كيفية حساب سرعة الرياح باستخدام مقياس سرعة الرياح؟

ابتكر ليون باتيستا ألبيرتي، حوالي عام 1450، أول جهاز ميكانيكي لقياس سرعة الرياح (مقياس سرعة الرياح)، مُسلطًا الضوء على جهود البشر الدؤوبة على مرّ القرون في تحديد سرعة الهواء. وقد جعل الاستخدام الواسع النطاق لمقاييس سرعة الرياح في العصر الحديث، إلى جانب التوسع الصناعي الكبير والتقدم في مجال إلكترونيات الطيران، هذه المقاييس ضرورية لبقاء الحضارات. وتلعب مقاييس سرعة الرياح دورًا حاسمًا في حساب سرعة الطائرات النفاثة وتحديد الوقت الأمثل لتفريغ مداخن المصانع.

تختلف طريقة حساب سرعة الرياح باستخدام مقياس سرعة الرياح باختلاف نوعه وآلية عمله. ستبدأ هذه المقالة بشرح أساسيات مقاييس سرعة الرياح، وأنواعها، وآلية عملها، وتطبيقاتها، ومنهجية حساب سرعة الرياح، ونصائح لصيانة هذه المقاييس. فلنبدأ بمستشعرات مقياس سرعة الرياح الأساسية!

فهم أجهزة قياس سرعة الرياح: ما هي ولماذا هي مهمة

مقياس سرعة الرياح هو جهاز يقيس سرعة الهواء، وأحيانًا اتجاهه، عبر آلية ميكانيكية أو إلكترونية. وبحسب تصميمه واستخدامه، يمكن أن يكون مقياس سرعة الرياح محمولًا باليد أو مثبتًا في خط مستقيم. وقد يحسب سرعة الرياح باستخدام قوة السحب، أو الضغط الديناميكي، أو انتقال الحرارة، أو تأخير الصوت.

كما ذكرنا سابقاً، سعى الإنسان جاهداً لحساب سرعة الرياح لأهميتها البالغة في أشرعة السفن والملاحة. ومع مرور الوقت، وجد الإنسان استخداماً لأجهزة قياس سرعة الرياح في الزراعة والهندسة المعمارية والتنبؤات الجوية المبكرة. وهذه هي القطاعات الرئيسية في العصر الحديث.

أنواع مقاييس سرعة الرياح: من الكوب إلى الموجات فوق الصوتية

تتوفر أجهزة قياس سرعة الرياح بأشكال وآليات عمل متنوعة. والغرض من جميع أنواعها هو قياس سرعة الهواء. مع ذلك، قد يكون بعضها أكثر دقة، بينما قد يكون البعض الآخر مناسبًا للتطبيقات واسعة النطاق. فيما يلي الأنواع الخمسة الرئيسية لأجهزة قياس سرعة الرياح:

1. مقياس سرعة الرياح ذو الأكواب: البساطة والموثوقية

إنها أبسط طريقة لقياس سرعة الرياح. يتكون مقياس سرعة الرياح من ثلاثة أو أربعة أكواب، محورها موازٍ لاتجاه الرياح. يعتمد عدد الأكواب على التصميم والمواصفات. توفر الأكواب مقاومة هواء أكبر في اتجاه وأقل في الاتجاه المعاكس، مما يؤدي إلى دوران العمود الذي تُركّب عليه. يُمثل دوران العمود سرعة الرياح. هذه الطريقة فعّالة لقياس سرعات رياح تتراوح من 0 إلى 70 مترًا في الثانية (من 0 إلى 157 ميلًا في الساعة).

2. مقياس سرعة الرياح ذو الريشة: دقة الاتجاه

كما يوحي الاسم، تستخدم مقاييس سرعة الرياح ذات الشفرات شفراتٍ شبيهة بشفرات المراوح لقياس سرعة الرياح. يتضمن تصميمها شفراتٍ متعددة متصلة بمحور يدور عند تعرضه للرياح. عادةً ما تكون هذه الأجهزة محمولة باليد، وهي مصممة لقياس سرعة الهواء بسرعة. في الصناعات، تُعدّ هذه المقاييس مثالية لدراسات التكييف والتهوية، والدراسات البيئية، ودراسات الطقس. توفر هذه المقاييس دقةً عالية، حيث تتراوح قدرتها على قياس سرعة الرياح بين 0.4 و30 مترًا في الثانية (80 إلى 590 قدمًا في الدقيقة).

