Анемометр. Виды и работа. Применение и отличия. Особенности

Акустические анемометры

Такие устройства еще называют ультразвуковыми. Подобное оборудование создает ультразвуковой сигнал, после чего измеряется скорость его передвижения. Движущиеся воздушные потоки влияют на данный показатель. Полученные результаты переводятся электронным оборудованием прибора в показатель скорости.

Анемометр этого типа обычно применяется для измерения скорости потоков газа. Такие системы намного сложнее, чем может показаться изначально. Они не просто берут во внимание затраты времени, которые уходят на прохождение ультразвуковой волны от передатчика до приемника, но и принимают во внимание внешние факторы. В первую очередь это температура и влажность воздуха.

Акустический резонансный анемометр

Принцип работы анемометра акустического резонанса.

Акустический резонансный анемометр – это недавняя модификация ультразвукового анемометра. Разработанный Саввасом Капартисом и запатентованный в 2000 году компанией FT Technologies , он использует волну, излучаемую непрерывно в открытой полости, вместо импульсной волны для измерения скорости ветра.

Излучение преобразователей создает в полости стоячую ультразвуковую волну, фаза которой изменяется в зависимости от скорости воздуха, проходящего через полость. Измеряя фазовый сдвиг, воспринимаемый приемниками каждого преобразователя, можно извлечь измерение горизонтального ветра и его направления.

Свойства акустического резонанса в воздухе позволяют проводить это измерение с полостью, которая обычно меньше размеров традиционных акустических анемометров. Это дает то преимущество, что детектор миниатюризируется, становится более надежным и включает нагревательный элемент для таяния снега или льда, которые могут там скапливаться.

Анемометр вертушка (или байрам)

Ручной анемометр с вертушкой.

Анемометр с вертушкой – это прибор, измеряющий скорость ветра путем вращения вертушки с горизонтальной или вертикальной осью.

Принцип аналогичен анемометру с пропеллерами, где последние заменены лопастями . Существенное различие между этими двумя типами заключается в том, что измеритель тока представляет собой планарный датчик (он измеряет компонент вектора ветра в плоскости, перпендикулярной его оси вращения), в то время как пропеллер представляет собой декартово датчик, измеряющий проекцию вектора ветра на его ось вращения.

Чаще всего к этому типу относятся портативные анемометры, которые наблюдатель может легко использовать где угодно.

Анемометр с подвижной пластиной (известный как вентиметр)

Это очень простой ручной анемометр с относительной точностью, но достаточный для использования моряками и водителями на борту небольших лодок без сложных установок: легкий пластиковый диск скользит по вертикальной штанге из нержавеющей стали. Шток и диск заключены в прозрачную трубку в форме усеченного конуса (больший диаметр по направлению к верху) из пластика, нижняя часть которой образует ручку.

Отверстие в основании соединяет внутреннюю часть трубки с внешней стороной для улавливания ветра, а отверстие в верхней части отводит воздух, поступающий снизу. Из-за формы усеченного конуса трубы, требуется все более сильный ветер, чтобы диск поднимался вдоль стержня.

Воздухозаборник должен быть обращен к направлению ветра (выпускное отверстие на противоположной стороне находится по ветру ) и к показаниям устройства (удерживаться на расстоянии вытянутой руки в пространстве, максимально свободном от помех парусов или надстроек). осуществляется непосредственно шкалой, выгравированной на прозрачном усеченном конусе.

Это устройство, запатентованное и произведенное шведской компанией Elvometer, пользовалось большой популярностью в 1950-1980 годах (до появления водонепроницаемых и миниатюрных электронных устройств). Его создатель заявил о погрешности в 1 узел в диапазоне практического использования устройства от 1 до 55 узлов, охватывающем почти всю шкалу Бофорта (которая является эмпирической и не предполагает измерения скорости ветра специальным прибором).

Чрезвычайная стойкость этого устройства к приемлемой точности была основной причиной его успеха. Различные обозначения на упаковочной тубе устройства и рукоятке позволяли произвести необходимую корректировку в зависимости от высоты (вентиметр, используемый на небольших рыболовных или прогулочных судах, находящихся на высоте лишь нескольких метров над уровнем моря.

‘Вода – иногда изменчивый – в то время как анемометры метеостанций, упомянутые в морских сводках погоды , подвергаются более сильному ветру, преобладающему на их стандартной высоте установки 33 фута (или около 10 метров) над плоскостью поверхности.

Анемометр с трубкой пито

Принцип трубки Пито.

Трубка Пито обязана своим названием французскому физику Анри Пито (1695-1771), который первым в 1732 году предложил «машину для измерения скорости проточной воды и следа за судами» . Эту концепцию подхватил и улучшил Генри Дарси, а затем Людвиг Прандтль, который думает об использовании трубки в трубе для измерения локальных скоростей потока жидкости. В аэронавтике это, с технологической точки зрения, преемник системы Etévé.

