Što je piezoelektrični senzor? Što je vjetrobranski senzor brzine vjetra?
1. Uvod u senzore
Senzor (engleski naziv: transducer/sensor) je detekcijski uređaj koji može detektirati izmjerene informacije i pretvoriti osjetilne informacije u električne signale ili druge potrebne oblike izlaza informacija u skladu s određenim pravilima kako bi se zadovoljili zahtjevi prijenosa, obrade, pohrane informacija , prikaz, snimanje i upravljanje. Zbog mnogih vrsta senzora, u ovom članku urednik predstavlja samo piezoelektrični senzor i senzor brzine vjetra s vjetrobranskom kupom.
2. Piezoelektrični senzor
Prije svega, pogledajmo neka relevantna znanja o piezoelektričnim senzorima. Senzori tlaka su najčešće korišteni senzori u industrijskoj praksi, a senzori tlaka koje obično koristimo uglavnom su proizvedeni korištenjem piezoelektričnog učinka. Takvi se senzori nazivaju i piezoelektrični senzori.
Piezoelektrični materijali koji se uglavnom koriste u piezoelektričnim senzorima uključuju kvarc, kalij natrijev tartarat i amonijev dihidrogen fosfat. Među njima, kvarc (silicijev dioksid) je prirodni kristal, a piezoelektrični učinak nalazi se u ovom kristalu. Unutar određenog temperaturnog raspona, piezoelektrično svojstvo uvijek postoji, ali kada temperatura prijeđe taj raspon, piezoelektrično svojstvo potpuno nestaje (ova visoka temperatura je tzv. "Curiejeva točka"). Budući da se električno polje neznatno mijenja s promjenom naprezanja (odnosno piezoelektrični koeficijent je relativno nizak), kvarc se postupno zamjenjuje drugim piezoelektričnim kristalima. Kalijev natrijev tartarat ima veliku piezoelektričnu osjetljivost i piezoelektrični koeficijent, ali se može primijeniti samo u okruženju s relativno niskom sobnom temperaturom i vlagom. Amonijev dihidrogenfosfat je umjetni kristal, koji može izdržati visoke temperature i relativno visoku vlažnost, pa je široko korišten.
3. Senzor brzine vjetra Wind Cup
Nakon razumijevanja relevantnog znanja o piezoelektričnom senzoru, pogledajmo dio sadržaja prilagođenog senzora za vjetrobran.
Wind cup senzor brzine vjetra vrlo je uobičajeni senzor brzine vjetra, koji je prvi izumio Robinson u Engleskoj. U Kini se naširoko koristi senzor brzine vjetra s vjetrom. Senzorski dio senzora brzine vjetra sastoji se od tri ili četiri stožaste ili polukuglaste prazne čašice. Šuplji omotač čaše pričvršćen je na nosače u obliku trokrake zvijezde pod kutom od 120 stupnjeva ili na nosače u obliku križa pod kutom od 90 stupnjeva jedan prema drugom. Konkavne površine čašica raspoređene su u jednom smjeru, a cijeli okvir poprečne ruke fiksiran je na okomitu os rotacije.
Kada vjetar puše s lijeve strane, vjetrobran 1 je paralelan sa smjerom vjetra, a komponenta sile pritiska vjetra na vjetar 1 u smjeru koji je najokomitiji na os vjetra je približno nula. Vjetrobrani 2 i 3 sijeku se sa smjerom vjetra pod kutom od 60 stupnjeva. Za vjetrobran 2, njegova konkavna površina okrenuta je prema vjetru i podnosi najveći pritisak vjetra; čašica vjetra 3 ima konveksnu površinu okrenutu prema vjetru, a vjetar oko nje čini tlak vjetra manjim od onog čašice vjetra 2. Zbog razlike tlaka između čašice vjetra 2 i čaše vjetra 3 u smjeru okomitom na os vjetrobran, vjetrobran se počinje okretati u smjeru kazaljke na satu.
Nakon što se šalica vjetra počne okretati, budući da se šalica 2 okreće duž smjera vjetra, pritisak vjetra relativno opada, dok se šalica 3 okreće protiv vjetra istom brzinom, tlak vjetra relativno raste, a razlika tlakova vjetra nastavlja se smanjivati. Nakon određenog vremena (konstantne brzine vjetra), kada je razlika parcijalnog tlaka koja djeluje na tri vjetrobrana jednaka nuli, vjetrobrani će se okretati jednakom brzinom. Na taj način se brzina vjetra može odrediti prema brzini vjetrobrana (okretaji u sekundi).
Kada se vjetrobran okreće, pokreće koaksijalni disk za rezanje s više zuba ili magnetsku šipku da se okreće i dobiva pulsni signal proporcionalan brzini vjetrobrana kroz krug. Pulsni signal broji brojač, a stvarna vrijednost brzine vjetra može se dobiti nakon pretvorbe. Trenutačno novi rotorski anemometar koristi tri čašice, a izvedba konusne čašice bolja je od one polukuglaste. Kada se brzina vjetra poveća, rotor može brzo povećati brzinu kako bi odgovarao brzini protoka zraka. Kada se brzina vjetra smanji, zbog utjecaja inercije, brzina vjetra neće odmah pasti. Rotacijski anemometri obično pokazuju previsoku brzinu vjetra u naletima i imaju preveliki učinak (stvaraju prosječnu pogrešku od oko 10 posto).