3. مقاييس سرعة الرياح السلكية الساخنة: الدقة في السرعات المنخفضة

يستخدم مقياس سرعة الرياح ذو السلك الساخن انتقال الحرارة لحساب سرعة الرياح بدقة عند السرعات المنخفضة. يستطيع هذا النوع من المقاييس رصد سرعات رياح تتراوح بين 15 و30 مترًا في الثانية (أو من 30 إلى 5900 قدم في الدقيقة). ويعتمد في قياس سرعة الرياح على تغير مقاومة السلك مع درجة الحرارة. تتوفر هذه المقاييس بنوعين: محمول باليد أو مثبت على خط الرياح.

4. مقاييس سرعة الرياح فوق الصوتية: تقنية متقدمة

تُعدّ هذه بعضًا من أحدث أجهزة قياس سرعة الرياح، وتتميز بالعديد من المزايا مقارنةً بطرق القياس التقليدية. فهي لا تحتوي على أجزاء متحركة، مما يجعلها مثالية للاستخدام طويل الأمد. كما أن متطلبات معايرتها بسيطة للغاية، وتُنتج نتائج عالية الدقة. بإمكانها تحديد سرعة الرياح واتجاهها بدقة تصل إلى ±2%. تصميمها المتين يجعلها تدوم طويلًا مع أدنى حد من التلف أو انعدامه.

5. مقياس سرعة الرياح ذو أنبوب بيتوت: قياس عالي السرعة

يكشف أنبوب بيتوت عن سرعات الرياح المنخفضة بتحويل سرعة الرياح إلى ضغط. فهو يحد من تدفق الهواء إلى الصفر، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط داخل جهاز قياس سرعة الرياح. يحدّ آلية عمله من قدرته على رصد سرعات الرياح المنخفضة. مع ذلك، يمكنه قياس سرعات الهواء العالية، والتي تتراوح عادةً بين 0 و80 مترًا في الثانية، في التطبيقات الصناعية. وقد شاع استخدام أنابيب بيتوت في استشعار سرعة الطائرات.

كيف تعمل أجهزة قياس سرعة الرياح: العلم وراء قياس سرعة الرياح

إن فهم العلم الكامن وراء عمل هذه المستشعرات وأجهزة الكشف يُسهم في استخدامها الأمثل. إليكم آلية عمل هذه المستشعرات:

- مبادئ مقاييس سرعة الرياح الدورانية

تشمل مقاييس سرعة الرياح الدورانية نوعين: مقاييس الرياح ذات الريش ومقاييس الرياح ذات الكأس. وتعتمد هذه المقاييس على تدوير عمود تتناسب سرعة دورانه طرديًا مع سرعة الرياح. وتستخدم مكونات ميكانيكية تدور عند تعرضها لقوة. ويمكن قياس سرعة الرياح من خلال دوران العمود بطرق ميكانيكية وإلكترونية.

قد يحتوي مقياس سرعة الرياح الدوراني على عداد ميكانيكي يسجل عدد الدورات، ويمكن للمستخدمين تحويلها إلى سرعة باستخدام نموذج رياضي. وفي حالة أخرى، تحوّل مقاييس سرعة الرياح الدورانية الإلكترونية هذه الدورات إلى قيمة مباشرة لسرعة الرياح بناءً على معايرتها. وطبيعتها الميكانيكية تجعلها عرضة للتلف والاهتراء.

- قياس سرعة انتقال الحرارة:

تستخدم التقنية الحرارية، مثل مقياس سرعة الرياح ذي السلك الساخن، سلكًا كهربائيًا لقياس سرعة الرياح. يُسخّن السلك المقاوم، المصنوع من التنجستن أو البلاتين أو سبيكة البلاتين والإيريديوم، باستخدام دائرة كهربائية. تحافظ هذه الدائرة إما على تيار ثابت يمر عبر السلك أو على درجة حرارة ثابتة للسلك.

• التيار الثابت: في حالة التيار الثابت، يسخن السلك عند مرور التيار فيه. وعندما يمر الهواء فوق السلك، تتغير درجة حرارته بما يتناسب مع سرعة الهواء.

• درجة حرارة ثابتة: في تصميم درجة الحرارة الثابتة، تحافظ الدائرة على درجة الحرارة، بينما يؤدي تدفق الهواء فوقها إلى زيادة التيار الكهربائي للحفاظ على درجة الحرارة. ويشير التيار إلى سرعة الهواء.

إن تعرض الأسلاك لدورة تسخين وتبريد متكررة سيؤدي في النهاية إلى فشلها تحت تأثير الإجهادات الحرارية.

- قياس سرعة الصوت: استخدام الموجات الصوتية

تُعدّ أجهزة قياس سرعة الرياح الصوتية من أكثر أجهزة استشعار سرعة الرياح تطوراً وموثوقية ودقة ومتانة وعمراً طويلاً. فهي تستخدم ترددات صوتية فوق صوتية للكشف عن سرعة الرياح. ولا حاجة للتحقق من اتجاه الرياح، إذ يكشف الجهاز عن السرعة والاتجاه باستخدام نفس مجموعة المستشعرات.

