در هواشناسی ، بادسنج (از یونانی باستان άνεμος ( ánemos ) «باد» و μέτρον ( métron ) «اندازه گیری») وسیله ای است که سرعت و جهت باد را اندازه می گیرد . این ابزار رایجی است که در ایستگاه های هواشناسی استفاده می شود . اولین توصیف شناخته شده از بادسنج توسط معمار و نویسنده ایتالیایی لئون باتیستا آلبرتی (1404-1472) در سال 1450 بود.
بادسنج از زمان ساخت خود در قرن 15 تغییر چندانی نکرده است. گفته می‌شود که آلبرتی آن را در حدود سال 1450 اختراع کرد. در قرن‌های بعد، بسیاری دیگر از جمله رابرت هوک (1635-1703)، نسخه‌های خود را توسعه دادند که برخی به اشتباه به عنوان مخترع آن معرفی شدند. در سال 1846، توماس رامنی رابینسون (1792-1882) طراحی را با استفاده از چهار فنجان نیم‌کره‌ای و چرخ‌های مکانیکی بهبود بخشید. در سال 1926، جان پترسون هواشناس کانادایی (1872-1956) بادسنج سه فنجانی را توسعه داد که توسط Brevoort و Joiner در سال 1935 بهبود یافت. در سال 1991، درک وستون توانایی اندازه گیری جهت باد را اضافه کرد. در سال 1994، آندریاس پفلیچ بادسنج صوتی را توسعه داد. [1]
یک نوع ساده بادسنج در سال 1845 توسط کشیش دکتر جان توماس رامنی رابینسون از رصدخانه آرماگ اختراع شد . این شامل چهار فنجان نیمکره بر روی بازوهای افقی است که بر روی یک محور عمودی نصب شده بودند. جریان هوا از کنار فنجان ها در هر جهت افقی، شفت را با سرعتی تقریباً متناسب با سرعت باد می چرخاند. بنابراین، شمارش دورهای شفت در یک بازه زمانی تعیین‌شده، مقداری متناسب با میانگین سرعت باد برای طیف وسیعی از سرعت‌ها تولید می‌کند. به این نوع ابزار بادسنج چرخشی نیز گفته می شود .
باد با بادسنج چهار فنجانی، همیشه گودی یک فنجان را پیش روی خود دارد و در پشت فنجان مقابل می وزد. از آنجایی که یک نیمکره توخالی دارای ضریب پسا 0.38 در سمت کروی و 1.42 در سمت توخالی است، [2] نیروی بیشتری بر روی فنجان ایجاد می شود که سمت توخالی آن را به باد ارائه می دهد. به دلیل این نیروی نامتقارن، گشتاور بر روی محور بادسنج ایجاد می شود و باعث چرخش آن می شود.
از نظر تئوری، سرعت چرخش بادسنج باید متناسب با سرعت باد باشد، زیرا نیروی تولید شده بر روی جسم متناسب با سرعت گاز یا سیالی است که از کنار آن می گذرد. با این حال، در عمل، عوامل دیگری بر سرعت چرخش تأثیر می‌گذارند، از جمله تلاطم تولید شده توسط دستگاه، افزایش درگ در تقابل با گشتاور تولید شده توسط فنجان‌ها و بازوهای پشتیبانی، و اصطکاک در نقطه نصب. هنگامی که رابینسون برای اولین بار بادسنج خود را طراحی کرد، اظهار داشت که فنجان ها یک سوم سرعت باد حرکت می کنند، بدون اینکه اندازه فنجان یا طول بازو تحت تأثیر قرار گیرد. این ظاهراً توسط برخی آزمایش‌های مستقل اولیه تأیید شد، اما نادرست بود. در عوض، نسبت سرعت باد و فنجان ها، عامل بادسنج ، به ابعاد فنجان ها و بازوها بستگی دارد و می تواند مقداری بین دو تا کمی بیش از سه داشته باشد. پس از کشف خطا، تمام آزمایش‌های قبلی که شامل بادسنج‌ها بود باید تکرار می‌شد.
