بادسنج و آنمومتر

معرفی انواع دستگاه بادسنج یا آنمومتر
بادسنج وسیله‌ای است که از آن برای اندازه‌گیری سرعت و جهت باد استفاده می‌شود. این وسیله‌ همچنین به عنوان یکی از ابزارهای مرسوم در هر ایستگاه هواشناسی به حساب می‌آید. این نام از ریشه‌ی یونانی anemos گرفته شده است که به معنای باد است. از این ریشه‌ی یونانی برای تمامی ابزارهایی که در هواشناسی برای اندازه‌گیری سرعت باد به کار می‌روند، استفاده می‌شود. اولین توضیحی که در خصوص آنها ارائه شده است، توسط لئون بیان شده است.
تاریخچه
از زمان ابداع اولیه‌ی آن‌ها در قرن پانزدهم تا حدودی تغییر کرده‌اند. گفته شده است که لئون باتیستا آلبرتی (1404-1472)، برای اولین بار توانست تا در سال حدود 1450، اولین بادسنج مکانیکی را اختراع کند. در قرن‌های بعدی، بسیاری از افراد دیگری همچون روبرت هوک (1635-1703) نیز مدل‌های دیگری را ابداع نمودند .در سال 1846، جان توماس رومنی (1792-1882) توانست تا با استفاده از چهار فنجان نیم‌کره‌ای و چرخ‌های مکانیکی، مدلی را طراحی کند. در سال 1926، یکی از متخصصین هواشناسی کانادا به نام جان پاترسون (3 ژانویه‌ی سال 1872 – 22 فوریه‌ی 1956)، یک آنمومتر سه‌فنجانی را ابداع نمود. مدل او توسط بریوورت و جوینر در سال 1935، مقداری بهتر شد. در سال 1991، درک وستون نیز قابلیت اندازه‌گیری جهت باد را نیز به این دستگاه‌ها اضافه نمود. در سال 1994، آندریاس فلیش نیز یک بادسنج صوتی را اختراع نمود.

یکی دیگر از مدل‌های سرعت‌سنج مکانیکی برای باد، بادسنج‌های پره‌ای (بادنماها) هستند. این مدل‌ها را می‌توان به صورت یک آسیاب بادی یا آنمومتر‌های پروانه‌ای در نظر گرفت. بر خلاف بادسنج رابینسون، که محور آن به صورت عمودی است، این دستگاه باید دارای محوری موازی با جهت باد باشند و به همین دلیل، این محور افقی خواهد بود. علاوه بر این، با توجه به این‌که جهت باد همواره تغییر می‌نماید و در نتیجه، جهت محور نیز باید همراه با آن تغییر کند، بنابراین یک پره‌ی باد یا برخی دیگر از تمهیدات باید به گونه‌ای در نظر گرفته شوند که بتوانند همین هدف را برآورده نمایند.

بنابراین، در مدل پره‌ای، یک پره و یک دم بر روی یک محور مشخص با هم ترکیب می‌شوند تا سرعت درست و دقیق باد به دست آمده و جهت باد نیز با همین ابزار اندازه‌گیری شود. سرعت پروانه نیز بر حسب دور شمرده می‌شود و سپس، این تعداد دورها با استفاده از یک تراشه‌ی الکترونیکی به سرعت باد تبدیل می‌شوند. بنابراین در صورتی که سطح مقطع معلوم باشد، می‌تواند دبی حجمی را به دست آورد.
در مواردی مانند شفت دستگاه‌های تهویه در معدن‌ها و ساختمان‌ها که جهت باد همواره ثابت و یکسان است، پره‌های بادی که به آن‌ها هواسنج گفته می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرند و نتایج مطلوبی را هم ارائه می‌نمایند.
بادسنج‌های هات وایر (هوای داغ):
در بادسنج‌های هات وایر، از یک سیم ظریف (چند میلی‌متری) استفاده می‌شود. این سیم را با استفاده از برق تا چند درجه بالاتر از دمای محیط گرم می‌کنند. هوایی که از روی سیم عبور می‌کند، باعث می‌شود تا سیم خنک شود. از آن‌جا که مقاومت الکتریکی در بیشتر فلزات، به دمای فلز بستگی دارد (تنگستن، یکی از فلزات خوب برای مدل هات وایر به حساب می‌آید)، بنابراین، می‌توان رابطه‌ای را بین مقاومت سیم و سرعت جریان به دست آورد. در بیشتر موارد، نمی‌‌توان از این آنمومتر‌ها برای اندازه‌گیری جریان باد استفاده نمود، مگر آن‌که در کنار این دستگاه‌ها از یک پره‌ی باد نیز استفاده شود.