Трубка Пито является составным элементом анемобарометрической системы, состоящей из двух коаксиальных коленчатых трубок, отверстия которых, сообщающиеся с текучей средой, скорость которой должна быть измерена, расположены определенным образом.

Разница между этими давлениями дает воздушную скорость, по которой может быть определена путевая скорость. Эти два параметра являются важной информацией для пилота, который нуждается в ней для расчета своего перемещения в пространстве (навигация) и расхода топлива его транспортного средства. Это следует из теоремы Бернулли, если пренебречь термином z как имеющим прямую связь между скоростью и динамическим давлением, которое измеряется датчиком давления или простым манометром.
пт-пs{ displaystyle scriptstyle P_ {t} -P_ {s}}12ρV2 пsзнак равно0 пт{ displaystyle textstyle { frac {1} {2}} rho V ^ {2} P_ {s} = 0 P_ {t}}, откуда Vзнак равно2(пт-пs)ρ{ displaystyle textstyle V = { sqrt { frac {2 (P_ {t} -P_ {s})} { rho}}}}

в котором :

V{ displaystyle textstyle V} : скорость движения (или ветра) [ м / с ]

пs{ displaystyle textstyle P_ {s}} : Окружающее (статическое) давление, измеренное перпендикулярно [ Па ]

пт{ displaystyle textstyle P_ {t}} : Общее давление (динамическое статическое), измеренное по касательной [ Па ]

ρ{ displaystyle textstyle rho} : Плотность жидкости [ кг / м ³ ]

Анемометр шаровой

Daloz анемометр

в

Паимпол

музее моря .

Разработанная в начале XX – го  века, анемометр Daloz основан на максимальной скорости , достигнутой сферическим шар в свободном падении. Система размещена на флюгере, позволяющем сориентировать по направлению ветра плоскость вращения маятника, на котором закреплен мяч.

Шарик прикреплен к верхнему концу устройства стержнем, и оператор позволяет ему опускаться по градуированной оси, обращенной к ветру. Последний противостоит силе тяжести, действующей на мяч, и когда две силы уравновешивают друг друга, мяч перестает падать. Затем достаточно отметить положение шара на оси.

Анемометры для пинг-понга

Обычный анемометр для базового использования состоит из мяч для пинг-понга прикреплен к веревке. Когда ветер дует горизонтально, он давит на мяч и перемещает его; Поскольку шары для пинг-понга очень легкие, они легко перемещаются при слабом ветре. Измерение угла между струнно-мячом и вертикалью дает оценку скорости ветра.

Этот тип анемометра в основном используется для обучения в средней школе, которое большинство учеников изготавливают самостоятельно, но подобное устройство также использовалось в самолетах. Феникс Марс спускаемый аппарат.[9]

Анемометры применяют метеорологи для определения скорости порывов ветра, такое оборудование устанавливается в аэропортах и на аэродромах. им проверяют эффективность работы вентиляционного оборудования и различных промышленных установок.

Данными приборами пользуются снайперы для коррекции прицеливания во время выстрела, беря поправку на фактическую силу ветра. Анемометры также применяются спортсменами, участвующими в соревнованиях по стрельбе из огнестрельного, пневматического и стрелометательного оружия.

Прибор можно встретить в арсенале любителей парусного спорта. Интегрированные анемометры устанавливаются в приборную панель башенных кранов, чтобы предупреждать машиниста о порывах ветра, что опасно для нагруженной подъемной стрелы. Таким оборудованием пользуются аграрии во время опрыскивания полей.

Использовать

Измерительная мачта позволяет узнать

потенциал ветра

с помощью нескольких анемометров.

Анемометр является важным инструментом в метеорологии, потому что ветер является одним из параметров, определяющих эволюцию погоды и метеорологический прогноз . Он также используется во многих смежных областях, таких как воздушный транспорт, навигация, сбор данных для оценки воздействия ветра на здания или перенос радиоактивных осадков , промышленной пыли и т. Д.

При проведении измерений на метеорологических станциях анемометр будет размещен на 10-метровой мачте в соответствии с критериями Всемирной метеорологической организации . Однако этот принцип может быть изменен для конкретных целей, на самом деле существуют ручные анемометры, которые можно держать на расстоянии вытянутой руки без поддержки, чтобы получить значение скорости ветра.

Двунаправленный анемометр используется в турбулентности исследованиях для измерения не только горизонтального ветра , но и вертикальной скорости воздуха. Регистрирующий анемометр, также называемый анемографом , непрерывно регистрирует скорость ветра, строя анемограммы , включая порывы ветра .

Наконец, суммирующий анемометр представляет собой чашечный или пропеллерный анемометр, количество оборотов которого запоминается счетчиком и, таким образом, показывает расстояние, пройденное воздушным потоком, который пересекает место, где расположен инструмент.

