ما هي الاختلافات بين أجهزة استشعار الرياح الميكانيكية وأجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية؟

هل تعلم أن أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية قادرة على رصد هبات الرياح التي لا تتجاوز مدتها ثانية واحدة؟ يتجه العالم نحو استخدام أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية الحديثة، مما يجعل أجهزة استشعار الرياح الميكانيكية قديمة الطراز. تتميز أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية بالموثوقية، وقلة الصيانة، ودقتها العالية مقارنةً بأجهزة استشعار الرياح الميكانيكية. حتى في الظروف الجوية القاسية، توفر أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية نتائج موثوقة وقابلة للتكرار بشكل ممتاز.

تتكون مستشعرات الرياح هذه بشكل أساسي من إلكترونيات أشباه الموصلات، وهي خالية من الأجزاء المتحركة. ولعدم وجود حركة مادية، فهي لا تتطلب صيانة دورية. تحتوي هذه المستشعرات على مجموعة من المحولات التي تُصدر موجات صوتية تنتقل عبر الهواء، ويتم رصدها عند الطرف الآخر. ويتغير زمن انتقال هذه الموجات الصوتية من طرف إلى آخر تبعًا لسرعة الرياح واتجاهها.

إضافةً إلى دقتها الاستثنائية، تُتيح مستشعرات سرعة الرياح فوق الصوتية الحصول على بيانات فورية عند سرعات رياح منخفضة للغاية دون قيود دنيا، وقياسات بزوايا صغيرة دون حدود. هل أنت مستعد للاستغناء عن مستشعرات الرياح الميكانيكية؟ تابع القراءة لمقارنة شاملة.

الفرق الأساسي بين أجهزة استشعار الرياح باختصار

يختلف تصميم آلية العمل وتقنية الكشف ومستشعر الرياح الميكانيكي والموجات فوق الصوتية اختلافًا جذريًا. فيما يلي النقاط الأساسية التي يجب مراعاتها عند المقارنة بين مستشعرات الرياح الميكانيكية والموجات فوق الصوتية:

مستشعر السرعة الميكانيكية

➢ طريقة التشغيل: تعتمد على مكونات مادية تتفاعل مع الرياح لقياس السرعة والاتجاه

➢ التكلفة: عادةً ما تكون أقل تكلفة

➢ القيود: يتطلب الجهاز حدًا أدنى من سرعة الرياح لتوليد البيانات، وهو عرضة للتلف والتآكل، مما قد يؤثر على دقته بمرور الوقت.

➢ الصيانة: تتطلب صيانة دورية ومعايرة متكررة

➢ التطبيق: متطلبات الدقة المنخفضة مثل الزراعة

مستشعر سرعة بالموجات فوق الصوتية

➢ طريقة التشغيل: تستخدم الموجات الصوتية لتحديد سرعة الرياح واتجاهها دون مكونات مادية

➢ الأداء: يوفر دقة عالية، وقابلية للتكرار، والقدرة على القياس عند سرعات رياح منخفضة للغاية.

➢ التكلفة: عادةً ما تكون تكلفة الاستثمار الأولي أعلى مقارنةً بالمستشعرات الميكانيكية

➢ الصيانة: لا يتطلب إصلاحًا أو تشحيمًا، مع معايرة غير متكررة.

➢ التطبيق: دقة عالية مثل البحث والاستخدام الصناعي

مستشعر الرياح الميكانيكي

تستخدم أجهزة استشعار الرياح الميكانيكية التقنية القديمة المتمثلة في تحريك الأجزاء الدوارة لقياس سرعة الرياح واتجاهها . قد يحتوي جهاز الاستشعار على مولد كهربائي داخله يُولّد تيارًا يتناسب مع سرعة الرياح، أو قد تقوم الدوائر الإلكترونية بوظيفة مماثلة.

نظراً لاحتوائها على أجزاء متحركة، فإنها تتطلب صيانة دورية. تُستخدم أجهزة استشعار الرياح الميكانيكية في الزراعة والمواقع الأرصادية، حيث لا تتطلب هذه التطبيقات دقة عالية. كما أن تكلفة تركيبها تجعلها في متناول اليد نسبياً .