چندین روش برای اجرای این کار وجود دارد. دستگاه‌های هات وایر را می‌توان به مدل‌های CCA (بادسنج‌های جریان ثابت)، CVA (مدل ولتاژ ثابت) و CTA (نوع دما ثابت) دسته‌بندی نمود. بنابراین، ولتاژ خروجی از این بادسنج‌ها، نتیجه‌ای از نوعی مدارِ درون دستگاه است که سعی می‌نماید تا یک متغیر خاص (مانند جریان، ولتاژ یا دما) را بر اساس قانون اهم، ثابت نگه دارد.

علاوه بر این‌ها، از بادسنج‌های PWM (مدولاسیون پالس-عرض) هم استفاده می‌شود. در این مدل، سرعت از روی مدت زمانِ تکرار پالسِ جریان به دست می‌آید که مقاومتی خاص را در سیم به وجود می‌آورد و ثابت باقی می‌ماند، تا این‌که یک آستانه‌ی “کف” حاصل شود. در این موقع، پالس مجدداً ارسال می‌شود.

هر چند باد سنج‌های هات وایر بسیار حساس هستند، اما در مقایسه با سایر روش‌های اندازه‌گیری، دارای پاسخ فرکانسی بالا و رزولوشن فضایی ظریف هستند. به همین دلیل، از این بادسنج‌ها به وفور برای مطالعه‌ی دقیقِ جریا‌ن‌های آشفته یا هر جریان دیگری که در آن، نوسانات سرعت زیاد هستند، استفاده می‌شود.

یکی از مدل‌های صنعتی بادسنج‌های سیم ظریف، فلومترحرارتی است که از همین مفهوم استفاده می‌نماید، اما در این مدل، از دو پین یا رشته برای پایش تغییرات در دما استفاده می‌شود. این رشته‌ها از سیم‌های ظریف ساخته‌ شده‌اند، اما با توجه به این‌که این سیم‌ها در درون یک جعبه قرار داده می‌شوند، بادوام‌تر هستند و می‌توانند به شکل دقیق‌تری هوا، گاز و جریان آلاینده‌های خروجی از لوله‌ها، کانال‌ها و دودکش‌ها را اندازه‌گیری نمایند.
عملکرد بادسنج ها
در اینجا شما بادسنج هایی را برای اندازه گیری سرعت و فلوی هوا خواهید یافت. این دستگاه ها بر اساس نوع کاربرد بصورت باد سنج های هات وایر یا جیبی ساخته شده اند که تمامی آنها می توانند سرعت و فلوی هوا را اندازه گیری کنند. نتایج اندازه گیری سرعت و فلوی هوا را می توان در حافظه برخی از این دستگاه ها ذخیره کرد. این بادسنج ها برای اندازه گیری های فوری یا ثابت بسیار ایده آل هستند.

باد سنج هایی برای اندازه گیری سرعت و دبی حجمی هوا نیز وجود دارند. آنمومتر های جیبی باتوجه به کاربرد خاصی که دارند به صورت بادسنج های هات وایر، پره ای، فنجانی یا بادسنج های پرتابل ضدآب استفاده می شوند. و می توانید بادسنج های مناسبی را برای استفاده در صنعت یا برای کوهنوردی پیدا کنید.

