مقياس شدة الريح

اخترع القس الدكتور جون توماس رومني روبنسون من مرصد أرماغ نوعًا بسيطًا من مقياس سرعة الرياح عام 1845. يتكون هذا المقياس من أربعة أكواب نصف كروية مثبتة على أذرع أفقية مثبتة بدورها على عمود رأسي. يؤدي تدفق الهواء حول الأكواب في أي اتجاه أفقي إلى دوران العمود بمعدل يتناسب تقريبًا مع سرعة الرياح. وبالتالي، فإن حساب عدد دورات العمود خلال فترة زمنية محددة يُعطي قيمة تتناسب مع متوسط ​​سرعة الرياح ضمن نطاق واسع من السرعات. يُطلق على هذا النوع من الأجهزة أيضًا اسم مقياس سرعة الرياح الدوراني .

يُعد مقياس سرعة الرياح ذو الريشة أحد أنواع مقاييس سرعة الرياح الميكانيكية الأخرى . ويمكن وصفه بأنه مقياس سرعة رياح يعمل بطاحونة هوائية أو مروحة. وعلى عكس مقياس روبنسون، الذي يكون محور دورانه رأسيًا، يجب أن يكون محور مقياس سرعة الرياح ذو الريشة موازيًا لاتجاه الرياح، وبالتالي يكون أفقيًا. علاوة على ذلك، ولأن اتجاه الرياح يتغير، ويجب أن يتبع المحور هذا التغير، فلا بد من استخدام ريشة دوارة أو أي أداة أخرى لتحقيق الغرض نفسه.

يجمع مقياس سرعة الرياح ذو الريش بين مروحة وذيل على نفس المحور للحصول على قياسات دقيقة لسرعة واتجاه الرياح من نفس الجهاز. ^{[ 3 ]} تُقاس سرعة المروحة بواسطة عداد دورات، ثم تُحوّل إلى سرعة رياح بواسطة شريحة إلكترونية. ومن ثم، يمكن حساب معدل التدفق الحجمي إذا عُرفت مساحة المقطع العرضي.

في الحالات التي يكون فيها اتجاه حركة الهواء ثابتًا دائمًا، كما هو الحال في فتحات التهوية في المناجم والمباني، تُستخدم دوارات الرياح المعروفة باسم عدادات الهواء، وتعطي نتائج مرضية. ^{[ 4 ]}

• مقياس سرعة الرياح ذو الريش
• 
  مقياس سرعة الرياح ذو الريشة
• 
  مقياس سرعة الرياح ذو المروحة الحلزونية مزود بمؤشر اتجاه الرياح.
• 
  مقياس سرعة الرياح المحمول باليد ذو الريشة البطيئة
• 
  مقياس سرعة الرياح الرقمي المحمول باليد أو مقياس سرعة الرياح من نوع بايرام.

تستخدم مقاييس سرعة الرياح السلكية الساخنة سلكًا دقيقًا (بقطر بضعة ميكرومترات) يُسخّن كهربائيًا إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة المحيط. ويؤدي تدفق الهواء حول السلك إلى تبريده. وبما أن المقاومة الكهربائية لمعظم المعادن تعتمد على درجة حرارتها ( يُعدّ التنجستن خيارًا شائعًا للأسلاك الساخنة)، فإنه يمكن إيجاد علاقة بين مقاومة السلك وسرعة الهواء. ^{[ 5 ]} وفي معظم الحالات، لا يمكن استخدامها لقياس اتجاه تدفق الهواء إلا إذا اقترنت بمؤشر اتجاه الرياح.

توجد عدة طرق لتنفيذ ذلك، ويمكن تصنيف أجهزة قياس سرعة الرياح ذات الأسلاك الساخنة إلى ثلاثة أنواع: مقياس سرعة الرياح ذو التيار الثابت (CCA)، ومقياس سرعة الرياح ذو الجهد الثابت (CVA )، ومقياس سرعة الرياح ذو درجة الحرارة الثابتة (CTA). وبالتالي، فإن جهد الخرج من هذه المقاييس هو نتيجة لدائرة كهربائية داخل الجهاز تحاول الحفاظ على ثبات المتغير المحدد (التيار، أو الجهد، أو درجة الحرارة)، وفقًا لقانون أوم .

بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام مقاييس سرعة الرياح بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM )، حيث يتم استنتاج السرعة من خلال طول الوقت لنبضة متكررة من التيار ترفع السلك إلى مقاومة محددة ثم تتوقف حتى يتم الوصول إلى "الحد الأدنى" للعتبة، وعندها يتم إرسال النبضة مرة أخرى.

على الرغم من أن أجهزة قياس سرعة الرياح ذات الأسلاك الساخنة حساسة للغاية، إلا أنها تتمتع باستجابة تردد عالية للغاية ودقة مكانية دقيقة مقارنة بطرق القياس الأخرى، وعلى هذا النحو يتم استخدامها بشكل شبه عالمي للدراسة التفصيلية للتدفقات المضطربة، أو أي تدفق تكون فيه تقلبات السرعة السريعة ذات أهمية.

يُعد مقياس التدفق الحراري نسخة صناعية من مقياس سرعة الرياح ذي السلك الدقيق ، وهو يعمل وفق المبدأ نفسه، ولكنه يستخدم سلكين أو خيطين لمراقبة تغيرات درجة الحرارة. يحتوي الخيطان على أسلاك دقيقة، إلا أن تغليف هذه الأسلاك يجعلها أكثر متانة وقدرة على قياس تدفق الهواء والغاز والانبعاثات بدقة في الأنابيب والقنوات والمداخن. غالبًا ما تحتوي التطبيقات الصناعية على أوساخ قد تُلحق الضرر بمقياس سرعة الرياح التقليدي ذي السلك الساخن.

في قياس سرعة الرياح بتقنية دوبلر الليزرية ، تستخدم أجهزة قياس سرعة الرياح بتقنية دوبلر الليزرية شعاعًا ضوئيًا من الليزر يُقسّم إلى شعاعين، أحدهما يخرج من الجهاز. تعكس الجسيمات (أو مواد مُدخلة عمدًا) التي تتدفق مع جزيئات الهواء بالقرب من نقطة خروج الشعاع، الضوءَ عائدًا إلى كاشف، حيث يُقاس بالنسبة إلى شعاع الليزر الأصلي. عندما تكون الجسيمات في حركة كبيرة، فإنها تُحدث إزاحة دوبلر لقياس سرعة الرياح في ضوء الليزر، والتي تُستخدم لحساب سرعة الجسيمات، وبالتالي سرعة الهواء المحيط بجهاز قياس سرعة الرياح. ^{[ 6 ]}

تستخدم أجهزة قياس سرعة الرياح فوق الصوتية، التي طُوّرت لأول مرة في خمسينيات القرن الماضي، الموجات الصوتية فوق الصوتية لقياس سرعة الرياح. وتقيس هذه الأجهزة سرعة الرياح بناءً على زمن انتقال النبضات الصوتية بين أزواج من المحولات . ^{[ 7 ]}

إن الوقت الذي تستغرقه النبضة الصوتية للانتقال من محول طاقة واحد إلى نظيره يتناسب عكسياً مع سرعة الصوت في الهواء بالإضافة إلى سرعة الرياح في نفس الاتجاه:${\displaystyle t={\frac {L}{(c+v)}}}$أين${\displaystyle t}$هو وقت الرحلة،${\displaystyle L}$هي المسافة بين المحولات،${\displaystyle c}$هي سرعة الصوت في الهواء و${\displaystyle v}$تمثل سرعة الرياح. بعبارة أخرى، كلما زادت سرعة الرياح، زادت سرعة انتقال النبضة الصوتية. ولتصحيح سرعة الصوت في الهواء (التي تتغير تبعًا لدرجة الحرارة والضغط والرطوبة)، تُرسل نبضات صوتية في كلا الاتجاهين، وتُحسب سرعة الرياح باستخدام زمن انتقال الصوت في الاتجاهين الأمامي والخلفي.${\displaystyle v={\frac {1}{2}}L({\frac {1}{t_{1}}}-{\frac {1}{t_{2}}})}$أين${\displaystyle t_{1}}$هو زمن الرحلة الأمامي و${\displaystyle t_{2}}$والعكس.