أنواع أجهزة استشعار الرياح الميكانيكية

1. مقياس سرعة الرياح للمراوح

يتكون الجهاز من مروحة تقيس سرعة الرياح وريشة تقيس اتجاهها. وهو يشبه طاحونة الهواء في شكله، لكنه أصغر حجماً. ويولد طاقة تتناسب طردياً مع سرعة دوران المروحة. وتتسبب الرياح في تغيير اتجاه المروحة، لذا تُقاس السرعة والاتجاه في آن واحد.
 

2. مقياس سرعة الرياح ذو لوحة الضغط

تعمل هذه المجسات الهوائية على تحويل الضغط إلى سرعة الرياح من خلال الانحراف الميكانيكي. وهي مثالية للتطبيقات العلمية التي تتطلب دقة عالية. مع ذلك، فهي تفتقر إلى إمكانية التكرار وتحتاج إلى معايرة متكررة.

3. مقياس سرعة الرياح ذو الأكواب

مستشعر الرياح عبارة عن هيكل دوّار يتكون من ثلاثة أو أربعة أكواب لقياس سرعة الرياح. يحوّل دوران هذه الأكواب إشارة كهربائية تُستخدم لقياس سرعة الرياح. ويكشف المستشعر تغيرات اتجاه الرياح باستخدام دوارة ميكانيكية، حيث يحدد اتجاه الرياح من خلال دورانها.

4. مقياس سرعة الرياح ذو الريش

يحتوي هذا النوع على مراوح أو توربينات تدور لقياس سرعة الرياح، ويضمن الريش توجيهها مع اتجاه الرياح. كما يوفر الريش اتجاه الرياح.

5. مقياس سرعة الرياح السلكي الساخن

يتكون من سلك يتم تسخينه بواسطة تيار كهربائي. عندما يتدفق الهواء، يبرد السلك، ويتم قياس معدل التبريد وتحويله إلى سرعة الرياح.
 

مخرج مستشعر الرياح الميكانيكي

يُخرج المستشعر الميكانيكي إشارةً لقياس سرعة الرياح، إما بجهد كهربائي أو تيار، يتناسب طرديًا مع سرعة الرياح. أما لقياس اتجاه الرياح، فنستخدم مقياس جهد كهربائي. ويكون اتجاه الرياح مساويًا لإشارة خرج مقياس الجهد الكهربائي.

مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية

لا تحتوي أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية على أجزاء ميكانيكية. فهي تتكون من جهاز استقبال وجهاز إرسال لموجات صوتية فوق صوتية تقيس سرعة الرياح واتجاهها. وتشتهر هذه الأجهزة بدقتها العالية وموثوقيتها.

أنواع أجهزة استشعار الرياح بالموجات فوق الصوتية

1. مستشعرات الرياح فوق الصوتية ثنائية الأبعاد

يقيس هذا النوع من مقاييس سرعة الرياح سرعة الرياح في بُعدين باستخدام محولين لإرسال واستقبال الإشارات. تؤثر سرعة الرياح واتجاهها على زمن النبضات؛ وتقوم هذه التقنية بحساب السرعة والاتجاه.

2. رياح فوق صوتية ثلاثية الأبعاد

على غرار النوع ثنائي الأبعاد، يستخدم هذا النوع نفس المبدأ للكشف عن سرعة الرياح واتجاهها، ولكنه أكثر تعقيدًا لاحتوائه على عدة محولات طاقة. يوفر معلومات تفصيلية حول سرعة الرياح في الاتجاهين الرأسي والأفقي، بالإضافة إلى معلومات حول الاضطرابات الجوية.

3. مستشعرات الرياح فوق الصوتية صغيرة الحجم

هذه الأجهزة صغيرة الحجم ومدمجة للغاية مقارنةً بالأجهزة العادية، لكنها تستخدم مبادئ قياس السرعة والاتجاه الأساسية من أجهزة قياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية. كما أنها تتميز بكونها موفرة للطاقة وخفيفة الوزن.  

