Máy đo tốc độ gió – phong kế: Nguyên lý hoạt động, phân loại và ứng dụng

Máy đo tốc độ gió – phong kế là gì?

Máy đo gió là một thiết bị dùng để đo tốc độ gió, tức là khoảng cách mà gió di chuyển trong một đơn vị thời gian. Máy đo gió thường bao gồm một rôto có gắn hai cánh tay hoặc cốc trở lên. Gió thổi càng nhanh, cánh quạt quay càng nhanh. Rôto được kết nối với một trục chuyển đổi tốc độ quay của nó thành tín hiệu điện biểu thị tốc độ gió. Một số máy đo gió cũng đo hướng gió bằng cách chỉ ra hướng mà cốc đang đối mặt.

Máy đo tốc độ gió – phong kế là thiết bị không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực như khí tượng, hàng hải, nông nghiệp, xây dựng, năng lượng tái tạo và nhiều ngành công nghiệp khác. Máy đo tốc độ gió giúp người dùng đo được cường độ, hướng và thay đổi của luồng gió trong một khu vực nhất định.

Từ đó, có thể dự báo được thời tiết, lựa chọn vị trí xây dựng công trình, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng gió làm nguồn năng lượng và nhiều ứng dụng khác.

Đơn vị đo của máy đo gió

Máy đo gió thường hiển thị tốc độ gió theo các đơn vị như m/s (mét trên giây), km/giờ (kilômét trên giờ) hoặc dặm/giờ (mile trên giờ). Những cái cao cấp hơn cũng cho thấy khả năng làm lạnh gió, phát hiện hướng và gió giật.

7 loại máy đo tốc độ gió

Máy đo tốc độ gió dùng cánh quạt – Propeller Anemometer

Propeller Anemometer là một loại máy đo gió dùng để đo vận tốc và lưu lượng của không khí, bằng cách sử dụng một cánh quạt xoay quanh một trục song song với hướng gió. Tốc độ quay của cánh quạt được chuyển đổi thành tín hiệu điện hoặc xung số, từ đó tính được tốc độ gió.

Đây là loại máy đo tốc độ gió được sử dụng phổ biến nhất. Loại này có 2 dạng:

• Dạng cầm tay (Handheld anemometer): là một máy đo tốc độ gió cổ điển hiện được sử dụng rất phổ biến, không chỉ ngoài trời mà cả trong nhà. Thao tác dễ dàng giúp có thể đo tốc độ không khí một cách nhanh chóng bằng cách sử dụng máy đo gió cánh quạt. Ngoài ra, nhiều thiết bị còn có các tính năng cho phép ghi lại lưu lượng thể tích và nhiệt độ. Điều này cho phép phân tích dữ liệu dễ dàng hơn và so sánh chúng.
• Dạng cố định (Vane Anemometer): là một loại máy đo gió dùng để đo vận tốc và hướng của không khí, bằng cách sử dụng một cánh quạt xoay quanh một trục ngang. Cánh quạt được gắn trên đầu, phần đuôi có một lá cờ gió để luôn hướng về phía gió, và tốc độ quay của cánh quạt tỷ lệ thuận với tốc độ gió.

Lưu ý thuật ngữ “cánh quạt”:

Vì đôi khi bạn sẽ tìm thấy loại máy đo tốc độ gió là “Propeller Anemometer” hoặc “Vane Anemometer” đều ra cùng một loại, tuy nhiên đúng về mặt ngữ nghĩa thì dùng từ “Vane Anemometer”, nó cũng được dùng để chí máy đo tốc độ gió cầm tay dùng cánh quạt.

• A propeller: là một cánh quạt quay tích cực có hình dạng khí động học tỷ lệ khung hình phức tạp và cấu trúc vật lý phức tạp được quay cưỡng bức để tạo ra dòng chảy khối chất lỏng. Như kiểu chân vịt, cánh quạt gió.
• A vane: là một bề mặt phẳng đơn giản, thường có tỉ lệ nhỏ, có thể được cố định tại chỗ để chuyển hướng một cách thụ động dòng chất lỏng hiện có hoặc được di chuyển chủ động qua một cung nông để chuyển hướng dòng chất lỏng hiện có.