نظرًا لعدم احتواء مقاييس سرعة الرياح فوق الصوتية على أجزاء متحركة، فإنها لا تحتاج إلى صيانة تُذكر ويمكن استخدامها في البيئات القاسية. وهي تعمل ضمن نطاق واسع من سرعات الرياح، وتستطيع قياس التغيرات السريعة في سرعة الرياح واتجاهها، حيث تأخذ العديد من القياسات في الثانية الواحدة، مما يجعلها مفيدة في قياس أنماط تدفق الهواء المضطرب.

يتمثل عيبها الرئيسي في تشوه تدفق الهواء بفعل الهيكل الداعم للمحولات، الأمر الذي يتطلب تصحيحًا يعتمد على قياسات نفق الرياح لتقليل هذا التأثير. كما يمكن أن تتسبب قطرات المطر أو الجليد المتراكم على المحولات في حدوث أخطاء.

بما أن سرعة الصوت تتغير بتغير درجة الحرارة، وتكون مستقرة عمليًا مع تغير الضغط، فإن أجهزة قياس سرعة الرياح فوق الصوتية تستخدم أيضًا كمقاييس حرارة .

يمكن دمج القياسات من أزواج من المحولات للحصول على قياس السرعة في تدفق أحادي أو ثنائي أو ثلاثي الأبعاد. تُستخدم مقاييس سرعة الرياح الصوتية ثنائية الأبعاد (سرعة الرياح واتجاهها) في تطبيقات متنوعة مثل محطات الأرصاد الجوية ، والملاحة البحرية، والطيران، وعوامات الأرصاد الجوية ، وتوربينات الرياح. يتطلب رصد توربينات الرياح عادةً معدل تحديث لقياسات سرعة الرياح يبلغ 3  هرتز، ^{[ 8 ]} وهو ما يمكن تحقيقه بسهولة باستخدام مقاييس سرعة الرياح الصوتية. تُستخدم مقاييس سرعة الرياح الصوتية ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع لقياس انبعاثات الغازات وتدفقات النظام البيئي باستخدام طريقة التباين الدوامي عند استخدامها مع محللات الغاز بالأشعة تحت الحمراء سريعة الاستجابة أو المحللات القائمة على الليزر .

مقاييس سرعة الرياح بالرنين الصوتي

تُعدّ مقاييس سرعة الرياح بالرنين الصوتي نوعًا أحدث من مقاييس سرعة الرياح الصوتية. وقد اخترع هذه التقنية سافاس كابارتيس وحصل على براءة اختراعها عام 1999. ^{[ 9 ]} في حين تعتمد مقاييس سرعة الرياح الصوتية التقليدية على قياس زمن انتقال الرياح، تستخدم مستشعرات الرنين الصوتي موجات صوتية (فوق صوتية) رنانة داخل تجويف صغير مصمم خصيصًا لهذا الغرض لإجراء قياساتها.

يحتوي التجويف على مجموعة من محولات الطاقة فوق الصوتية، تُستخدم لإنشاء أنماط موجات مستقرة منفصلة بترددات فوق صوتية. عند مرور الرياح عبر التجويف، يحدث تغير في خصائص الموجة (انزياح الطور). من خلال قياس مقدار انزياح الطور في الإشارات المستقبلة بواسطة كل محول طاقة، ثم معالجة البيانات رياضيًا، يستطيع المستشعر توفير قياس أفقي دقيق لسرعة الرياح واتجاهها.