4. مستشعرات الرياح فوق الصوتية المُسخّنة

تحافظ العناصر المُسخّنة في هذه الحساسات على درجة حرارة مُحددة لضمان دقة القياس وحمايتها من الثلج الذي قد يُسبب قراءات غير دقيقة نتيجةً لتداخل النبضات الصوتية. في المناخات الباردة

5. أجهزة استشعار الرياح بالموجات فوق الصوتية عالية الدقة

تقيس هذه المستشعرات سرعة الرياح واتجاهها بدقة ووضوح عاليتين. وهي مزودة بمحولات طاقة عالية الجودة وخوارزميات حسابية متطورة؛ وتتشابه مبادئ عملها مع تلك المذكورة سابقًا في مستشعرات الرياح ثنائية وثلاثية الأبعاد.

6. أجهزة استشعار الرياح بالموجات فوق الصوتية التي تعمل بالطاقة الشمسية

تُعدّ أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية التي تعمل بالطاقة الشمسية الخيار الأمثل إذا كنت بحاجة إلى تركيب جهاز استشعار للرياح في موقع ناءٍ لا تتوفر فيه الكهرباء. تأتي هذه الأجهزة مزودة بألواح شمسية وبطاريات. ويبقى مبدأ عملها كما هو، فهي في الأساس أجهزة استشعار رياح فوق صوتية، ولكنها تعمل بالطاقة الشمسية.

آلية عمل مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية

تستخدم مستشعرات الرياح فوق الصوتية مبدأ فرق التوقيت فوق الصوتي لحساب وقياس سرعة الرياح واتجاهها. تزداد سرعة الموجات الصوتية فوق الصوتية إذا كان اتجاه الرياح هو نفسه اتجاه الموجات الصوتية، وتقل السرعة إذا كان اتجاه الرياح معاكساً لاتجاه الموجات الصوتية.

تُمثل هذه المستشعرات استخدامًا قيّمًا لتقنية الكشف بالموجات فوق الصوتية في الأوساط الغازية. فهي مزودة بأربعة مجسات تُرسل وتستقبل موجات صوتية فوق صوتية تنتقل عبر الهواء لقياس سرعة واتجاه الرياح. كما تحسب هذه المستشعرات درجة حرارة الرياح.

مخرجات مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية

يحتوي مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية على مخرج رقمي لكل من السرعة والاتجاه، سواءً كان ذلك عبر بيانات متسلسلة بوحدة متر في الثانية أو على شكل نبضات. تتناسب سرعة الرياح طرديًا مع تردد النبضات. يحسب المستشعر السرعة بدقة تتراوح بين ±1-2%، وكذلك الاتجاه بدقة ±2°.

توفر بعض أجهزة استشعار الرياح بيانات متعلقة بدرجة الحرارة أيضًا. يستخدم النظام هذه البيانات لتصحيح أخطاء سرعة الرياح واتجاهها. وبما أن أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية تقنية حديثة، فإنها تتيح لك مراقبة البيانات في الوقت الفعلي، وتسجيلها، وعرضها بيانيًا.

الاختلافات في الشكل الجدولي

كما ترون، فإن أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية أفضل بكثير من أجهزة استشعار الرياح الميكانيكية من جميع النواحي.

أسباب تفوق مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية على المستشعر الميكانيكي

هناك عدة أسباب تجعل أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية متفوقة على أجهزة استشعار الرياح الميكانيكية. والخطوة التالية هي بناء أهم هذه الأجهزة، كما هو موضح أدناه.

➔ الدقة والضبط

لا يحتوي مستشعر الرياح فوق الصوتي على أجزاء متحركة، مما يلغي الاحتكاك، ويجعله أكثر دقة (±0.1 إلى ±0.5 متر في الثانية للسرعة، و±1 إلى ±2 درجة لقياس الاتجاه) حتى في ظروف الرياح الخفيفة. يُعد هذا القياس الدقيق والمتكرر بالغ الأهمية في التطبيقات الصناعية. كما أنه يتأثر بأي تغيير في سرعة الرياح واتجاهها. تُعوض معظم هذه المستشعرات العوامل البيئية وتوفر بيانات دقيقة في الوقت الفعلي.