История

Старая модель катушечного анемометра, построенная испанским производителем (Хосе Граселли), датированная 1870 годом.

Первый анемометр был изобретен Альберти в XV – м  веке . Он использовал пластинчатый анемометр, в котором сила ветра оценивалась с использованием угла к вертикали, который подвижная пластина, вращаясь вокруг горизонтальной оси, принимала в равновесии между силой ветра и силой тяжести.

В последующие столетия многие изобретатели , такие как Роберт Гук в 1664 году, разработали варианты этого первого анемометра. В 1846 году Томас Ромни Робинсон , британский астроном и физик , усовершенствовали концепцию, используя четыре маленьких чаш , прикрепленных к вертикальной оси , что ветер вращает, первая чашка анемометр .

В 1926 году Джон Паттерсон сократил количество чашек до трех. Бревоорт и Джойнер в 1935 году усовершенствовали это устройство, и сегодня это самый распространенный анемометр.

Другие изобретатели совсем недавно использовали другие параметры для измерения скорости ветра. Например, изменение давления в трубке при ветре ( трубчатый анемометр ) или изменение частоты из-за эффекта Доплера между лучом, излучаемым в направлении ветра, и его отражением ( лазерный анемометр ).

Крыльчатые анемометры

В таких анемометрах поток воздуха вращает миниатюрное лёгкое ветровое колесо (крыльчатку), ограждённую металлическим кольцом для защиты от механических повреждений. Вращение крыльчатки через систему зубчатых колёс передаётся на стрелки счётного механизма.

Ручные крыльчатые анемометры применяются для измерения скорости направленного воздушного потока в трубопроводах и коробах вентиляционных устройств для вычисления расхода вентиляционного воздуха в вентиляционных отверстиях, воздуховодах жилых и производственных зданий.

Наиболее распространённые анемометры с крыльчаткой-зондом — это Testo 416, анемометр ИСП-МГ4, анемометр АПР-2 и другие.

Крыльчатый анемометр

Пропеллерный анемометр.

Напоминающие небольшие самолеты, они соединены с флюгером и ориентируются по направлению ветра. Пропеллер, измеряющий скорость ветра, вращается вокруг горизонтальной оси.

К менее распространенным типам анемометров относятся анемометры, которые состоят из двух спиралей, вращающихся вокруг двух фиксированных осей, горизонтальной и перпендикулярной. Сила и направление ветра рассчитываются путем соотнесения скоростей вращения двух гребных винтов. То же самое и с ветряными турбинами .

Лазерные анемометры

Устройства работающее по данной технологии были разработаны последними, поэтому еще не набрали столь широкого распространения. Они представлены компактными приборами, которые используются любителями экстремального отдыха. Лазерное устройство называется допплеровским в честь изобретателя, который предложил принцип, согласно которому частота излучения зависит от скорости относительного движения источника и приемника.

Полученный на основе данного принципа лазерный анемометр — это сложный оптико-электронный измерительный комплекс. Принцип работы прибора заключается в следующем. Движущийся в воздушном или газовом потоке объект освещается лазерным излучением из фиксированного источника.

В результате световая волна отражается от объекта, что регистрируется соответствующим датчиком. В результате высчитывается разница между частотой излучения отправленного изначально света и отраженного. Данные показатели берутся в расчет, и на их основании высчитывается скорость движения ветра или газа.

Лазерный анемометр

Принцип работы лазерного анемометра. Лазерный луч проецируется (1) через переднюю линзу (6) анемометра и модифицируется движением молекул воздуха (7). Модифицированное излучение повторно вводится зеркалом в систему и анализируется детектором (12).

Лазерный анемометр использует лазерную велосиметрию для измерения движения воздуха и, следовательно, ветра. Луч, излучаемый лазером, делится на две части. Первый луч направлен в окружающую атмосферу, где он отражается окружающими аэрозолями.

Поскольку они легкие, они движутся более или менее точно со скоростью ветра, а отраженный луч претерпевает сдвиг частоты . Приемник улавливает возвращенный свет и сравнивает его частоту со вторым лучом, чтобы вычислить смещение и, следовательно, скорость.

Поскольку измеренная таким образом скорость дает только радиальную составляющую скорости, то есть скорость удаления или приближения по отношению к анемометру, последний должен быть ориентирован флюгером так, чтобы он находился по оси ветра. С другой стороны, можно разместить два доплеровских анемометра под углом 90 градусов друг к другу, что позволяет получать две ортогональные составляющие ветра независимо от ориентации анемометра и, таким образом, позволяет рассчитать истинный ветер.

Механические анемометры

Описание первого механического анемометра составил около 1450 года Леон Баттиста Альберти в своём труде «Математические забавы» (лат. Ludi rerum mathematicarum), приложив его чертёж[3].

