ما هو المستشعر الكهرضغطي؟ ما هو جهاز استشعار سرعة الرياح كأس الرياح؟
1. مقدمة لأجهزة الاستشعار
المستشعر (الاسم باللغة الإنجليزية: محول/مستشعر) هو جهاز كشف يمكنه استشعار المعلومات المقاسة وتحويل المعلومات المستشعرة إلى إشارات كهربائية أو أشكال أخرى مطلوبة لإخراج المعلومات وفقًا لقواعد معينة لتلبية متطلبات نقل المعلومات ومعالجتها وتخزينها والعرض والتسجيل والتحكم. نظرًا لتعدد أنواع المستشعرات، يقدم المحرر في هذه المقالة فقط المستشعر الكهرضغطي ومستشعر سرعة الرياح.
2. جهاز استشعار كهرضغطية
أولاً، دعونا نلقي نظرة على بعض المعرفة ذات الصلة بأجهزة الاستشعار الكهرضغطية. أجهزة استشعار الضغط هي أجهزة الاستشعار الأكثر استخدامًا في الممارسة الصناعية، ويتم تصنيع أجهزة استشعار الضغط التي نستخدمها عادةً باستخدام التأثير الكهرضغطي. وتسمى هذه المستشعرات أيضًا بأجهزة الاستشعار الكهرضغطية.
تشمل المواد الكهرضغطية المستخدمة بشكل رئيسي في أجهزة الاستشعار الكهرضغطية الكوارتز، وطرطرات الصوديوم والبوتاسيوم، وفوسفات هيدروجين الأمونيوم. من بينها، الكوارتز (ثاني أكسيد السيليكون) هو بلورة طبيعية، ويوجد التأثير الكهرضغطي في هذه البلورة. ضمن نطاق درجة حرارة معين، الخاصية الكهرضغطية موجودة دائمًا، ولكن عندما تتجاوز درجة الحرارة هذا النطاق، تختفي الخاصية الكهرضغطية تمامًا (درجة الحرارة المرتفعة هذه هي ما يسمى "نقطة كوري"). نظرًا لأن المجال الكهربائي يتغير قليلاً مع تغير الضغط (أي أن معامل الكهرضغطية منخفض نسبيًا)، يتم استبدال الكوارتز تدريجيًا ببلورات كهرضغطية أخرى. تتميز طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم بحساسية كهرضغطية كبيرة ومعامل كهرضغطية، ولكن لا يمكن تطبيقها إلا في بيئة ذات درجة حرارة ورطوبة منخفضة نسبيًا للغرفة. فوسفات هيدروجين الأمونيوم عبارة عن بلورة صناعية يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية والرطوبة العالية نسبيًا، لذلك تم استخدامها على نطاق واسع.
3. مستشعر سرعة الرياح في كوب الرياح
بعد فهم المعرفة ذات الصلة بالمستشعر الكهرضغطي، دعونا نلقي نظرة على بعض محتوى المستشعر المخصص لكأس الرياح.
يعد مستشعر سرعة الرياح على شكل كأس الرياح أحد أجهزة استشعار سرعة الرياح الشائعة جدًا، والتي اخترعها روبنسون لأول مرة في إنجلترا. في الصين، تم استخدام مستشعر سرعة الرياح على نطاق واسع. يتكون جزء الاستشعار من مستشعر سرعة الرياح لكوب الرياح من ثلاثة أو أربعة أكواب فارغة مخروطية أو نصف كروية. يتم تثبيت غلاف الكوب المجوف على الأقواس ثلاثية الشكل على شكل نجمة عند 120 درجة أو على الأقواس المتقاطعة على شكل 90 درجة مع بعضها البعض. يتم ترتيب الأسطح المقعرة للأكواب في اتجاه واحد، ويتم تثبيت إطار الذراع المتقاطع بأكمله على محور دوران رأسي.
عندما تهب الرياح من اليسار، يكون كوب الريح 1 موازيًا لاتجاه الريح، وتكون القوة المكونة لضغط الريح على كوب الريح 1 في الاتجاه الأكثر عموديًا على محور كوب الريح صفرًا تقريبًا. تتقاطع كؤوس الرياح 2 و 3 مع اتجاه الريح بزاوية 60 درجة. بالنسبة لكأس الرياح 2، فإن سطحه المقعر يواجه الريح ويتحمل أكبر ضغط للرياح؛ كوب الريح 3 له سطح محدب يواجه الريح، والرياح المحيطة به تجعل ضغط الريح أصغر من ضغط الريح 2. بسبب اختلاف الضغط بين كوب الريح 2 وكوب الريح 3 في الاتجاه العمودي على محور الريح كوب الرياح، يبدأ كوب الرياح بالدوران في اتجاه عقارب الساعة.
بعد أن يبدأ كوب الريح بالدوران، لأن الكوب 2 يدور في اتجاه الريح، ينخفض ضغط الريح نسبيًا، بينما يدور الكوب 3 عكس الريح بنفس السرعة، فيزداد ضغط الريح نسبيًا، ويختلف ضغط الريح يستمر في التناقص. بعد فترة من الزمن (سرعة الرياح الثابتة)، عندما يكون فرق الضغط الجزئي المؤثر على أكواب الرياح الثلاثة صفرًا، ستدور أكواب الرياح بسرعة موحدة. وبهذه الطريقة يمكن تحديد سرعة الرياح وفقًا لسرعة كوب الريح (دورات في الثانية).
عندما يدور كوب الريح، فإنه يدفع قرص القطع المحوري متعدد الأسنان أو القضيب المغناطيسي إلى الدوران، ويحصل على إشارة نبضية تتناسب مع سرعة كوب الريح عبر الدائرة. يتم حساب إشارة النبض بواسطة العداد، ويمكن الحصول على قيمة سرعة الرياح الفعلية بعد التحويل. في الوقت الحاضر، يستخدم مقياس شدة الريح الدوار الجديد ثلاثة أكواب، وأداء الكوب المخروطي أفضل من أداء الكوب النصف كروي. عندما تزيد سرعة الرياح، يمكن للدوار زيادة السرعة بسرعة لتتناسب مع سرعة تدفق الهواء. عندما تنخفض سرعة الرياح، بسبب تأثير القصور الذاتي، لن تنخفض سرعة الرياح على الفور. تشير مقاييس شدة الريح الدوارة عادةً إلى سرعة رياح عالية جدًا في العواصف ولها تأثير كبير (تنتج خطأ متوسطًا يبلغ حوالي 10 بالمائة).
