초음파 풍속계

기상 관측소는 다양한 환경 센서를 실험하는 데 널리 사용되는 프로젝트이며, 풍속과 풍향을 측정하기 위해 일반적으로 간단한 컵형 풍속계와 풍향계를 사용합니다. 지안지아 마(Jianjia Ma)의 칭스테이션(QingStation)에서는 초음파 풍속계라는 다른 유형의 풍속 센서를 제작하기로 결정했습니다.
초음파 풍속계는 움직이는 부품이 없지만, 그 대가로 전자적 복잡성이 크게 증가합니다. 초음파 펄스가 알려진 거리에 있는 수신기에 반사되는 데 걸리는 시간을 측정하여 작동합니다. 풍향은 서로 수직으로 배치된 두 쌍의 초음파 센서에서 속도를 측정하고 간단한 삼각법을 사용하여 계산할 수 있습니다. 초음파 풍속계의 적절한 작동을 위해서는 수신단의 아날로그 증폭기를 신중하게 설계하고, 2차 에코, 다중 경로 전파, 그리고 주변 환경으로 인한 모든 잡음으로부터 정확한 신호를 추출하기 위한 광범위한 신호 처리가 필요합니다. 설계 및 실험 절차는 잘 문서화되어 있습니다. [젠지아]는 풍동을 테스트 및 교정에 사용할 수 없었기 때문에 차량 지붕에 풍속계를 임시로 설치하고 떠났습니다. 결과값은 차량의 GPS 속도에 비례하지만 약간 더 높습니다. 이는 계산 오류 또는 테스트 차량이나 다른 도로 교통으로 인한 바람이나 기류 교란과 같은 외부 요인 때문일 수 있습니다.
다른 센서로는 광학 레인 센서, 조도 센서, 그리고 기압, 습도, 온도 측정용 BME280이 있습니다. 젠지아는 칭스테이션을 자율 주행 보트에 사용할 계획이기 때문에 IMU, 나침반, GPS, 그리고 주변 소리 측정용 마이크도 추가했습니다.
센서, 전자 장치, 그리고 프로토타입 기술의 발전 덕분에 개인용 기상 관측소 구축이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다. 저렴한 네트워크 모듈의 등장으로 이러한 IoT 기기들이 공공 데이터베이스에 정보를 전송하여 지역 사회에 주변 지역의 관련 기상 데이터를 제공할 수 있게 되었습니다.
마놀리스 니키포라키스는 대규모 배치를 위해 설계된 완전 고체 센서 기반의 무유지보수형 에너지 및 통신 자율형 기상 측정 장치인 웨더 피라미드(Weather Pyramid)를 개발하고 있습니다. 일반적으로 기상 관측소에는 온도, 기압, 습도, 풍속, 강수량을 측정하는 센서가 장착되어 있습니다. 이러한 매개변수의 대부분은 고체 센서를 사용하여 측정할 수 있지만, 풍속, 풍향, 강수량을 측정하려면 일반적으로 전기 기계 장치가 필요합니다.
이러한 센서의 설계는 복잡하고 까다롭습니다. 대규모 구축을 계획할 때는 비용 효율적이고 설치가 쉬우며 잦은 유지 보수가 필요하지 않은지 확인해야 합니다. 이러한 모든 문제를 해결하면 더욱 안정적이고 저렴한 기상 관측소를 구축하여 외딴 지역에 대량으로 설치할 수 있습니다.
마놀리스는 이러한 문제를 해결할 몇 가지 아이디어를 가지고 있습니다. 그는 가속도계, 자이로스코프, 나침반을 이용하여 풍속과 풍향을 관성 센서 장치(IMU)(아마도 MPU-9150)에 연결할 계획입니다. 케이블 위에서 진자처럼 자유롭게 움직이는 IMU 센서의 움직임을 추적하는 것이 그의 계획입니다. 그는 냅킨에 몇 가지 계산을 해 보았고, 프로토타입을 테스트할 때 필요한 결과를 얻을 수 있을 것이라고 확신하는 듯합니다. 강우량 감지는 MPR121과 같은 전용 센서나 ESP32에 내장된 터치 기능을 사용하는 정전용량 센서를 통해 이루어집니다. 전극 트랙의 설계와 위치는 빗방울을 감지하여 정확한 강우량을 측정하는 데 매우 중요합니다. 센서가 장착된 하우징의 크기, 모양, 무게 분포 또한 계측기의 범위, 분해능, 정확도에 영향을 미치므로 매우 중요합니다. 마놀리스는 기상 관측소 전체를 회전 하우징 안에 설치할지, 아니면 센서만 내부에 설치할지 결정하기 전에 여러 가지 설계 아이디어를 시험해 볼 계획입니다.
[칼]은 기상학에 관심이 많아 기상 관측소를 건설했습니다. 이 중 가장 최신의 것은 초음파 펄스의 비행 시간을 이용해 풍속을 측정하는 초음파 풍속 센서입니다.
칼라의 센서는 동서남북 방향으로 네 개의 초음파 센서를 사용하여 풍속을 감지합니다. 초음파 펄스가 실내 센서 사이를 이동하는 데 걸리는 시간을 측정하고, 이 측정값에서 자기장 측정값을 빼면 각 축의 비행 시간과 풍속을 구할 수 있습니다.
이는 놀라울 정도로 자세한 설계 보고서와 함께 제공되는 엔지니어링 솔루션의 인상적인 데모입니다.