Cảm biến đo gió hay cảm biến vận tốc khí hiện nay được thiết kế với đa dạng mẫu mã dựa trên các nguyên lý vận hành khác nhau. Sự khác biệt này phụ thuộc vào mục đích đo lường, môi trường ứng dụng cũng như cấu tạo của thiết bị - từ các cơ cấu đơn giản cho đến những công nghệ điện tử tiên tiến. Trong bài viết dưới đây, Sensors Việt Nam sẽ hệ thống hóa những nguyên lý hoạt động phổ biến nhất của cảm biến đo gió, qua đó giúp bạn hiểu rõ cách thức đo lường và đưa ra lựa chọn thiết bị phù hợp với nhu cầu nhất.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN ĐO GIÓ - KHÁI QUÁT CHUNG

Trước khi đi vào phân tích từng loại cảm biến cụ thể, cần hiểu rằng mọi cảm biến đo vận tốc gió đều dựa trên cùng một nguyên lý cốt lõi, đó là: xác định tác động của dòng khí lên một phần tử đo và từ đó suy ra tốc độ gió.

Thông thường, quá trình đo lường của cảm biến đo gió sẽ bao gồm các bước cơ bản sau:

- Dòng khí tác động trực tiếp lên bộ phận cảm biến (cánh quạt, dây nóng hoặc đường truyền sóng âm).

- Sự tác động này được chuyển đổi thành tín hiệu điện hoặc cơ học.

- Tín hiệu sau đó được xử lý để tính toán vận tốc gió và hiển thị trên màn hình LCD hoặc truyền về hệ thống điều khiển trung tâm.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN ĐO GIÓ - PHÂN LOẠI ĐIỂN HÌNH

Dưới đây là những nguyên lý hoạt động cảm biến đo gió được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dây nóng (Hot-wire / Hot-film)

Cảm biến dây nóng là dòng cảm biến hiện đại, hoạt động dựa trên hiện tượng trao đổi nhiệt giữa dòng khí và một phần tử được gia nhiệt. Do không sử dụng bộ phận quay và có độ nhạy cao, loại cảm biến này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng cần đo chính xác những biến thiên nhỏ của vận tốc gió.

Cấu trúc cơ bản:

- Dây nóng hoặc tấm film siêu mỏng được gia nhiệt đến mức cao hơn nhiệt độ môi trường khoảng 50-80°C.

- Hai cảm biến nhiệt: một để đo nhiệt độ dây/film và một để xác định nhiệt độ môi trường.

- Mạch điều khiển đảm nhiệm việc duy trì nhiệt độ ổn định, xử lý và chuyển đổi tín hiệu.

Nguyên lý hoạt động:

- Phần tử dây hoặc film được cấp điện để đạt đến nhiệt độ đặt trước.

- Khi luồng gió đi qua, nhiệt lượng từ dây/film bị cuốn theo dòng khí, làm nhiệt độ của phần tử đo giảm xuống.

- Mạch điều khiển phát hiện sự sụt giảm này và tự động tăng dòng điện cấp vào để giữ nhiệt độ không đổi.

- Lượng dòng điện bổ sung tỷ lệ thuận với tốc độ gió: gió càng mạnh, khả năng tản nhiệt càng lớn, dòng bù càng cao.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến cốc gió

Cảm biến cốc gió là một trong những phương pháp đo vận tốc gió lâu đời nhất và vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đo gió tiêu chuẩn.

Cấu trúc cơ bản:

- Ba cốc dạng bán cầu hoặc hình nón, gắn trên các tay đòn ngang.

- Trục quay thẳng đứng đặt tại tâm.

- Bộ phận cảm biến bên trong, thường là công tắc cơ học hoặc cảm biến từ.

Nguyên lý hoạt động:

- Các cốc được bố trí sao cho bề mặt lõm luôn chịu tác động khác nhau của dòng gió.

- Sự chênh lệch lực tác động tạo ra mô-men xoắn, khiến trục quay.

- Tốc độ quay của trục tỷ lệ trực tiếp với vận tốc gió.

- Một nam châm gắn trên trục khi quay sẽ đi qua công tắc hoặc cảm biến từ, tạo ra các xung điện.

- Hệ thống đếm số xung trong một khoảng thời gian xác định để suy ra tốc độ gió.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tốc độ gió dạng cánh quạt

Cảm biến cánh quạt (hay còn gọi là cảm biến xoáy) là loại cảm biến cơ học phổ biến, thường được sử dụng để đo vận tốc gió theo hướng xác định.

Cấu trúc cơ bản:

- Cánh quạt lắp ở phía trước, quay theo hướng dòng gió.

- Cánh lái phía sau giúp định hướng cảm biến luôn song song với luồng gió.

- Trục quay nằm ngang.

- Cảm biến từ hoặc công tắc để ghi nhận chuyển động quay.

Nguyên lý hoạt động:

- Khi gió thổi qua, cánh quạt bắt đầu quay, số vòng quay phản ánh tốc độ gió.

- Cánh lái phía sau có nhiệm vụ giữ cho cánh quạt luôn hướng đúng chiều gió.

- Khác với cảm biến cốc gió, loại này quay quanh trục ngang, phù hợp cho các phép đo định hướng.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo gió siêu âm

Cảm biến đo gió siêu âm là công nghệ tiên tiến, không sử dụng bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Thay vào đó, thiết bị xác định vận tốc gió thông qua sự thay đổi của sóng âm.

Cấu trúc cơ bản:

- Các bộ phát siêu âm (thường bố trí 3 hoặc 4 bộ).

- Các bộ thu siêu âm tương ứng.

- Bộ xử lý trung tâm có nhiệm vụ tính toán thời gian truyền sóng.

Nguyên lý hoạt động:

- Một bộ phát gửi xung sóng âm đến bộ thu được đặt cách nó một khoảng cố định.

- Khi không có gió, sóng âm truyền đi và quay về với thời gian không đổi.

- Khi có gió song song với hướng truyền sóng:

- Gió cùng chiều làm sóng truyền nhanh hơn.

- Gió ngược chiều làm sóng truyền chậm hơn.

- Bộ xử lý sẽ xác định độ chênh lệch thời gian truyền sóng và chuyển đổi giá trị này thành vận tốc gió.

Mỗi nguyên lý hoạt động của cảm biến đo gió đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Cảm biến cốc gió được ưa chuộng nhờ cấu tạo đơn giản và độ tin cậy cao, trong khi cảm biến siêu âm ngày càng phổ biến nhờ khả năng đo chính xác, độ bền và ít bảo trì. Tuy nhiên, cảm biến dây nóng vẫn được đánh giá là giải pháp tối ưu trong nhiều ứng dụng nhờ độ nhạy cao và khả năng phát hiện những thay đổi rất nhỏ của luồng khí. 

Hy vọng bài viết này của Sensors Việt Nam đã giúp bạn hiểu rõ hơn về các nguyên lý hoạt động của cảm biến đo vận tốc gió, từ đó lựa chọn được thiết bị phù hợp nhất cho nhu cầu sử dụng của mình.