➔ المتانة والموثوقية

تتميز مستشعرات الرياح فوق الصوتية بمتانة فائقة لعدم احتوائها على أجزاء متحركة، مما يضمن عدم حدوث أي أعطال ميكانيكية. حتى في البيئات القاسية، تدوم هذه المستشعرات لفترة أطول من مستشعرات الرياح الميكانيكية، وذلك بفضل اختيار مواد مقاومة للأشعة فوق البنفسجية والصدأ ودرجات الحرارة القصوى. ولتعزيز متانتها، فهي قادرة على تحمل الصدمات والاهتزازات. تُزود هذه المستشعرات بمحولات طاقة احتياطية، بحيث يتولى محول آخر المهمة في حال تعطل أحدهما، مما يزيد من موثوقيتها. كما تتضمن أدوات تشخيص مدمجة لتحليل البيانات. وتتميز هذه المستشعرات بمعالجة الإشارات الرقمية، مما يُمكّنها من إلغاء التشويش وتحسين موثوقيتها بشكل عام.

➔ أمان

الزئبق عنصر سام. استخدام السبائك والمواد خفيفة الوزن في تصنيع مستشعرات الرياح فوق الصوتية يضمن عدم استخدام الزئبق، مما يجعلها صديقة للبيئة ولا تشكل أي خطر على الصحة. كما أن المستشعر خفيف الوزن، مما يقلل من احتمالية سقوطه من ارتفاعات عالية أثناء هبوب الرياح القوية.

➔ جودة البيانات

تتميز البيانات التي توفرها أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية بجودة عالية، ودقة عالية (من 0.1 إلى ±0.5 م/ث للسرعة ومن ±1 إلى ±2 درجة للاتجاه)، ودقة عالية، ومعالجة الإشارات الرقمية، ووقت استجابة سريع، وميزات تقليل الضوضاء، مما يجعلها الخيار الأفضل للاستخدام الصناعي.

➔ القدرة على تحمل التكاليف

يُعد استخدام مستشعرات الرياح فوق الصوتية فعالاً من حيث التكلفة، إلا أن تكلفتها الأولية أعلى بكثير من مستشعرات الرياح الميكانيكية. ومع ذلك، فإن بعض المزايا تجعل هذه المستشعرات أكثر توفيراً وتدوم لفترة أطول.

● متطلبات صيانة أقل، مما يقلل من وقت التوقف عن العمل

● متانة

● كفاءة الطاقة

● يمكن دمجها مع أنظمة جمع البيانات القديمة

بفضل كل هذه المزايا، تعتبر أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية فعالة من حيث التكلفة حتى بعد ارتفاع تكلفتها الأولية لأن التكلفة الإجمالية للملكية منخفضة.

تطبيقات أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية

● مداخن صناعية

يُتيح استخدام مستشعرات الرياح فوق الصوتية في المداخن الصناعية مراقبة انتشار الملوثات والتحكم في تدفق الهواء الخارج من المدخنة لحماية البيئة. وتُعدّ البيانات الآنية التي توفرها هذه المستشعرات بالغة الأهمية في التحكم بتدفق الهواء من المدخنة إلى البيئة.

● الكشف عن الأحوال الجوية والتنبؤ بها

تُستخدم بيانات أجهزة الاستشعار فوق الصوتية في نماذج التنبؤ العددي بالطقس للتنبؤ بالطقس المستقبلي. ونظرًا لدقة هذه البيانات، يكون التنبؤ دقيقًا للغاية. كما تُسهم هذه البيانات في التنبؤ بالظروف الجوية القاسية. وتُعدّ البيانات المُستقاة من أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية مفيدة أيضًا في جمع البيانات طويلة الأجل لدراسات المناخ والتأثير البيئي.

● الطاقة المتجددة

تُعدّ أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية عنصراً أساسياً في قطاع طاقة الرياح، فهي مثالية لتقييم المواقع والتخطيط طويل الأجل والمراقبة، وتُشكّل جزءاً لا يتجزأ من مزارع الرياح. كما أن البيانات المتاحة عبر الإنترنت من هذه الأجهزة ضرورية لتحسين أداء توربينات الرياح.