به کمک این بادسنج ها می توان عملکرد سیستم های تهویه هوا را نیز بررسی کرد. هم چنین از این وسیله برای تعیین سرعت باد حین قایقرانی نیز استفاده می شود. بادسنج ها اساسی ترین دستگاه برای اندازه گیری سرعت باد در محل شما هستند. در پروژه های توربین بادی که یک اختلاف 1/0 متر بر ثانیه در سرعت باد در طولانی مدت می تواند تاثیر شدیدی بر قابل اجراشدن یا نشدن پروژه داشته باشد، استفاده از آنمومتر های با کیفیت می تواند مفید باشد. از آنجایی که برخی از باد سنج های ما مجهز به یک سیستم جمع آوری داده هستند می توان داده های اندازه گیری شده را روی حافظه داخلی آنها ذخیره کرد. علاوه بر این شما می توانید نتایج بدست آمده را بعدا روی کامپیوتر یا لپ تاپ خود بریزید تا به راحتی به آنها دسترسی داشته باشید و بتوانید آنها را آنالیز کنید.
اطلاعات کلی در مورد آنمومتر ها :
بادسنج یا anemometer (در زبان یونانی anemos به معنای باد است) برای اندازه گیری سرعت باد استفاده می شود. سرعت باد توسط یک بادسنج در ارتفاع 10 متری زمین استانداردسازی خواهد شد چون سرعت باد به شدت با مکان تغییر می کند. اندازه گیری سرعت باد را می توان برحسب نوع سازه بصورت حرارتی (بادسنج های هات وایر) و توسط سرمایش باد یک سیم داغ و هم چنین به شکل مکانیکی یا توسط فشار (بادسنج های لوله پیتو) انجام داد. جدیدترین فناوری در این دستگاه ها از امواج مافوق صوت استفاده می کند. این نوع دستگاه ها در مقایسه با باد سنج های رایج بسیار گران هستند.
باد سنج فنجانی
زمانی که باید نیروی باد را مستقل از جهت وزش آن تعیین کنیم از بادسنج های فنجانی استفاده می شود. زمانی که باد به وسط پوسته ها برخورد می کند یک مومنتوم زاویه ای ایجاد می شود: این مومنتوم از طریق دستگاه های الکترونیکی به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شود. سرعت باد در این نوع آنمومتر معمولا روی یک نمایشگر LCD نمایش داده می شود. از این نوع بادسنج در هواشناسی یا برای اندازه گیری شرایط باد قبل از راه اندازی نیروگاه بادی استفاده می شود.
بادسنج پره ای
یک مومنتوم زاویه ای توسط برخورد باد با پره ها حین استفاده از بادسنج پره ای بوجود می آید. چرخش بدست آمده روی نمایشگر آنمومتر نمایش داده می شود. برای نمونه، یک سنسور نور چنگالی حین استفاده از بادسنج پره ای یک تکانه یا ضربه برای اندازه گیری سرعت باد به دستگاه الکترونیکی می دهد. بدلیل سرعت راه اندازی دستگاه مشکلاتی در این نوع بادسنج رخ می دهد چون برای چرخیدن پره ها به یک سرعت باد خاص نیاز است. البته بادسنج های پره ای جدید این مشکل را ندارند چون بسیار کوچک هستند و به همین دلیل نیروی اصطکاک در آنها را می توان مینیمم کرد. باید به یاد داشت که اندازه گیری مستقل از جهت باد با این دستگاه غیرممکن است. از این نوع باد سنج معمولا برای قایقرانی یا ورزش های آبی استفاده می شود.
بادسنج مافوق صوت
این نوع بادسنج با 4 فرستنده و گیرنده مافوق صوت کار می کند. یک تاخیر در انتشار سیگنال بدلیل بادی که بین اجزای مافوق صوت جریان می یابد بوجود می آید. بادسنج مافوق صوت این تاخیر را اندازه گیری می کند، بنابراین می تواند برحسب سرعت جریان باد نتیجه گیری کند. مزیت این دستگاه در مقایسه با باد سنج های دیگر این است که هیچ قطعه قابل تعویضی در آن وجود ندارد. مزیت دیگر این نوع آنمومتر آن است که در کنار سرعت جریان می تواند جهت جریان باد را نیز با دقت خوب اندازه گیری کند. از این دستگاه در هواشناسی، صنعت کشاورزی و قایقرانی استفاده می شود.
بادسنج حرارتی یا هات وایر
حین استفاده از بادسنج هات وایر یک المنت سنسور توسط جریان برق گرما داده می شود. مقاومت الکتریکی بدلیل گرمایش قطعه تعبیه شده در بادسنج تغییر می کند. گرما به دلیل جریان باد عبوری به درون محیط منتشر می شود. انتقال حرارت با سرعت جریان ارتباط دارد. این بادسنج پارامترهای الکتریکی را اندازه گیری می کند. بنابراین باد سنج حرارتی می تواند بر اساس سرعت جریان اندازه گیری ها را انجام دهد. سنسور استفاده شده در یک بادسنج حرارتی می تواند به صورت سیم باشد یا به شکل فیلم نازک باشد. اندازه گیری با این نوع بادسنج همیشه به جهت باد وابسته است. از این نوع آنمومتر معمولا برای تست های در دمنده استفاده می شود.