بادسنج سه فنجانی که توسط جان پترسون کانادایی در سال 1926 ساخته شد، و بهبودهای بعدی فنجان توسط Brevoort & Joiner از ایالات متحده در سال 1935، منجر به طراحی چرخ فنجانی با پاسخ تقریبا خطی و خطای کمتر از 3٪ تا 60 مایل در ساعت شد. (97 کیلومتر در ساعت). پترسون دریافت که هر فنجان حداکثر گشتاور را زمانی تولید می کند که در 45 درجه نسبت به جریان باد باشد. بادسنج سه فنجانی نیز گشتاور ثابت تری داشت و نسبت به بادسنج چهار فنجانی سریعتر به وزش ها پاسخ می داد.
بادسنج سه فنجانی توسط دکتر درک وستون استرالیایی در سال 1991 برای اندازه گیری جهت باد نیز اصلاح شد. او یک برچسب به یک فنجان اضافه کرد و باعث شد که سرعت چرخ فنجان با حرکت متناوب با و مخالف باد، افزایش و کاهش یابد. جهت باد از این تغییرات چرخه ای در سرعت محاسبه می شود، در حالی که سرعت باد از میانگین سرعت چرخ فنجان تعیین می شود.
بادسنج های سه فنجانی در حال حاضر استاندارد صنعتی برای مطالعات و عمل ارزیابی منابع باد هستند .
یکی از اشکال دیگر بادسنج سرعت مکانیکی بادسنج پره ای است . ممکن است به عنوان یک بادسنج یا بادسنج پروانه ای توصیف شود. بر خلاف بادسنج رابینسون که محور چرخش آن عمودی است، بادسنج پره ای باید محور خود را موازی جهت باد باشد و در نتیجه افقی باشد. علاوه بر این، از آنجایی که جهت باد متفاوت است و محور باید تغییرات خود را دنبال کند، باید از بادگیر یا ابزار دیگری برای تحقق همان هدف استفاده کرد.
بنابراین بادسنج پره ای یک پروانه و یک دم را در یک محور ترکیب می کند تا اندازه گیری دقیق و دقیق سرعت و جهت باد را از همان ابزار بدست آورد. [3] سرعت فن توسط یک دور شمارنده اندازه گیری می شود و توسط یک تراشه الکترونیکی به سرعت باد تبدیل می شود. بنابراین، در صورتی که سطح مقطع مشخص باشد، دبی حجمی ممکن است محاسبه شود.
در مواردی که جهت حرکت هوا همیشه یکسان است مانند شفت های تهویه معادن و ساختمان ها از بادگیرهای معروف به هوا سنج استفاده می شود که نتایج رضایت بخشی را به همراه دارد. [4]
بادسنج های سیم داغ از سیم ریز (در حد چند میکرومتر) استفاده می کنند که به صورت الکتریکی تا دمایی بالاتر از محیط گرم می شود. جریان هوا از کنار سیم، سیم را خنک می کند. از آنجایی که مقاومت الکتریکی اکثر فلزات به دمای فلز بستگی دارد ( تنگستن یک انتخاب محبوب برای سیم های داغ است)، می توان رابطه ای بین مقاومت سیم و سرعت هوا به دست آورد. [5] در بیشتر موارد، نمی توان از آنها برای اندازه گیری جهت جریان هوا استفاده کرد، مگر اینکه با یک بادگیر همراه شوند.
روش‌های مختلفی برای اجرای این امر وجود دارد و دستگاه‌های سیم داغ را می‌توان به‌عنوان CCA ( بادسنج جریان ثابت )، CVA ( بادسنج ولتاژ ثابت ) و CTA ( بادسنج دمای ثابت) طبقه‌بندی کرد. بنابراین ولتاژ خروجی از این بادسنج ها نتیجه نوعی مدار در دستگاه است که سعی می کند متغیر خاص (جریان، ولتاژ یا دما) را مطابق قانون اهم ثابت نگه دارد .
علاوه بر این، بادسنج‌های PWM ( مدولاسیون عرض پالس ) نیز استفاده می‌شود، که در آن سرعت با طول زمانی یک پالس مکرر جریان استنباط می‌شود که سیم را به یک مقاومت مشخص می‌رساند و سپس متوقف می‌شود تا به یک آستانه "کف" برسد. در آن زمان پالس دوباره ارسال می شود.