● مواصلات

تُستخدم أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية في جميع وسائل النقل تقريبًا لأغراض السلامة، وخاصة في الطيران والنقل البحري. كما تُستخدم في تصميم الطرق والجسور في المناطق التي تشهد سرعات رياح عالية جدًا. أما في السكك الحديدية، فتُستخدم هذه الأجهزة للتحقق من تأثير الأحوال الجوية على تشغيل القطارات وجدولة مواعيدها.

● بحث

تُستخدم أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية في مجالات بحثية متنوعة. بعضها مذكور أدناه.

● دراسات الأرصاد الجوية والمناخ

● أبحاث الغلاف الجوي

● تقييم موارد الرياح

● دراسات انتشار الملوثات

● البحوث البيئية

● البحوث البحرية

صيانة أجهزة الاستشعار فوق الصوتية

❖ سهولة التنظيف

قبل البدء بالتنظيف، افحص الحساس جيدًا. إذا كان يحتاج إلى تنظيف، استخدم قطعة قماش ناعمة. تجنب استخدام قطعة قماش خشنة. ولأنه لا يحتوي على أجزاء ميكانيكية، فمن السهل تنظيفه.

❖ تحديثات البرامج

بما أنه جهاز إلكتروني، فإنه يعمل دائمًا بأحدث البرامج الثابتة لتحسين الأداء والأمان. قبل كل عملية معايرة، من الضروري إجراء تحديثات منتظمة للبرنامج باتباع الإجراءات الموصى بها من قبل الشركة المصنعة.

❖ معايرة

تُعاير أجهزة الاستشعار فوق الصوتية مسبقًا من قِبل الشركة المصنعة في المصنع. بعد ذلك، يجب على المستخدم إجراء المعايرة الدورية وفقًا لتعليمات الشركة المصنعة. يُعد اختبار أداء المستشعر باستخدام أجهزة قياسية أمرًا بالغ الأهمية لضمان الدقة. يجب أن تتم معايرة الأجهزة القياسية بواسطة فريق الصيانة وفقًا للمعايير والإجراءات الدولية.

❖ فحص مصدر الطاقة

يُعدّ ضمان استقرار التيار الكهربائي أمرًا بالغ الأهمية لتشغيل أجهزة استشعار الرياح. يجب فحص مصدر الطاقة دوريًا، بصريًا، والتأكد من أن قياسات التيار والجهد ضمن الحدود المسموح بها. قد تتسبب تقلبات التيار في تلف جهاز الاستشعار، لذا يُنصح بتركيب مانعات الصواعق قبل مصدر الطاقة. يجب استبدال أي مكونات تالفة بقطع غيار أصلية. تساهم الفحوصات الدورية لمصدر الطاقة في إطالة عمر جهاز استشعار الرياح.

الكلمات الختامية

نظراً للمزايا الهائلة التي تتمتع بها مستشعرات الرياح فوق الصوتية مقارنةً بنظيراتها الميكانيكية، فهي الخيار الأمثل لمعظم المستخدمين. تتميز آلية الاستشعار فوق الصوتية بتفوقها في التكرارية والدقة وقلة الصيانة والمعايرة. يكفي إدخال طاقة نظيفة لتشغيل مستشعرات الرياح فوق الصوتية بأقصى كفاءة. لقد ولّى زمن تزييت المحامل واستخدام الشحوم، فالتنظيف أو المعايرة فقط كافيان للحفاظ على تشغيل المعدات بكفاءة.

ضع في اعتبارك استخدام مستشعرات الرياح فوق الصوتية للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية. أما بالنسبة للتطبيقات ذات الحساسية المنخفضة وغير الحرجة، فلا تزال مستشعرات الرياح الميكانيكية خيارًا مناسبًا. وقد شهدت مستشعرات الرياح الميكانيكية الحديثة تحسينات في التصميم للحد من عيوبها. الخيار لك!