  

Máy đo gió ống Pitot – Pitot Tube Anemometer

Pitot Tube Anemometer là một loại máy đo gió dùng để đo áp suất chênh lệch, lưu lượng, vận tốc và nhiệt độ của không khí. Nó sử dụng một ống Pitot, là một ống có đầu hình L hoặc U, để đo sự khác biệt giữa áp suất tĩnh và áp suất động của luồng không khí. Từ đó, có thể tính được vận tốc của không khí theo công thức Bernoulli

Máy đo gió ống pitot được ưu tiên sử dụng trong công nghệ điều hòa không khí và thông gió. Ví dụ, chúng rất lý tưởng để xác định tốc độ dòng chảy trong ống thông gió. PCE-HVAC-2 là một máy đo gió ống pitot để đo áp suất chênh lệch, luồng không khí, vận tốc không khí và nhiệt độ. Do thiết kế của nó, máy đo gió được trang bị ống pitot có góc cạnh, đặc biệt phù hợp để xác định nhanh chóng và chính xác vận tốc không khí cao lên đến 80 m/s

Loại này có độ chính xác cao hơn loại dùng cánh quạt, do nó không hao phí lực tác động lên cánh quạt và độ ma sát của cánh quạt với không khí.

Máy đo gió ống Pitot sẽ khác với Máy đo áp suất vi sai (Manometer) là một dụng cụ đo áp suất đa năng cũng có thể đo tốc độ không khí/luồng không khí của chất lỏng.

Máy đo tốc độ gió dạng cốc – Cup anemometer

Máy đo tốc độ gió dạng cốc – Cup Anemometer là một loại máy đo vận tốc gió dùng 3 hoặc 4 gáo hình bán cầu (hình như “cái cốc) xoay quanh một trục thẳng đứng. Tốc độ quay của gáo tỷ lệ thuận với tốc độ gió

Đây là một loại máy đo gió đơn giản được phát minh vào năm 1845 bởi Tiến sĩ John Thomas Romney Robinson. Nó bao gồm bốn cốc hình bán cầu đặt nằm ngang và được gắn trên một trục thẳng đứng. Luồng không khí đi qua cốc theo bất kỳ hướng nằm ngang nào sẽ làm quay trục với tốc độ gần đúng với tốc độ của gió.

Do đó, việc đếm số vòng quay của trục trong một khoảng thời gian đã định sẽ biết được tốc độ gió trung bình. Vì hệ số cản là 0.38 ở mặt cầu và 1.42 ở mặt rỗng, do đó lực được tạo ra trên cốc khiến mặt rỗng của cốc chịu tác động của gió. Bởi vì do lực không đối xứng này, momen xoắn được tạo ra trên trục của máy đo gió, khiến nó quay

Máy đo tốc độ gió dạng dây nhiệt – Hot-wire anemometer

Máy đo tốc độ gió dạng dây nhiệt – Hot-wire Anemometer đo lường bằng cách đo tổn thất nhiệt của dây được đặt trong dòng gió thổi qua. Dây dẫn nóng lên nhờ dòng điện.

Cách hoạt động của máy đo tốc độ gió dạng dây nhiệt là  bằng cách sử dụng một dây dẫn nóng được đặt trong luồng không khí. Dây dẫn được gia nhiệt bởi dòng điện và có trở kháng phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi không khí chảy qua, dây dẫn bị làm mát và trở kháng giảm. Sự thay đổi trở kháng được đo bằng một cầu Wheatstone và được liên hệ với vận tốc không khí theo công thức nhiệt động lực học

Máy đo tốc độ gió dùng siêu âm – Sonic/Ultrasonic anemometer

Máy đo tốc độ gió dùng siêu âm – Utrasonic anemometer là một loại máy đo gió dùng để đo vận tốc của không khí, bằng cách sử dụng sóng âm để truyền và nhận giữa các bộ phát và cảm biến. Thời gian truyền sóng âm phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bộ phát và cảm biến, tốc độ âm thanh và vận tốc của không khí theo hướng của các bộ phát và cảm biến.

Bằng cách đo thời gian truyền sóng âm theo hai hoặc ba hướng khác nhau, có thể tính được vận tốc không khí theo ba chiều. Máy đo gió sonic có ưu điểm là không có bộ phận chuyển động, đo được vận tốc không khí thấp, có độ chính xác cao và có thể đo được nhiệt độ không khí từ tốc độ âm thanh.

Máy đo gió sonic có nhược điểm là bị ảnh hưởng bởi mưa, sương mù hoặc băng tuyết, vì chúng làm thay đổi tốc độ âm thanh và làm giảm tín hiệu phản xạ. Nó còn có thể bị nhiễu bởi các nguồn âm thanh khác trong môi trường.

Máy đo tốc độ gió này sử dụng đến cảm biến siêu âm để đo tốc độ và hướng gió. Nó thường được sử dụng trong nghiên cứu thời tiết và môi trường.

