Máy đo gió siêu âm

Các trạm thời tiết là một dự án phổ biến để thử nghiệm nhiều loại cảm biến môi trường khác nhau, và người ta thường chọn một máy đo gió dạng cốc đơn giản và một cột chỉ hướng gió để xác định tốc độ và hướng gió. Đối với trạm QingStation của Jianjia Ma, anh ấy quyết định chế tạo một loại cảm biến gió khác: một máy đo gió siêu âm.
Máy đo gió siêu âm không có bộ phận chuyển động, nhưng nhược điểm là độ phức tạp điện tử tăng lên đáng kể. Chúng hoạt động bằng cách đo thời gian cần thiết để xung âm siêu âm phản xạ đến bộ thu ở một khoảng cách xác định. Hướng gió có thể được tính toán bằng cách lấy các chỉ số tốc độ từ hai cặp cảm biến siêu âm vuông góc với nhau và sử dụng lượng giác đơn giản. Hoạt động đúng cách của máy đo gió siêu âm đòi hỏi thiết kế cẩn thận bộ khuếch đại tương tự ở đầu thu và xử lý tín hiệu rộng rãi để trích xuất tín hiệu chính xác từ các tiếng vọng thứ cấp, sự lan truyền đa đường và tất cả nhiễu do môi trường gây ra. Thiết kế và quy trình thí nghiệm được ghi chép đầy đủ. Vì [Jianjia] không thể sử dụng đường hầm gió để thử nghiệm và hiệu chuẩn, anh ấy đã tạm thời lắp đặt máy đo gió trên nóc xe của mình và rời đi. Giá trị thu được tỷ lệ thuận với tốc độ GPS của xe, nhưng cao hơn một chút. Điều này có thể là do lỗi tính toán hoặc các yếu tố bên ngoài như gió hoặc nhiễu loạn luồng không khí từ xe thử nghiệm hoặc các phương tiện giao thông khác trên đường.
Các cảm biến khác bao gồm cảm biến mưa quang học, cảm biến ánh sáng và BME280 để đo áp suất không khí, độ ẩm và nhiệt độ. Jianjia dự định sử dụng QingStation trên một chiếc thuyền tự hành, vì vậy ông cũng đã bổ sung thêm IMU, la bàn, GPS và micro để thu âm môi trường xung quanh.
Nhờ những tiến bộ trong cảm biến, điện tử và công nghệ tạo mẫu, việc xây dựng một trạm thời tiết cá nhân trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Sự sẵn có của các mô-đun mạng giá rẻ cho phép chúng ta đảm bảo rằng các thiết bị IoT này có thể truyền thông tin của chúng đến các cơ sở dữ liệu công cộng, cung cấp cho cộng đồng địa phương dữ liệu thời tiết phù hợp trong khu vực xung quanh.
Manolis Nikiforakis đang nỗ lực chế tạo Tháp Thời tiết (Weather Pyramid), một thiết bị đo thời tiết hoàn toàn bằng chất bán dẫn, không cần bảo trì, tự chủ về năng lượng và truyền thông, được thiết kế để triển khai trên quy mô lớn. Thông thường, các trạm thời tiết được trang bị các cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, tốc độ gió và lượng mưa. Mặc dù hầu hết các thông số này có thể được đo bằng cảm biến bán dẫn, nhưng việc xác định tốc độ gió, hướng gió và lượng mưa thường đòi hỏi một số loại thiết bị cơ điện.
Việc thiết kế các cảm biến như vậy rất phức tạp và đầy thách thức. Khi lập kế hoạch triển khai quy mô lớn, bạn cũng cần đảm bảo chúng tiết kiệm chi phí, dễ lắp đặt và không cần bảo trì thường xuyên. Loại bỏ tất cả những vấn đề này có thể dẫn đến việc xây dựng các trạm thời tiết đáng tin cậy hơn và ít tốn kém hơn, sau đó có thể được lắp đặt với số lượng lớn ở các khu vực hẻo lánh.
Manolis có một số ý tưởng về cách giải quyết những vấn đề này. Anh ấy dự định thu thập tốc độ và hướng gió từ gia tốc kế, con quay hồi chuyển và la bàn trong một bộ cảm biến quán tính (IMU) (có thể là MPU-9150). Kế hoạch là theo dõi chuyển động của cảm biến IMU khi nó đu đưa tự do trên một sợi dây cáp, giống như một con lắc. Anh ấy đã thực hiện một số phép tính trên giấy nháp và có vẻ tự tin rằng chúng sẽ cho ra kết quả cần thiết khi thử nghiệm nguyên mẫu. Việc cảm biến lượng mưa sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng các cảm biến điện dung, sử dụng một cảm biến chuyên dụng như MPR121 hoặc chức năng cảm ứng tích hợp trong ESP32. Thiết kế và vị trí của các đường điện cực rất quan trọng để đo lượng mưa chính xác bằng cách phát hiện các giọt mưa. Kích thước, hình dạng và sự phân bố trọng lượng của vỏ bọc mà cảm biến được gắn vào cũng rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng đến phạm vi, độ phân giải và độ chính xác của thiết bị. Manolis đang nghiên cứu một số ý tưởng thiết kế mà anh ấy dự định thử nghiệm trước khi quyết định liệu toàn bộ trạm thời tiết sẽ nằm bên trong vỏ bọc xoay hay chỉ các cảm biến bên trong.
Do có niềm đam mê với khí tượng học, [Karl] đã xây dựng một trạm thời tiết. Thiết bị mới nhất trong số đó là cảm biến gió siêu âm, sử dụng thời gian truyền của các xung siêu âm để xác định tốc độ gió.
Cảm biến của Carla sử dụng bốn đầu dò siêu âm, được định hướng theo hướng bắc, nam, đông và tây, để phát hiện tốc độ gió. Bằng cách đo thời gian truyền của xung siêu âm giữa các cảm biến trong phòng và trừ đi các phép đo tại hiện trường, chúng ta thu được thời gian truyền cho mỗi trục và do đó là tốc độ gió.
Đây là một minh chứng ấn tượng cho các giải pháp kỹ thuật, kèm theo một báo cáo thiết kế chi tiết đến kinh ngạc.