نظرًا لأن تقنية الرنين الصوتي تُمكّن من القياس داخل تجويف صغير، فإن أجهزة الاستشعار هذه عادةً ما تكون أصغر حجمًا من أجهزة الاستشعار فوق الصوتية الأخرى. يُضفي صغر حجم مقاييس سرعة الرياح بالرنين الصوتي عليها متانةً وقوةً، كما يجعلها سهلة التسخين، وبالتالي مقاومةً للتجمد. هذا المزيج من الميزات يُتيح لها توفير بيانات عالية الجودة، مما يجعلها مناسبةً تمامًا للتحكم في توربينات الرياح، وللاستخدامات الأخرى التي تتطلب أجهزة استشعار صغيرة ومتينة، مثل الأرصاد الجوية في ساحات المعارك. إحدى المشكلات التي تواجه هذا النوع من أجهزة الاستشعار هي دقة القياس مقارنةً بأجهزة الاستشعار الميكانيكية المُعايرة. في العديد من التطبيقات، يُعوَّض هذا الضعف بطول عمر جهاز الاستشعار، وعدم حاجته إلى إعادة معايرة بعد تركيبه.

هذه هي أولى مقاييس سرعة الرياح الحديثة. تتكون من صفيحة مسطحة معلقة من الأعلى بحيث تُحركها الرياح. في عام 1450، اخترع المعماري الإيطالي ليون باتيستا ألبيرتي أول مقياس ميكانيكي لسرعة الرياح؛ ^{[ 10 ]} وفي عام 1663 أعاد روبرت هوك اختراعه. ^{[ 11 ] [ 12 ]} تضمنت الإصدارات اللاحقة من هذا النوع صفيحة مسطحة، مربعة أو دائرية، تُحافظ على اتجاهها عموديًا على اتجاه الرياح بواسطة دوارة. يُوازن ضغط الرياح على سطحها بواسطة نابض. يُحدد انضغاط النابض القوة الفعلية التي تُؤثر بها الرياح على الصفيحة، ويتم قراءة هذه القوة إما على مقياس مناسب أو على مسجل. لا تستجيب هذه الأجهزة للرياح الخفيفة، وتكون غير دقيقة في قراءات الرياح القوية، وبطيئة الاستجابة للرياح المتغيرة. استُخدمت مقاييس سرعة الرياح الصفيحية لتشغيل أجهزة إنذار الرياح القوية على الجسور.

كان مقياس سرعة الرياح الذي ابتكره جيمس ليند عام ١٧٧٥ عبارة عن أنبوب زجاجي على شكل حرف U مثبت عموديًا، يحتوي على مانومتر سائل (مقياس ضغط)، حيث كان أحد طرفيه مثنيًا أفقيًا ليواجه اتجاه تدفق الرياح، بينما كان الطرف الآخر رأسيًا ومغلقًا. ورغم أن مقياس ليند لم يكن الأول من نوعه، إلا أنه كان الأكثر عملية وشهرة من بين مقاييس سرعة الرياح من هذا النوع. فعندما تهب الرياح باتجاه فوهة الأنبوب، فإنها تزيد الضغط على أحد جانبي المانومتر. أما الرياح التي تهب فوق الطرف المفتوح للأنبوب الرأسي، فلا تُحدث تغييرًا يُذكر في الضغط على الجانب الآخر من المانومتر. ويُشير فرق الارتفاع الناتج بين طرفي الأنبوب على شكل حرف U إلى سرعة الرياح. ومع ذلك، يتطلب القياس الدقيق أن تكون سرعة الرياح موجهة مباشرة نحو الطرف المفتوح للأنبوب؛ إذ أن أي انحراف طفيف عن اتجاه الرياح الحقيقي يُسبب تباينات كبيرة في القراءة.