Máy đo gió siêu âm cung cấp các phép đo nhanh và chính xác về tốc độ gió ba chiều và được Trung tâm Khoa học Khí quyển sử dụng rộng rãi để thực hiện các phép đo gió thông thường và nhiễu loạn chi tiết. Những thiết bị này có thể thực hiện các phép đo tốc độ gió trong phạm vi 0 – 60 m/s, với độ phân giải 1 cm/s ở tốc độ lấy mẫu lên tới 100Hz.

Máy đo gió Laser dùng hiệu ứng Doppler – Laser Doppler Anemometer

Laser Doppler Anemometer là một loại máy đo gió dùng để đo vận tốc của không khí, bằng cách sử dụng hiệu ứng Doppler của ánh sáng laser phản xạ bởi các hạt nhỏ trong không khí. Dịch chuyển tần số của ánh sáng phản xạ tỷ lệ thuận với vận tốc của không khí.

Nó còn có cách gọi khác là LIDAR (Light Detection And Ranging)

Nguyên lý của nó dựa trên hiện tượng dịch chuyển tần số Doppler của ánh sáng (Laser) bị phân tán bởi các hạt chuyển động. Máy đo gió Laser Doppler. Thiết bị này sử dụng tia laser được chia thành hai khối. Một trong hai khối bao quanh anemometer. Các hạt chảy cùng với phân tử không khí sẽ đi qua và tiến gần đến khối phản chiếu / phản xạ ngược, sau đó ánh sáng quay lại hướng detector.

Máy đo tốc độ gió sử dụng công nghệ SODAR

Máy đo tốc độ gió SODAR là một loại máy đo gió dùng để đo vận tốc và hướng của gió, bằng cách sử dụng sóng âm thanh và hiệu ứng Doppler để đo thời gian truyền của sóng âm thanh phản xạ bởi các hạt nhỏ trong không khí. Từ đó, có thể tính được vận tốc và hướng của gió theo nhiều độ cao khác nhau.

SODAR (Sound Detection And Ranging) là một công nghệ viễn thám trên mặt đất truyền (qua loa) một xung âm thanh hình Sin (thường là 50 ms) vào không khí, sau đó lắng nghe các tín hiệu trả về trong một khoảng thời gian ngắn, đo các sóng âm thanh bị phân tán trở lại.

Ứng dụng của máy đo gió

Máy đo gió có nhiều ứng dụng bao gồm:

– Khí tượng và giám sát thời tiết: Máy đo gió được dùng để đo tốc độ và hướng gió, là những thông số quan trọng trong dự báo thời tiết, phân tích khí hậu và cảnh báo thiên tai.
– Hàng không và vận tải hàng không: Máy đo gió được dùng để đo tốc độ và hướng gió tại các sân bay, các khu vực bay và các vùng không phận. Những thông tin này giúp cho việc điều hành, an toàn và hiệu quả của các chuyến bay.
– Nghiên cứu nông nghiệp: Máy đo gió được dùng để đo tốc độ và hướng gió tại các khu vực trồng trọt, chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản. Những thông tin này giúp cho việc quản lý, bảo vệ và cải thiện năng suất của các hoạt động nông nghiệp.
– Sản xuất công nghiệp: Máy đo gió được dùng để đo tốc độ và hướng gió tại các khu vực có luồng không khí được kiểm soát như các nhà máy, các phòng thí nghiệm, các phòng sạch và các phòng cháy chữa cháy. Những thông tin này giúp cho việc duy trì, điều chỉnh và tối ưu hóa các quá trình sản xuất.
– Kiểm soát môi trường: Máy đo gió được dùng để đo tốc độ và hướng gió tại các khu vực có nguy cơ ô nhiễm không khí như các khu công nghiệp, các khu dân cư, các khu du lịch và các khu bảo tồn. Những thông tin này giúp cho việc phòng ngừa, giám sát và xử lý các vấn đề môi trường.
– Nghiên cứu: Máy đo gió được dùng để đo tốc độ và hướng gió trong các thí nghiệm khoa học, kỹ thuật và công nghệ. Những thông tin này giúp cho việc thiết kế, thực hiện và phân tích các kết quả nghiên cứu.

 

Nguồn tham khảo:

1. Wikipedia: Anemometer – https://en.wikipedia.org/wiki/Anemometer
2. Pitot Tube Anemometer PCE-HVAC 2 | PCE Instruments (pce-instruments.com)