواء والرطوبة ودرجة الحرارة.يخطط Jianjia لاستخدام QingStation على متن قارب مستقل، لذلك أضاف أيضًا IMU، والبوصلة، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وميكروفون للصوت المحيط.
بفضل التقدم في أجهزة الاستشعار والإلكترونيات وتكنولوجيا النماذج الأولية، أصبح بناء محطة طقس شخصية أسهل من أي وقت مضى.يتيح لنا توفر وحدات الشبكة منخفضة التكلفة التأكد من أن أجهزة إنترنت الأشياء هذه يمكنها نقل معلوماتها إلى قواعد البيانات العامة، مما يوفر للمجتمعات المحلية بيانات الطقس ذات الصلة في المناطق المحيطة بها.
يحاول مانوليس نيكيفوراكيس بناء هرم الطقس، وهو جهاز قياس الطقس ذو الحالة الصلبة بالكامل، ولا يحتاج إلى صيانة، ومستقل في مجال الطاقة والاتصالات، ومصمم للنشر على نطاق واسع.عادةً ما تكون محطات الأرصاد الجوية مجهزة بأجهزة استشعار تقيس درجة الحرارة والضغط والرطوبة وسرعة الرياح وهطول الأمطار.في حين أن معظم هذه المعلمات يمكن قياسها باستخدام أجهزة استشعار الحالة الصلبة، فإن تحديد سرعة الرياح واتجاهها وهطول الأمطار يتطلب عادةً شكلاً من أشكال الأجهزة الكهروميكانيكية.
إن تصميم أجهزة الاستشعار هذه معقد وصعب.عند التخطيط لعمليات نشر كبيرة، تحتاج أيضًا إلى التأكد من أنها فعالة من حيث التكلفة وسهلة التثبيت ولا تتطلب صيانة متكررة.إن القضاء على كل هذه المشاكل يمكن أن يؤدي إلى بناء محطات أرصاد جوية أكثر موثوقية وأقل تكلفة، والتي يمكن بعد ذلك تركيبها بأعداد كبيرة في المناطق النائية.
لدى مانوليس بعض الأفكار حول كيفية حل هذه المشكلات.يخطط لالتقاط سرعة الرياح واتجاهها من مقياس التسارع والجيروسكوب والبوصلة في وحدة استشعار بالقصور الذاتي (IMU) (ربما MPU-9150).تتمثل الخطة في تتبع حركة مستشعر IMU أثناء تأرجحه بحرية على كابل، مثل البندول.لقد أجرى بعض الحسابات على منديل ويبدو واثقًا من أنها ستعطي النتائج التي يحتاجها عند اختبار النموذج الأولي.سيتم استشعار هطول الأمطار باستخدام أجهزة استشعار سعوية باستخدام مستشعر مخصص مثل MPR121 أو وظيفة اللمس المدمجة في ESP32.يعد تصميم وموقع مسارات القطب الكهربائي مهمًا جدًا لقياس هطول الأمطار بشكل صحيح من خلال الكشف عن قطرات المطر.يعد الحجم والشكل وتوزيع الوزن للمبيت الذي تم تركيب المستشعر فيه أمرًا بالغ الأهمية أيضًا لأنه يؤثر على نطاق الجهاز ودقته ودقته.يعمل مانوليس على العديد من أفكار التصميم التي يخطط لتجربتها قبل أن يقرر ما إذا كانت محطة الطقس بأكملها ستكون داخل الهيكل الدوار أم مجرد أجهزة الاستشعار الموجودة بداخله.
بسبب اهتمامه بالأرصاد الجوية، قام كارل ببناء محطة للأرصاد الجوية. وأحدثها هو مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية، والذي يستخدم زمن طيران النبضات فوق الصوتية لتحديد سرعة الرياح.
يستخدم مستشعر كارلا أربعة محولات طاقة بالموجات فوق الصوتية، موجهة نحو الشمال والجنوب والشرق والغرب، لاكتشاف سرعة الرياح.من خلال قياس الوقت الذي تستغرقه نبضة الموجات فوق الصوتية للانتقال بين أجهزة الاستشعار في الغرفة وطرح القياسات الميدانية، نحصل على وقت الرحلة لكل محور، وبالتالي سرعة الرياح.
يعد هذا عرضًا مثيرًا للإعجاب للحلول الهندسية، مصحوبًا بتقرير تصميم مفصل بشكل مذهل.