استخدم مقياس سرعة الرياح ذو الأنبوب المعدني الناجح الذي ابتكره ويليام هنري داينز عام 1892 نفس فرق الضغط بين الفتحة المفتوحة لأنبوب مستقيم مواجه للريح وحلقة من الثقوب الصغيرة في أنبوب رأسي مغلق من الأعلى. كلاهما مثبت على نفس الارتفاع. فروق الضغط التي يعتمد عليها عمل المقياس ضئيلة للغاية، وتتطلب وسائل خاصة لتسجيلها. يتكون جهاز التسجيل من عوامة داخل حجرة محكمة الإغلاق مملوءة جزئيًا بالماء. يُوصل الأنبوب الخارج من الأنبوب المستقيم بأعلى الحجرة المحكمة الإغلاق، بينما يُوجه الأنبوب الخارج من الثقوب الصغيرة إلى قاع العوامة من الداخل. وبما أن فرق الضغط يُحدد الوضع الرأسي للعوامة، فإن ذلك يُعد مقياسًا لسرعة الرياح. ^{[ 13 ]}

تكمن الميزة الكبرى لمقياس سرعة الرياح الأنبوبي في إمكانية تثبيت الجزء المكشوف منه على عمود مرتفع، دون الحاجة إلى تزييت أو صيانة لسنوات؛ كما يمكن وضع جزء التسجيل في أي مكان مناسب. يتطلب هذا المقياس أنبوبين للتوصيل. قد يبدو للوهلة الأولى أن وصلة واحدة تكفي، لكن فروق الضغط التي تعتمد عليها هذه الأجهزة دقيقة للغاية، لدرجة أنه يجب مراعاة ضغط الهواء في الغرفة التي يوضع فيها جزء التسجيل. فعلى سبيل المثال، إذا كان الجهاز يعتمد على تأثير الضغط أو الشفط فقط، وتم قياس هذا الضغط أو الشفط مقابل ضغط الهواء في غرفة عادية مغلقة الأبواب والنوافذ بإحكام، ثم تم حرق جريدة في المدخنة، فقد ينتج تأثير يعادل سرعة رياح تبلغ 16  كم  /ساعة؛ وقد يؤدي فتح نافذة في طقس عاصف، أو فتح باب، إلى تغيير القراءة تمامًا.

على الرغم من أن مقياس سرعة الرياح من نوع داينز لم تتجاوز نسبة الخطأ فيه 1% عند سرعة 16 كم /ساعة ، إلا أنه لم يستجب جيدًا للرياح الخفيفة نظرًا لضعف استجابة ريشة الصفيحة المسطحة اللازمة لتوجيه رأس المقياس باتجاه الريح. وفي عام 1918، تم التغلب على هذه المشكلة باستخدام ريشة ديناميكية هوائية ذات عزم دوران يعادل ثمانية أضعاف عزم دوران الصفيحة المسطحة.  

يُصنع مقياس سرعة الرياح الشائع للاستخدام الأساسي من كرة تنس طاولة مربوطة بخيط. عندما تهب الرياح أفقياً، تضغط على الكرة وتحركها؛ ولأن كرات تنس الطاولة خفيفة الوزن للغاية، فإنها تتحرك بسهولة في الرياح الخفيفة. قياس الزاوية بين جهاز الكرة والخيط والخط الرأسي يُعطي تقديرًا لسرعة الرياح.

يُستخدم هذا النوع من مقياس سرعة الرياح في الغالب في تعليم طلاب المرحلة المتوسطة، حيث يقوم معظم الطلاب بصنعه بأنفسهم، ولكن تم أيضًا إطلاق جهاز مماثل على متن مركبة الهبوط على المريخ فينيكس . ^{[ 16 ]}

في مقياس سرعة الرياح الأنبوبي، يُقاس الضغط الديناميكي فعليًا، على الرغم من أن المقياس عادةً ما يكون مُدرجًا كمقياس للسرعة. إذا اختلفت كثافة الهواء الفعلية عن قيمة المعايرة، نتيجةً لاختلاف درجة الحرارة أو الارتفاع أو الضغط الجوي، يلزم إجراء تصحيح للحصول على سرعة الرياح الفعلية. يجب إضافة ما يقارب 1.5% (1.6% فوق 6000 قدم) إلى السرعة المُسجلة بواسطة مقياس سرعة الرياح الأنبوبي لكل 1000  قدم (5% لكل كيلومتر) فوق مستوى سطح البحر.