초음파 풍속계

기상 관측소는 다양한 환경 센서를 실험하기에 인기 있는 프로젝트이며, 풍속과 풍향을 측정하기 위해 보통 간단한 컵 풍속계와 풍향계가 사용됩니다. 하지만 마젠자(Jianjia Ma)는 자신의 칭스테이션(QingStation)에서 기존과는 다른 방식의 풍향 센서, 즉 초음파 풍속계를 제작하기로 했습니다.
초음파 풍속계는 움직이는 부품이 없지만, 그 대신 전자 회로가 상당히 복잡해집니다. 이 풍속계는 초음파 펄스가 알려진 거리의 수신기에 반사되어 도달하는 데 걸리는 시간을 측정하는 방식으로 작동합니다. 풍향은 서로 수직으로 설치된 두 쌍의 초음파 센서에서 속도 값을 측정하고 간단한 삼각법을 이용하여 계산할 수 있습니다. 초음파 풍속계를 제대로 작동시키려면 수신단의 아날로그 증폭기를 신중하게 설계하고, 2차 반향, 다중경로 전파, 주변 환경으로 인한 모든 잡음으로부터 정확한 신호를 추출하기 위한 광범위한 신호 처리가 필요합니다. 설계 및 실험 절차는 잘 문서화되어 있습니다. [젠자]는 풍동을 사용하여 테스트 및 교정을 할 수 없었기 때문에 임시로 풍속계를 자신의 차 지붕에 설치하고 자리를 떠났습니다. 측정값은 차량의 GPS 속도에 비례하지만 약간 더 높게 나왔습니다. 이는 계산 오류 또는 바람이나 테스트 차량 또는 다른 도로 교통으로 인한 기류 교란과 같은 외부 요인 때문일 수 있습니다.
다른 센서로는 광학식 강우 센서, 광 센서, 기압, 습도 및 온도를 측정하는 BME280 등이 있습니다. 젠자(Jianjia)는 칭스테이션(QingStation)을 자율 운항 보트에 사용할 계획이므로 관성 측정 장치(IMU), 나침반, GPS 및 주변 소리 감지용 마이크도 추가했습니다.
센서, 전자 장치 및 프로토타이핑 기술의 발전 덕분에 개인 기상 관측소를 구축하는 것이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다. 저렴한 네트워크 모듈의 보급으로 이러한 IoT 장치가 정보를 공공 데이터베이스로 전송하여 지역 사회에 주변 환경의 관련 기상 데이터를 제공할 수 있게 되었습니다.
마놀리스 니키포라키스는 대규모 배치를 위해 설계된 완전 고체형, 유지보수 불필요, 에너지 및 통신 자율형 기상 측정 장치인 '기상 피라미드'를 개발하려고 노력하고 있습니다. 일반적으로 기상 관측소에는 온도, 기압, 습도, 풍속 및 강수량을 측정하는 센서가 장착되어 있습니다. 이러한 매개변수 대부분은 고체 센서를 사용하여 측정할 수 있지만, 풍속, 풍향 및 강수량을 측정하려면 일반적으로 전기 기계 장치가 필요합니다.
이러한 센서의 설계는 복잡하고 까다롭습니다. 대규모 설치를 계획할 때는 비용 효율성, 설치 용이성, 그리고 잦은 유지보수가 필요 없다는 점도 고려해야 합니다. 이러한 모든 문제를 해결하면 더욱 신뢰할 수 있고 저렴한 기상 관측소를 구축할 수 있으며, 이를 통해 외딴 지역에 대규모로 설치할 수 있을 것입니다.
마놀리스는 이러한 문제들을 해결할 몇 가지 아이디어를 가지고 있습니다. 그는 관성 센서 유닛(IMU, 아마도 MPU-9150)에 탑재된 가속도계, 자이로스코프, 나침반을 이용하여 풍속과 풍향을 측정할 계획입니다. IMU 센서가 케이블에 매달려 진자처럼 자유롭게 움직이는 것을 추적하는 방식입니다. 그는 간단한 계산을 해 보았고, 시제품 테스트 시 필요한 결과를 얻을 수 있을 것이라고 확신하는 듯합니다. 강우량 감지는 MPR121과 같은 전용 센서나 ESP32에 내장된 터치 기능을 사용하는 정전식 센서를 통해 이루어질 것입니다. 빗방울을 감지하여 정확한 강우량을 측정하려면 전극 트랙의 설계와 위치가 매우 중요합니다. 센서가 장착되는 하우징의 크기, 모양, 무게 분포 또한 기기의 측정 범위, 해상도, 정확도에 영향을 미치므로 매우 중요합니다. 마놀리스는 전체 기상 관측소를 회전식 하우징 안에 넣을지, 아니면 센서만 넣을지 결정하기 전에 여러 가지 설계 아이디어를 시험해 볼 계획입니다.
기상학에 대한 관심 때문에 [칼]은 기상 관측소를 지었습니다. 그중 가장 최신 장비는 초음파 풍속계로, 초음파 펄스의 비행 시간을 이용하여 풍속을 측정합니다.
카를라의 센서는 풍속을 감지하기 위해 북쪽, 남쪽, 동쪽, 서쪽 방향으로 배치된 4개의 초음파 변환기를 사용합니다. 실내에서 초음파 펄스가 센서 사이를 이동하는 데 걸리는 시간을 측정하고 현장 측정값을 빼면 각 축의 이동 시간, 즉 풍속을 얻을 수 있습니다.
이는 놀라운 엔지니어링 솔루션 시연이며, 매우 상세한 설계 보고서가 함께 제공됩니다.