بادسنج‌های سیم داغ، در حالی که بسیار ظریف هستند، در مقایسه با سایر روش‌های اندازه‌گیری، دارای پاسخ فرکانسی بسیار بالا و وضوح فضایی بسیار خوبی هستند و به همین دلیل تقریباً به طور کلی برای مطالعه دقیق جریان‌های آشفته یا هر جریانی که در آن نوسانات سریع سرعت وجود دارد، استفاده می‌شود. علاقه
یک نسخه صنعتی بادسنج سیم ریز ، جریان سنج حرارتی است که از همان مفهوم پیروی می کند، اما از دو پین یا رشته برای نظارت بر تغییرات دما استفاده می کند. رشته‌ها حاوی سیم‌های ریز هستند، اما پوشش سیم‌ها باعث می‌شود که آنها بسیار بادوام‌تر و قادر به اندازه‌گیری دقیق جریان هوا، گاز و گازهای گلخانه‌ای در لوله‌ها، مجاری و پشته‌ها باشند. کاربردهای صنعتی اغلب حاوی کثیفی هستند که به بادسنج کلاسیک سیم داغ آسیب می رساند.
در سرعت سنجی لیزری داپلر ، بادسنج های لیزری داپلر از یک پرتو نور از یک لیزر استفاده می کنند که به دو پرتو تقسیم می شود که یکی از آن ها خارج از بادسنج منتشر می شود. ذرات (یا مواد بذری که عمداً معرفی شده اند) همراه با مولکول های هوا در نزدیکی محل خروج پرتو جریان می یابند، نور را به یک آشکارساز بازتاب می دهند یا به عقب پراکنده می کنند، جایی که نسبت به پرتو لیزر اصلی اندازه گیری می شود. هنگامی که ذرات در حرکت بزرگ هستند، یک شیفت داپلر برای اندازه گیری سرعت باد در نور لیزر ایجاد می کنند که برای محاسبه سرعت ذرات و در نتیجه هوای اطراف بادسنج استفاده می شود. [6]
بادسنج های اولتراسونیک که برای اولین بار در دهه 1950 ساخته شدند، از امواج صوتی اولتراسونیک برای اندازه گیری سرعت باد استفاده می کنند. آنها سرعت باد را بر اساس زمان پرواز پالس های صوتی بین جفت مبدل اندازه گیری می کنند . [7]
زمانی که یک پالس صوتی برای حرکت از یک مبدل به جفت آن طول می کشد با سرعت صوت در هوا به اضافه سرعت باد در یک جهت نسبت معکوس دارد: زمان پرواز کجاست ، فاصله بین مبدل ها، سرعت است. صدا در هوا و سرعت باد است. به عبارت دیگر، هر چه باد سریعتر می وزد، پالس صدا سریعتر حرکت می کند. برای تصحیح سرعت صوت در هوا (که با توجه به دما، فشار و رطوبت متغیر است) پالس های صوتی در هر دو جهت ارسال می شود و سرعت باد با استفاده از زمان های پرواز رو به جلو و معکوس محاسبه می شود: زمان پرواز به جلو کجاست و برعکس
از آنجایی که آننومترهای اولتراسونیک فاقد قطعات متحرک هستند، نیاز به تعمیر و نگهداری کمی دارند و می توان از آنها در محیط های سخت استفاده کرد. آنها در محدوده وسیعی از سرعت باد عمل می کنند. آنها می توانند تغییرات سریع در سرعت و جهت باد را اندازه گیری کنند و در هر ثانیه اندازه گیری های زیادی انجام دهند و بنابراین در اندازه گیری الگوهای جریان هوای متلاطم مفید هستند.
نقطه ضعف اصلی آنها اعوجاج جریان هوا توسط ساختاری است که از مبدل ها پشتیبانی می کند، که نیاز به اصلاح بر اساس اندازه گیری های تونل باد برای به حداقل رساندن اثر دارد. قطرات باران یا یخ روی مبدل ها نیز می تواند باعث عدم دقت شود.
