מד רוח

מד רוח (אנמומטר - Anemometer) הוא מכשיר מדידה למדידת מהירות הרוח. מקור המונח במילה היוונית אנמוס (Anemos) - רוח. זהו אחד המכשירים המותקנים בתחנה מטאורולוגית, ולו גם שימושים במתקנים תעשייתיים, כגון מדידת מהירות זרימה בתעלות אוורור ובמנהרת רוח. מדי רוח מסוימים מספקים מדידה בו זמנית של מהירות הרוח וכיוונה. התיאור הראשון הידוע של מד הרוח הוא של לאון בטיסטה אלברטי. על מנת לספק מידע על מהירות הזרימה על החיישן להיות באינטראקציה עם זרם הגז (או הנוזל). להלן מובא תיאור מקוצר של מספר עקרונות פעולה אותם מנצלים מדי רוח שונים, אשר חלקם יתוארו בהרחבה בהמשך. אינטראקציה באמצעות העברת מומנט (כוח): דוגמה לעיקרון זה הוא מד רוח כפות, בו הזרימה מסובבת התקן מכני; או מד רוח מבוסס גרר, בו הזרימה מסיטה ממקומו עצם כגון כדור או גליל, כנגד כוח היחסי למידת ההיסט (למשל קפיץ או כבידה). בסווג זה נכללים גם מדי רוח המבוססים על עליית הלחץ בתוך צינור החוסם את הזרימה (לדוגמה צינור פיטו). התפשטות קול: מד רוח אולטרה-סוני אשר מודד את מהירות הרוח על ידי מדידת הבדל מהירות הקול בכיוון הזרימה ובניגוד לכיוון הזרימה. אינטראקציה באמצעות העברת חום: חיישן חוט להט, אשר מאבד חום לסביבה ביחס למהירות הגז (או הנוזל) הזורם סביבו. הקצב בו יש לספק אנרגיה לחוט הלהט על מנת לשמור על טמפרטורה קבועה משמש מדידה עקיפה למהירות הרוח. סחיפת חלקיקי עקיבה: בסווג זה נכללים חיישן המודד את מהירות תנועתו של חלקיק עוקב הנסחף בזרימה. הסקת מהירות הרוח על ידי סדרת תצלומי לוויין ומיקום העננים היא דוגמה לעיקרון זה, וכן גם מד רוח לייזר דופלר. מד רוח כפות הומצא ב-1846 על ידי ג'ון תומאס רומני רובינסון. הוא מורכב מארבע כפות בצורת חצי כדור המורכבות על ארבע זרועות הניצבות זו לזו, המותקנות על ציר אנכי. זרימת אוויר בכל כיוון אופקי מסובבת את הכפות במהירות יחסית למהירות הרוח. מניית מספר הסיבובים בפרק זמן נתון משמשת הערכה למהירות הרוח הממוצעת בטווח רחב של מהירויות. כאשר רובינסון תכנן את מד הרוח לראשונה, הוא טען שהיחס בין מהירות הרוח למהירות הכפות הוא שלוש, ללא קשר לקוטר הכפות או אורך הזרועות. דבר זה אומת כנראה במספר תצפיות מוקדמות, אולם התברר כשגוי. למעשה, היחס בין מהירות הרוח למהירות הכפות תלוי בממדי הכפות והזרועות, ונע בין שתיים למעט מעל שלוש. מד רוח בעל שלוש כפות פותח על ידי הקנדי ג'ון פטרסון (Dr. John Patterson) בשנת 1926, ובהמשך עיצוב משופר של הכף על ידי ברוורט וג'וינר (Brevoort & Joiner) מארצות הברית בשנת 1936, הסתכם במד הרוח המודרני המוכר, שלו תגובה ליניארית ושגיאה של פחות מ-3% עד למהירויות של כ-100 קמ"ש. למד רוח זה גם מומנט סיבוב קבוע