يستخدم المستشعر جهاز إرسال وعاكسًا ومستقبلًا لقياس سرعة الرياح. يُمثل زمن انتقال الصوت عبر الهواء وعودته بعد انعكاسه سرعة الرياح. وتُشير مجموعة من المستشعرات المتعددة في اتجاهات مختلفة، وتغير زمن انتقال الصوت فيها، إلى اتجاه الرياح. ويعتمد هذا النظام على نظرية زمن انتقال الصوت.

- قياس سرعة الرياح باستخدام الضغط: شرح أنابيب بيتوت

يُعد أنبوب بيتوت أدقّ مقياس لسرعة الهواء في السرعات العالية، إذ تصل دقته إلى ±5% من النطاق الكامل. ويعتمد هذا الأنبوب على ظاهرة تحويل الضغط الديناميكي إلى ضغط ثابت. وتوضح معادلة برنولي أن الضغط الثابت يزداد عند إيقاف تدفق الهواء المتحرك، ويُعرف أيضًا بضغط الركود. وتشير شدة هذا الضغط إلى سرعة الهواء. يحتوي أنبوب بيتوت على فتحة صغيرة قبل المستشعر تعمل على إيقاف تدفق الهواء، فينتقل الضغط إلى مستشعر الضغط، مُولِّدًا إشارة ضغط تتناسب مع سرعة الهواء.

دليل خطوة بخطوة: كيفية حساب سرعة الرياح باستخدام مقياس سرعة الرياح

يُعدّ حساب سرعة الرياح باستخدام مقياس سرعة الرياح الحديث أمرًا بسيطًا وسريعًا. ومع ذلك، لضمان دقة النتائج وملاءمتها لاحتياجاتك، قد تكون الخطوات التالية مفيدة:

الخطوة 1: إعداد مقياس سرعة الرياح للحصول على قراءات دقيقة

الخطوة الأولى هي التأكد من توافق استخدامك مع مواصفات مقياس سرعة الرياح. تأكد من اختيار النوع المناسب للغرض المطلوب. للكشف عن الرياح في التنبؤات الجوية، استخدم مقياس سرعة الرياح فوق الصوتي أو ذو الأكواب. لأغراض التكييف والتهوية أو المعايرة، استخدم مقياس سرعة الرياح ذو الريش أو السلك الساخن. لقياس سرعة الهواء العالية، استخدم أنبوب بيتوت.

اتبع إرشادات الشركة المصنعة لضمان دقة قراءات مقياس سرعة الرياح. ستوفر لك هذه الإرشادات أساسيات قياس سرعة الرياح، مثل الاتجاه الصحيح، وطريقة الإمساك، وطريقة التركيب، وفحوصات المعايرة، والصيانة. ضع في اعتبارك العوامل البيئية مثل المطر والرطوبة والحرارة.

الخطوة الثانية: قراءة وتفسير بيانات مقياس سرعة الرياح

تحتوي معظم أجهزة قياس سرعة الرياح على شاشة مدمجة تعرض النتائج مباشرةً. مع ذلك، تتطلب أجهزة قياس سرعة الرياح التي توفر مخرج RS232/RS485 (Modbus/NMEA-0183) أو SDI-12 واجهة حاسوبية لتفسير النتائج.

الخطوة 3: حساب سرعة الرياح من البيانات الأولية

البيانات الرقمية هي ببساطة تحويل للبيانات الكهربائية التناظرية بصيغتها الحالية. يجب بعد ذلك تحويل البيانات الرقمية إلى نتائج قابلة للتفسير (مثل: م/ث، كم/س، عقدة). يتطلب ذلك استخدام معادلات التحويل والبرامج المناسبة. توفر الشركات المصنعة لأجهزة استشعار سرعة الرياح برامج تسمح بمعايرة الإشارات وتفسيرها.

الخطوة الرابعة: استكشاف أخطاء القياس الشائعة وإصلاحها

تتضمن بعض أخطاء القياس المعيارية ما يلي:

• اتجاه التركيب خاطئ
• الخسائر الاحتكاكية في أجهزة قياس سرعة الرياح الميكانيكية
• تأثير الطقس
• تداخل في الإشارة الرقمية مع الكابلات غير المحمية
• تشمل العوائق المادية الجدران والأشجار والمباني وما إلى ذلك.
• تأثير اهتزازي
• الأخطاء البشرية

راقب إعداد جهاز قياس سرعة الرياح للتأكد من أن أخطاء القياس المذكورة أعلاه لا تؤثر على نتائجك.

