Co to jest czujnik piezoelektryczny? Co to jest czujnik prędkości wiatru w kubku wiatrowym?
1. Wprowadzenie do czujników
Czujnik (angielska nazwa: przetwornik/czujnik) to urządzenie wykrywające, które może wykryć zmierzone informacje i przekształcić wykryte informacje w sygnały elektryczne lub inne wymagane formy wyjściowej informacji zgodnie z pewnymi zasadami, aby spełnić wymagania dotyczące przesyłania, przetwarzania i przechowywania informacji , wyświetlanie, nagrywanie i sterowanie. Ze względu na dużą liczbę typów czujników, w tym artykule redaktor przedstawia jedynie czujnik piezoelektryczny i czujnik prędkości wiatru w kubku wiatrowym.
2. Czujnik piezoelektryczny
Przede wszystkim przyjrzyjmy się odpowiedniej wiedzy na temat czujników piezoelektrycznych. Czujniki ciśnienia są czujnikami najczęściej stosowanymi w praktyce przemysłowej, a czujniki ciśnienia, których zwykle używamy, produkowane są głównie z wykorzystaniem efektu piezoelektrycznego. Takie czujniki nazywane są również czujnikami piezoelektrycznymi.
Materiały piezoelektryczne stosowane głównie w czujnikach piezoelektrycznych obejmują kwarc, winian potasowo-sodowy i diwodorofosforan amonu. Wśród nich kwarc (dwutlenek krzemu) jest naturalnym kryształem i w tym krysztale występuje efekt piezoelektryczny. W pewnym zakresie temperatur właściwości piezoelektryczne zawsze istnieją, jednak gdy temperatura przekroczy ten zakres, właściwości piezoelektryczne całkowicie zanikają (ta wysoka temperatura to tzw. „punkt Curie”). Ponieważ pole elektryczne zmienia się nieznacznie wraz ze zmianą naprężenia (to znaczy współczynnik piezoelektryczny jest stosunkowo niski), kwarc jest stopniowo zastępowany innymi kryształami piezoelektrycznymi. Winian potasowo-sodowy ma dużą czułość piezoelektryczną i współczynnik piezoelektryczny, ale można go stosować tylko w środowisku o stosunkowo niskiej temperaturze pokojowej i wilgotności. Diwodorofosforan amonu jest sztucznym kryształem, który wytrzymuje wysoką temperaturę i stosunkowo wysoką wilgotność, dlatego jest szeroko stosowany.
3. Czujnik prędkości wiatru w kubku wiatrowym
Po zapoznaniu się z odpowiednią wiedzą na temat czujnika piezoelektrycznego, przyjrzyjmy się niektórym treściom niestandardowego czujnika wiatraka.
Czujnik prędkości wiatru w kubku wiatrowym jest bardzo powszechnym czujnikiem prędkości wiatru, który został wynaleziony po raz pierwszy przez Robinsona w Anglii. W Chinach szeroko stosowany jest czujnik prędkości wiatru w kubku wiatrowym. Część czujnikowa czujnika prędkości wiatru w misce wiatrowej składa się z trzech lub czterech pustych misek stożkowych lub półkulistych. Pusta miseczka jest mocowana na trójramiennych wspornikach w kształcie gwiazdy pod kątem 120 stopni lub na wspornikach w kształcie krzyża pod kątem 90 stopni względem siebie. Wklęsłe powierzchnie misek ułożone są w jednym kierunku, a cała rama poprzeczna jest zamocowana na pionowej osi obrotu.
Kiedy wiatr wieje z lewej strony, czasza wiatrowa 1 jest równoległa do kierunku wiatru, a siła składowa ciśnienia wiatru na czaszę wiatrową 1 w kierunku najbardziej prostopadłym do osi czaszy wiatrowej wynosi w przybliżeniu zero. Czasze wiatrowe 2 i 3 przecinają się z kierunkiem wiatru pod kątem 60 stopni. W przypadku czaszy 2 jej wklęsła powierzchnia jest zwrócona w stronę wiatru i wytrzymuje największe ciśnienie wiatru; czasza wiatrowa 3 ma wypukłą powierzchnię zwróconą w stronę wiatru, a wiatr wokół niej powoduje, że ciśnienie wiatru jest mniejsze niż w czaszy 2. Ze względu na różnicę ciśnień pomiędzy czaszą 2 i czaszą 3 w kierunku prostopadłym do osi czasza wiatrowa, czasza wiatrowa zaczyna się obracać zgodnie z ruchem wskazówek zegara.
Gdy czasza wiatrowa zacznie się obracać, ponieważ czasza 2 obraca się wzdłuż kierunku wiatru, ciśnienie wiatru względnie maleje, podczas gdy czasza 3 obraca się pod wiatr z tą samą prędkością, ciśnienie wiatru wzrasta względnie, a różnica ciśnień wiatru ciągle maleje. Po pewnym czasie (stała prędkość wiatru), gdy różnica ciśnień cząstkowych działająca na trzy czasze wiatrowe wynosi zero, czasze wiatrowe będą się obracać ze stałą prędkością. W ten sposób prędkość wiatru można określić na podstawie prędkości czaszy wiatrowej (obroty na sekundę).
Gdy misa wiatrowa się obraca, napędza współosiową wielozębną tarczę tnącą lub pręt magnetyczny w celu obracania się i uzyskuje sygnał impulsowy proporcjonalny do prędkości misy wiatrowej w obwodzie. Sygnał impulsowy jest zliczany przez licznik, a rzeczywistą wartość prędkości wiatru można uzyskać po przeliczeniu. Obecnie nowy anemometr wirnikowy wykorzystuje trzy przyssawki, a działanie przyssawki stożkowej jest lepsze niż w przypadku półkuli. Gdy prędkość wiatru wzrasta, rotor może szybko zwiększyć prędkość, aby dopasować ją do prędkości przepływu powietrza. Kiedy prędkość wiatru maleje, pod wpływem bezwładności, prędkość wiatru nie spadnie natychmiast. Anemometry obrotowe zwykle wskazują zbyt dużą prędkość wiatru w porywach i dają przewymiarowany efekt (średni błąd około 10 procent).