از آنجایی که سرعت صوت با دما متفاوت است و تقریباً با تغییر فشار ثابت است، بادسنج های اولتراسونیک نیز به عنوان دماسنج استفاده می شوند .
اندازه‌گیری‌های جفت مبدل را می‌توان برای اندازه‌گیری سرعت در جریان 1، 2 یا 3 بعدی ترکیب کرد. بادسنج های صوتی دو بعدی (سرعت باد و جهت باد) در کاربردهایی مانند ایستگاه های هواشناسی ، ناوبری کشتی، هوانوردی، شناورهای هواشناسی و توربین های بادی استفاده می شوند. نظارت بر توربین‌های بادی معمولاً نیاز به نرخ تجدید اندازه‌گیری سرعت باد 3 هرتز دارد، [8] که به راحتی توسط بادسنج‌های صوتی به دست می‌آید. بادسنج های صوتی سه بعدی به طور گسترده ای برای اندازه گیری انتشار گازها و شارهای اکوسیستم با استفاده از روش کوواریانس گردابی زمانی که با آنالایزرهای گاز مادون قرمز واکنش سریع یا آنالایزرهای مبتنی بر لیزر استفاده می شود، استفاده می شود .
بادسنج های تشدید صوتی، نوع جدیدتر بادسنج صوتی هستند. این فناوری توسط Savvas Kapartis اختراع شد و در سال 1999 به ثبت رسید. [9] در حالی که بادسنج‌های صوتی معمولی بر زمان اندازه‌گیری پرواز تکیه می‌کنند، حسگرهای تشدید آکوستیک از امواج صوتی (اولتراسونیک) تشدید کننده در یک حفره کوچک برای انجام اندازه‌گیری استفاده می‌کنند.
آرایه ای از مبدل های اولتراسونیک در حفره تعبیه شده است که برای ایجاد الگوهای موج ایستاده جداگانه در فرکانس های اولتراسونیک استفاده می شود. با عبور باد از حفره، تغییر خاصیت موج رخ می دهد (تغییر فاز). با اندازه گیری میزان تغییر فاز در سیگنال های دریافتی توسط هر مبدل و سپس با پردازش ریاضی داده ها، سنسور قادر است اندازه گیری افقی دقیقی از سرعت و جهت باد ارائه دهد.
از آنجایی که فناوری رزونانس آکوستیک اندازه گیری را در یک حفره کوچک امکان پذیر می کند، سنسورها معمولاً از نظر اندازه کوچکتر از سایر سنسورهای اولتراسونیک هستند. اندازه کوچک بادسنج های تشدید صوتی آنها را از نظر فیزیکی قوی و به راحتی گرم می کند و بنابراین در برابر یخ مقاوم هستند. این ترکیب از ویژگی‌ها به این معنی است که آنها به سطوح بالایی از در دسترس بودن داده‌ها دست می‌یابند و برای کنترل توربین‌های بادی و سایر کاربردهایی که نیاز به حسگرهای کوچک قوی مانند هواشناسی میدان جنگ دارند، مناسب هستند. یکی از مشکلات این نوع سنسور دقت اندازه گیری در مقایسه با سنسورهای مکانیکی کالیبره شده است. برای بسیاری از کاربردهای نهایی، این ضعف با طول عمر سنسور و این واقعیت که پس از نصب نیازی به کالیبراسیون مجدد ندارد جبران می شود.
اولین طراحی بادسنج‌هایی که فشار را اندازه‌گیری می‌کردند به دو کلاس صفحه و لوله تقسیم شدند.