اختيار مقياس سرعة الرياح المناسب: عوامل يجب مراعاتها

يُعد اختيار مقياس سرعة الرياح المناسب أمرًا بالغ الأهمية لضمان دقة النتائج. عند التفكير في شراء مستشعر مقياس سرعة الرياح، حلل العوامل التالية قبل اتخاذ قرار الشراء:

● الدقة ونطاق القياس

تختلف متطلبات الدقة ونطاق القياس باختلاف التطبيق (إلكترونيات الطيران، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وتقارير الطقس، والبحوث، إلخ). تأكد من أن سرعة قياس الهواء تقع ضمن نطاق نوع وتصميم مقياس سرعة الرياح لديك. استخدم الجدول التالي كمرجع:

● الاعتبارات البيئية : المتانة ومقاومة العوامل الجوية

تُوفر أجهزة الاستشعار فوق الصوتية قراءات دقيقة في المطر والظروف الجوية القاسية، إذ يسمح تصميمها الداخلي لها بالعمل في جميع الظروف. وبالمثل، يُمكن لأنبوب بيتوت أن يُقدم نتائج في الهواء عالي السرعة مع الحفاظ على كفاءته الكاملة. أما جهاز قياس التيار الساخن فهو حساس للرطوبة والغبار، مما يجعله مثاليًا للاستخدام الداخلي فقط. ويتعرض كل من الكوب والريشة للتآكل نتيجة الأجزاء المتحركة، وقد يتطلبان معايرة دورية لموازنة المقاومة المتزايدة في أجزائهما.

● متطلبات التقديم المحددة

فيما يلي بعض توصياتنا بناءً على الطلبات المقدمة:

• • مقياس سرعة الرياح ذو الكأس: الأرصاد الجوية، ودراسات طاقة الرياح، ومحطات الأرصاد الجوية، والرصد العام للرياح في الهواء الطلق
  • مقياس سرعة الرياح ذو الريشة: أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، والمراقبة البيئية، وأنظمة التهوية الصناعية
  • مقياس سرعة الرياح السلكي الساخن: أبحاث مخبرية، دراسات تدفق الهواء، مراقبة الغرف النظيفة، تدفق الهواء الداخلي منخفض السرعة
  • مقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية: التحكم في توربينات الرياح، والأرصاد الجوية، والتطبيقات البحرية، والبيئات الخارجية القاسية
  • أنبوب بيتوت (أنبوب الضغط): الطيران، اختبارات نفق الرياح، قياس تدفق الهواء عالي السرعة

● الميزانية والفعالية من حيث التكلفة

يُعدّ ترشيد التكاليف في المشاريع الهندسية أمرًا بالغ الأهمية لضمان جدواها وتسويقها. يجب أن يكون مشروعك مُجديًا ماليًا لتلبية طلب السوق، لذا ضع الميزانية في اعتبارك دائمًا. قد يكون استخدام مستشعر فوق صوتي ذي مدى ودقة أقل للتنبؤ بالطقس خيارًا حكيمًا بدلًا من شراء مقياس سرعة دوار باهظ الثمن ذي دقة أعلى. لذا، ضع التكلفة في الحسبان قبل اتخاذ أي قرار شراء.

الخلاصة : تسخير قوة قياس سرعة الرياح

تُعدّ أجهزة قياس سرعة الرياح ضرورية للتطبيقات الصناعية الحديثة، إذ توفر قياسات دقيقة لسرعة الهواء أو سرعة الرياح في الوقت الفعلي. وتُستخدم هذه القياسات في التنبؤات الجوية، وتحليل توزيع انبعاثات المداخن، وأنظمة التكييف والتهوية، والتحكم في أنظمة التوربينات، وغيرها الكثير. تتطلب هذه التطبيقات أنواعًا مختلفة من أجهزة قياس سرعة الرياح، مما يُحسّن من دقة القياسات، ويُعزز أحيانًا من دقتها، بينما يُركز أحيانًا أخرى على متانتها.

عموماً، تشهد تقنية أجهزة قياس سرعة الرياح تطوراً مستمراً. توفر أجهزة قياس سرعة الرياح بتقنية دوبلر الليزرية والموجات فوق الصوتية قياسات دقيقة دون الحاجة إلى حركات ميكانيكية. ومن المتوقع أن تتحسن دقة هذه المستشعرات وسهولة استخدامها بشكل أكبر.

إذا كنت ترغب في استكشاف أحدث التقنيات المتطورة والفعّالة من حيث التكلفة في قياس سرعة الرياح، فاستكشف أجهزة استشعار سرعة الرياح من ريكا . تُقدم ريكا مجموعة واسعة من أجهزة استشعار الرياح ومحطات الأرصاد الجوية لتطبيقات متنوعة. تفضل بزيارة موقعهم الإلكتروني لتوسيع معرفتك وخبراتك!