יותר ותגובה טובה יותר למשבים מאשר למד רוח בן ארבע כפות. מהירות הסיבוב של הכפות אינה תלויה בצפיפות האוויר, ולכן אינה מושפעת משינויי טמפרטורה, לחות, גובה, ולחץ ברומטרי. במד רוח מדחף, הנקרא גם מד "טחנת רוח", מספר כנפיים המותקנות על ציר סיבוב אשר מקביל לכיוון הזרימה. בנוסף, מכיוון שלרוב כיוון הרוח משתנה, מצויד לעיתים מכשיר זה בזנב כיוון (שבשבת) אשר מציב את ציר המדחף במקביל לרוח. צירוף זה מאפשר לקבל מדידה משולבת של מהירות הרוח וכיוונה מהתקן אחד. מהירות הסיבוב של המדחף היא יחסית למהירות הזרימה, כאשר היחס נקבע על ידי פסיעת המדחף (זווית התקיפה של להבי המדחף ביחס למישור ציר הסיבוב). מהירות הסיבוב של המדחף אינה תלויה בצפיפות האוויר, ולכן אינה מושפעת משינויי טמפרטורה, לחות, גובה, ולחץ ברומטרי. ערך מורחב – צינור פיטו צינור פיטו הוא צינור דק אשר פיתחו מופנה אל כיוון הזרימה. קצהו האחר של הצינור מובל אל מכשיר למדידת הפרש לחצים, והוא חסום, כך שאין זרימה בצינור. בפתח הצינור, בנקודה אשר נקראת נקודת הסטגנציה, מתפתח לחץ המורכב מסכום הלחץ הסטטי (הלחץ של הסביבה) והלחץ הדינמי (כתוצאה ממהירות הזרימה). לחץ זה נקרא הלחץ הטוטלי. הלחץ הסטטי נמדד על ידי צינור אשר פיתחו מקביל לזרימה, ומובל למד הפרש הלחצים גם הוא. הפרש הלחצים הנמדד הוא הלחץ הדינמי, אשר יחסי לריבוע מהירות הזרימה. הלחץ הדינמי יחסי גם לצפיפות האוויר, ולכן מושפע מהגובה, טמפרטורה, לחץ ברומטרי, ולחות. צינור פיטו משמש בעיקר למדידת מהירות כלי טיס ולמדידת מהירויות של אוויר וגז בהתקנים תעשייתיים. מד רוח אולטרה-סוני, אשר פותח לראשונה בשנות השבעים, עושה שימוש בגלי קול למדידת מהירות הרוח. מד זה מודד את מהירות הרוח על בסיס מדידת זמן המעבר של פעימה אולטרה-סונית בין זוג חיישנים. ניתן לשלב בין מדידות של מספר זוגות במרחב על מנת לקבל מדידה של מהירות וכיוון הזרימה בממד אחד, שניים, או שלושה ממדים. הרזולוציה המרחבית של המד נתונה על ידי המרחק בין זוג חיישנים, 10 - 20 סנטימטרים באופן טיפוסי. מד רוח אולטרה-סוני מסוגל למדוד ברזולוציה זמנית טובה, 20 הרץ או יותר, מה שמכשיר אותו למדידת זרימה מערבולית. היעדר חלקים נעים ואמינות מופלגת תורמים להתאמת מד רוח זה לתחנות מדידה מרוחקות ושימוש במצופי מזג אוויר בלב ים, שם מד רוח כפות או מדחף סובלים מאמינות נמוכה עקב חשיפה למי מלח ואבק. חסרונם העיקרי הוא עוות הזרימה עצמה על ידי המבנה אשר תומך בחיישנים, דבר הדורש כיול המכשיר במנהרת רוח. חיסרון נוסף הוא ירידה בדיוק עקב משקעים, מכיוון שטיפות גשם עלולות לשנות את מהירות הקול. מכיוון שמהירות הקול תלויה בטמפרטורה, והיא כמעט קבועה בשינויי לחץ, משמש מכשיר זה גם כמד