اینها اولین بادسنج های مدرن هستند. آنها از یک صفحه صاف تشکیل شده اند که از بالا آویزان شده است تا باد صفحه را منحرف کند. در سال 1450، معمار هنری ایتالیایی، لئون باتیستا آلبرتی، اولین بادسنج مکانیکی را اختراع کرد. [10] در سال 1663 توسط رابرت هوک دوباره اختراع شد. [11] [12] نسخه‌های بعدی این فرم شامل یک صفحه مسطح، مربع یا دایره‌ای بود که توسط بادگیر در برابر باد قرار می‌گرفت. فشار باد روی صورت آن توسط یک فنر متعادل می شود. فشردگی فنر نیروی واقعی باد را که بر صفحه وارد می کند تعیین می کند و این نیرو یا روی یک گیج مناسب یا روی یک ضبط کننده خوانده می شود. ابزارهایی از این نوع به بادهای خفیف پاسخ نمی‌دهند، برای خوانش باد شدید نادرست هستند و در پاسخ به بادهای متغیر کند هستند. بادسنج های صفحه ای برای ایجاد هشدار باد شدید بر روی پل ها استفاده شده است.
بادسنج جیمز لیند در سال 1775 شامل یک لوله شیشه ای عمودی نصب شده حاوی یک فشارسنج مایع (فشار سنج) بود که یک سر آن در جهت افقی خم شده بود تا با جریان باد روبرو شود و انتهای دیگر عمودی درپوش بسته شده بود. اگرچه لیند اولین نبود، اما کاربردی ترین و شناخته شده ترین بادسنج از این نوع بود. اگر باد به دهانه لوله می زند، باعث افزایش فشار در یک طرف مانومتر می شود. باد روی انتهای باز یک لوله عمودی باعث تغییر کمی در فشار در طرف دیگر مانومتر می شود. اختلاف ارتفاع حاصل در دو پایه لوله U نشان دهنده سرعت باد است. با این حال، یک اندازه گیری دقیق مستلزم آن است که سرعت باد مستقیماً در انتهای باز لوله باشد. انحراف های کوچک از جهت واقعی باد باعث تغییرات زیادی در قرائت می شود.
بادسنج لوله فشار فلزی موفق ویلیام هنری داینز در سال 1892 از همان اختلاف فشار بین دهانه باز یک لوله مستقیم رو به باد و حلقه ای از سوراخ های کوچک در یک لوله عمودی که در انتهای بالایی بسته است استفاده کرد. هر دو در یک ارتفاع نصب شده اند. اختلاف فشاری که عمل به آن بستگی دارد بسیار ناچیز است و برای ثبت آنها به وسایل خاصی نیاز است. ضبط کننده شامل یک شناور در یک محفظه مهر و موم شده است که تا حدی با آب پر شده است. لوله از لوله مستقیم به بالای محفظه مهر و موم شده وصل می شود و لوله از لوله های کوچک به پایین در داخل شناور هدایت می شود. از آنجایی که اختلاف فشار موقعیت عمودی شناور را تعیین می کند، این معیاری برای سرعت باد است. [13]
مزیت بزرگ بادسنج لوله در این واقعیت نهفته است که قسمت در معرض دید را می توان بر روی یک قطب بلند نصب کرد و برای سالها نیازی به روغن کاری یا توجه ندارد. و قسمت ثبت کننده را می توان در هر موقعیت مناسبی قرار داد. دو لوله اتصال مورد نیاز است. ممکن است در نگاه اول به نظر برسد که یک اتصال می تواند کار کند، اما تفاوت فشاری که این ابزارها به آن بستگی دارند بسیار جزئی است که فشار هوا در اتاقی که قسمت ضبط در آن قرار می گیرد باید در نظر گرفته شود. بنابراین، اگر ابزار به تنهایی به فشار یا اثر مکش بستگی داشته باشد، و این فشار یا مکش در برابر فشار هوا در یک اتاق معمولی که در آن درها و پنجره‌ها با دقت بسته می‌شوند و سپس یک روزنامه در دودکش می‌سوزد، اندازه‌گیری شود، یک اثر ممکن است برابر با باد 10 مایل در ساعت (16 کیلومتر در ساعت) تولید شود. و باز شدن یک پنجره در هوای سخت، یا باز شدن یک در، ممکن است به طور کامل ثبت نام را تغییر دهد.
در حالی که بادسنج داینز در سرعت 10 مایل در ساعت (16 کیلومتر در ساعت) تنها 1 درصد خطا داشت، اما به دلیل پاسخ ضعیف پره صفحه تخت مورد نیاز برای تبدیل سر به باد، به بادهای کم پاسخ چندانی نمی داد. در سال 1918 یک پره آیرودینامیکی با گشتاور هشت برابر صفحه تخت بر این مشکل غلبه کرد.
