مقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية

تُعدّ محطات الأرصاد الجوية مشروعًا شائعًا لتجربة مختلف أجهزة الاستشعار البيئية، وعادةً ما يُختار مقياس سرعة الرياح البسيط ذو الأكواب ومؤشر اتجاه الرياح لتحديد سرعة الرياح واتجاهها. أما بالنسبة لمحطة تشينغ الخاصة بجيانجيا ما، فقد قرر بناء نوع مختلف من أجهزة استشعار الرياح: مقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية.
لا تحتوي مقاييس سرعة الرياح فوق الصوتية على أجزاء متحركة، ولكن يقابل ذلك زيادة ملحوظة في التعقيد الإلكتروني. تعمل هذه المقاييس عن طريق قياس الزمن الذي تستغرقه نبضة صوتية فوق صوتية للانعكاس إلى جهاز استقبال على مسافة معلومة. يمكن حساب اتجاه الرياح من خلال قراءة السرعة من زوجين من مستشعرات الموجات فوق الصوتية المتعامدة، باستخدام حساب المثلثات البسيط. يتطلب التشغيل السليم لمقياس سرعة الرياح فوق الصوتي تصميمًا دقيقًا للمضخم التناظري في طرف الاستقبال، ومعالجة إشارة مكثفة لاستخلاص الإشارة الصحيحة من الصدى الثانوي، وانتشار الموجات المتعددة، وجميع التشويشات الناتجة عن البيئة. إجراءات التصميم والتجربة موثقة جيدًا. نظرًا لعدم تمكن [جيانجيا] من استخدام نفق الرياح للاختبار والمعايرة، قام بتركيب مقياس سرعة الرياح مؤقتًا على سطح سيارته وغادر. تتناسب القيمة الناتجة مع سرعة السيارة المُحددة بواسطة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، ولكنها أعلى قليلًا. قد يعود ذلك إلى أخطاء في الحساب أو عوامل خارجية مثل الرياح أو اضطرابات تدفق الهواء الناتجة عن مركبة الاختبار أو حركة المرور الأخرى على الطريق.
تشمل المستشعرات الأخرى مستشعرات المطر البصرية، ومستشعرات الضوء، ومستشعر BME280 لقياس ضغط الهواء والرطوبة ودرجة الحرارة. يخطط جيانجيا لاستخدام محطة تشينغ على متن قارب ذاتي القيادة، لذا أضاف إليها أيضًا وحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU)، وبوصلة، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وميكروفونًا لتسجيل الصوت المحيط.
بفضل التطورات في أجهزة الاستشعار والإلكترونيات وتقنيات النماذج الأولية، أصبح بناء محطة أرصاد جوية شخصية أسهل من أي وقت مضى. كما أن توفر وحدات الشبكة منخفضة التكلفة يُمكّننا من ضمان قدرة أجهزة إنترنت الأشياء هذه على إرسال معلوماتها إلى قواعد البيانات العامة، مما يوفر للمجتمعات المحلية بيانات جوية دقيقة عن محيطها.
يسعى مانوليس نيكيفوراكيس إلى بناء "هرم الطقس"، وهو جهاز قياس طقس يعمل بالكامل بتقنية الحالة الصلبة، ولا يحتاج إلى صيانة، ويعمل بشكل مستقل عن الطاقة والاتصالات، ومصمم للنشر على نطاق واسع. عادةً ما تُجهز محطات الأرصاد الجوية بمجسات تقيس درجة الحرارة والضغط والرطوبة وسرعة الرياح والهطول. في حين يمكن قياس معظم هذه المعايير باستخدام مجسات الحالة الصلبة، فإن تحديد سرعة الرياح واتجاهها والهطول يتطلب عادةً نوعًا من الأجهزة الكهروميكانيكية.
يُعدّ تصميم هذه المستشعرات معقدًا ومليئًا بالتحديات. عند التخطيط لنشرها على نطاق واسع، يجب أيضًا ضمان فعاليتها من حيث التكلفة، وسهولة تركيبها، وعدم حاجتها إلى صيانة متكررة. إنّ التغلب على كل هذه المشاكل من شأنه أن يُسهم في بناء محطات أرصاد جوية أكثر موثوقية وأقل تكلفة، والتي يُمكن تركيبها بأعداد كبيرة في المناطق النائية.
لدى مانوليس بعض الأفكار لحل هذه المشكلات. يخطط لالتقاط سرعة الرياح واتجاهها باستخدام مقياس التسارع والجيروسكوب والبوصلة في وحدة استشعار بالقصور الذاتي (IMU) (ربما MPU-9150). وتتمثل الخطة في تتبع حركة مستشعر IMU أثناء تأرجحه بحرية على كابل، كالبندول. وقد أجرى بعض الحسابات الأولية ويبدو واثقًا من أنها ستعطيه النتائج المطلوبة عند اختبار النموذج الأولي. سيتم استشعار هطول الأمطار باستخدام مستشعرات سعوية، إما باستخدام مستشعر مخصص مثل MPR121 أو وظيفة اللمس المدمجة في ESP32. يُعد تصميم مسارات الأقطاب الكهربائية وموقعها بالغ الأهمية لقياس الهطول بدقة من خلال رصد قطرات المطر. كما أن حجم وشكل وتوزيع وزن الغلاف الذي يُركب فيه المستشعر عوامل حاسمة، إذ تؤثر على مدى ودقة الجهاز. يعمل مانوليس على عدة أفكار تصميمية يخطط لتجربتها قبل تحديد ما إذا كانت محطة الأرصاد الجوية بأكملها ستكون داخل الغلاف الدوار أم المستشعرات فقط.
بسبب اهتمامه بالأرصاد الجوية، قام [كارل] ببناء محطة أرصاد جوية. أحدث هذه المحطات هو جهاز استشعار الرياح بالموجات فوق الصوتية، والذي يستخدم وقت انتقال النبضات فوق الصوتية لتحديد سرعة الرياح.
يستخدم جهاز استشعار كارلا أربعة محولات طاقة فوق صوتية، موجهة نحو الشمال والجنوب والشرق والغرب، لرصد سرعة الرياح. ومن خلال قياس الزمن الذي تستغرقه نبضة فوق صوتية للانتقال بين أجهزة الاستشعار في الغرفة، وطرح القياسات الميدانية، نحصل على زمن انتقال الموجة لكل محور، وبالتالي سرعة الرياح.
هذا عرضٌ مثير للإعجاب للحلول الهندسية، مصحوب بتقرير تصميم مفصل بشكل مذهل.