טמפרטורה. מדי רוח אולטרה-סוניים דו־ממדיים, למדידת מהירות רוח וכיוונה במישור האופקי, משמשים בתחנות מזג אוויר, ספינות, טורבינות רוח, תעופה, ובמצופי מזג אוויר בלב ים. מד רוח מסוג חוט להט עושה שימוש בתיל דק מאוד (סדר גודל של מיקרומטרים בודדים) אותו מחממים באמצעות זרם חשמלי לטמפרטורה מעל טמפרטורת הסביבה. אוויר אשר זורם מסביב לתיל מקרר את התיל. ככל שהאוויר זורם מהר יותר, כך הוא מקרר יותר מהר את התיל. ניתן למדוד את מהירות הקירור באמצעות השינויים בהתנגדות החשמלית של התיל, זאת כיוון שההתנגדות החשמלית של התיל המתכתי תלויה בטמפרטורה (טונגסטן היא בחירה נפוצה). כך שניתן למצוא קשר בין התנגדות התיל ומהירות הזרימה סביבו. קיימות מספר דרכים לממש עיקרון זה, וחיישני חוט הלהט ניתנים לסיווג נוסף: זרם קבוע, מתח קבוע, או טמפרטורה קבועה. כלומר, יציאת המתח של מד זה היא תוצאתו של מעגל אלקטרוני המנסה לשמור על אחד ממשתנים אלה (זרם, מתח או טמפרטורה) קבוע. עקרון פעולה נוסף הוא איפנון רוחב פעימה (PWM - Pulse Width Modulation), אשר בו פעימת זרם נמשכת עד אשר התיל מגיע לטמפרטורה מסוימת, אז היא נפסקת, עד אשר התנגדות התיל יורדת מתחת לערך סף מסוים. את רוחב הפולס ניתן לקשר למהירות הזרימה. חיישני חוט להט עדינים מאוד, אולם יתרונם הגדול הוא בתגובת התדר הרחבה (היכולת להגיב לשינויים מהירים במהירות) והרזולוציה המרחבית העדינה שלהם בהשוואה לשיטות מדידה אחרות. הם בעצמם דקים וכמעט ולא מפריעים לזרימה, ולכן הם משמשים בעיקר לצורכי מחקר של מקומות שונים בתוך זרימות מערבוליות, וכן במדידת שינויים מהירים במהירות הזרימה. מד רוח לייזר-דופלר מורכב מקרן לייזר המפוצלת לשתי קרניים, אחת מהם מוקרנת אל מחוץ למכשיר. אור אשר מוחזר מחלקיקים אשר נעים ביחד עם האוויר (או חלקיקי מעקב אשר מוספים לזרימה במכוון) נכנס חזרה למכשיר המדידה ומנותב על ידי מערכת מראות אל הגלאי. כאשר החלקיקים נעים במהירות גבוהה, נוצר אפקט דופלר ביחס לקרן המקורית, אשר נמדד על ידי הגלאי. אפקט זה משמש למדידת מהירות החלקיקים, ולכן מודד את מהירות הרוח סביב מכשיר המדידה. היסטוריה של המטאורולוגיה אנרגיית רוח שרוול רוח מדידת מהירות רוח, קורס מכשור סביבתי, אוניברסיטת אלברטה, קנדה מד רוח, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Invention of the Meteorological Instruments, W.E. Knowles Middleton, Johns Hopkins Press, Baltimore, 1969 "Hot-wire Anemometer explanation". eFunda. נבדק ב-8 באוקטובר 2016. {{cite web}}: (עזרה) Iten, Paul D. (29 ביוני 1976). "Laser doppler anemometer". United States Patent and Trademark Office. נבדק ב-8 באוקטובר 2016. {{cite web}}: (עזרה)