بادسنج های لوله ای مدرن از همان اصل بادسنج Dines استفاده می کنند، اما از طراحی متفاوتی استفاده می کنند. این پیاده سازی از یک لوله پیتوت استاتیک استفاده می کند که یک لوله پیتوت با دو پورت پیتوت و استاتیک است که معمولاً در اندازه گیری سرعت هواپیما استفاده می شود. پورت پیتوت فشار دینامیکی دهانه باز یک لوله با سر نوک تیز رو به باد را اندازه گیری می کند و پورت استاتیک فشار استاتیکی را از سوراخ های کوچک در امتداد طرف آن لوله اندازه گیری می کند. لوله پیتوت به یک دم متصل است به طوری که همیشه سر لوله را رو به باد می کند. علاوه بر این، لوله برای جلوگیری از تشکیل یخ بر روی لوله گرم می شود. [14] دو خط از لوله تا دستگاه ها برای اندازه گیری اختلاف فشار دو خط وجود دارد. دستگاه های اندازه گیری می توانند مانومتر ، مبدل فشار یا ضبط کننده نمودار آنالوگ باشند . [15]
بادسنج معمولی برای استفاده اساسی از یک توپ پینگ پنگ متصل به یک رشته ساخته شده است. هنگامی که باد به صورت افقی می وزد، توپ را فشار می دهد و حرکت می دهد. از آنجایی که توپ های پینگ پنگ بسیار سبک وزن هستند، به راحتی در بادهای خفیف حرکت می کنند. اندازه گیری زاویه بین دستگاه توپ رشته ای و عمودی تخمینی از سرعت باد می دهد.
این نوع بادسنج بیشتر برای آموزش در مقطع راهنمایی استفاده می شود که بیشتر دانش آموزان به تنهایی آن را می سازند، اما دستگاه مشابهی در کاوشگر مریخ فینیکس نیز به پرواز درآمده است . [16]
در بادسنج لوله، فشار دینامیکی در واقع اندازه گیری می شود، اگرچه مقیاس معمولاً به عنوان مقیاس سرعت درجه بندی می شود. اگر چگالی واقعی هوا با مقدار کالیبراسیون متفاوت باشد، به دلیل دما، ارتفاع یا فشار هوای متفاوت، برای به دست آوردن سرعت واقعی باد، اصلاح لازم است. تقریباً 1.5٪ (1.6٪ بالای 6000 فوت) باید به سرعت ثبت شده توسط بادسنج لوله ای برای هر 1000 فوت (5٪ برای هر کیلومتر) بالاتر از سطح دریا اضافه شود.
در فرودگاه ها، داشتن اطلاعات دقیق باد تحت هر شرایطی، از جمله بارش های یخ زده، ضروری است. باد سنجی همچنین در نظارت و کنترل عملکرد توربین های بادی که در محیط های سرد مستعد یخ زدگی درون ابری هستند مورد نیاز است. یخ زدگی آیرودینامیک بادسنج را تغییر می دهد و ممکن است به طور کامل مانع از کارکرد آن شود. بنابراین بادسنج های مورد استفاده در این کاربردها باید به صورت داخلی گرم شوند. [17] بادسنج های فنجانی و بادسنج های صوتی در حال حاضر با نسخه های گرم شده در دسترس هستند.
برای اینکه سرعت باد از مکانی به مکان دیگر قابل مقایسه باشد، باید تأثیر زمین به ویژه از نظر ارتفاع در نظر گرفته شود. ملاحظات دیگر وجود درختان و دره های طبیعی و دره های مصنوعی (ساختمان های شهری) است. ارتفاع استاندارد بادسنج در زمین های باز روستایی 10 متر است. [18]
عادت انجام مشاهدات آب و هوا به طور منظم و منظم توسط انجمن سلطنتی تشویق شد، و هوک در اوایل سال 1663 مقاله خود را با عنوان "روشی برای ایجاد تاریخچه آب و هوا" به انجمن ارائه کرد.