Его действие основывалось на отклонении ветром висящей доски. Похожий анемометр начертил в «Атлантическом кодексе» (лист 675) Леонардо да Винчи тремя десятилетиями позднее Альберти[4][5]:53.

Могут фиксировать 3 параметра:

• Текущую скорость.
• Максимальные порывы.
• Средний показатель.

Также можно встретить анемометры, у которых непосредственный элемент измерения вынесен отдельно и сделан в качестве зонда. В этом случае устройством пользоваться гораздо удобнее. Можно проводить замеры сразу смотря на дисплей с результатами. Такое устройство имеют в первую очередь вращающиеся анемометры. Для предотвращения запутывания зонд и прибор соединяются витым эластичным кабелем.

Дополнительно электронный анемометр может иметь собственную память для сохранения результатов. Более дешевый ассортимент лишен данной функции или может хранить всего несколько измерений, не отображая при этом дату и время их получения.

Пластинчатый анемометр

Лопастной анемометр выключен.

Самый простой из таких анемометров состоит из квадратной или круглой пластины, удерживаемой против ветра с помощью флюгера . Мы измеряем силу ветра на пластину. Инструменты этого типа очень точны при слабом ветре или при его медленных колебаниях.

Санторио Санторио , профессор медицины Падуанского университета в Италии, был первым, кто описал этот вид анемометра в 1625 году. Он заинтересовался измерением ветра, потому что проводил исследование воздействия на ветер. ветры.

В воздухоплавании Летний анемометр измерял скорость по упругой отдаче небольшого весла, помещенного на крыло (изображение напротив). Этот летний анемометр имел некоторый успех (до распространения трубок Пито или Пито-Вентури).

Примечания

Примечания и ссылки

Тепловой анемометр

Принцип работы таких анемометров, часто называемых термоанемометрами, основан на увеличении теплопотерь нагретого тела при увеличении скорости обдувающего более холодного газа — изменение числа Нуссельта.

Это явление всем знакомо, известно, что при неизменной температуре в ветреную погоду ощущение холода сильнее при большей скорости ветра.

Конструктивно представляет собой открытую тонкую металлическую проволоку (нить накаливания), нагреваемую выше температуры среды электрическим током. Проволока изготавливается из металла с положительным температурным коэффициентом сопротивления — из вольфрама, нихрома, платины, серебра и т. п.)

Сопротивление нити изменяется от изменений температуры, таким образом по сопротивлению можно измерить температуру. Температура определённым образом зависит от скорости ветра, плотности воздуха, его влажности.

Проволока термодатчика включается в электронную схему. В зависимости от метода включения датчика различают приборы с стабилизацией тока проволоки, стабилизацией напряжения и с термостатированием проволоки. В первых двух методах характеристикой скорости является температура проволоки, в последнем — мощность, необходимая для термостабилизации.

Термоанемометры широко используется практически во всех современных автомобилях в качестве датчика массового расхода воздуха (ДМРВ).

Недостатки термоанемометров — низкая механическая прочность, так как применяемая проволока очень тонкая, другой недостаток — нарушение калибровки из-за загрязнения и окисления горячей проволоки, но, так как они практически безынерционны, широко применяются в аэродинамических экспериментах для измерения локальной турбулентности и пульсаций потока.

Трубчатый анемометр

Принцип трубочного анемометра.

Дайнс анемометр анемометр трубки или просто U-образная трубка , содержащая жидкость с одним концом согнуты горизонтально , чтобы против ветра. Ветер, дующий через отверстие трубки, создает давление, которое может передаваться на любой манометр .

Anemobiagraph вариант с записывающим устройством с помощью манометра с плавающей точкой , в которой масштаб ветра производится линейным с помощью пружин.

Практически система может быть чувствительна к любому ветру, который может повернуть лопасть. Его преимущество в том, что он может быть установлен в труднодоступных местах, например, на вершине столба с записывающим устройством у его основания. Его можно устанавливать без необходимости обслуживания в течение многих лет.

Ультразвуковые анемометры

Ультразвуковые анемометры, впервые разработанные в 1950-х годах, используют ультразвуковые звуковые волны для измерения скорости ветра. Они измеряют скорость ветра на основе времени прохождения звуковых импульсов между парами преобразователи.

Измерения от пар преобразователей могут быть объединены для получения измерения скорости в 1-, 2- или 3-мерном потоке. В Пространственное разрешение дается длиной пути между преобразователями, которая обычно составляет от 10 до 20 см.

Ультразвуковые анемометры могут выполнять измерения с очень точным временное разрешение, 20 Гц или лучше, что делает их подходящими для турбулентность измерения. Отсутствие движущихся частей делает их подходящими для длительного использования в открытых автоматизированных метеостанциях и метеорологических буях, где на точность и надежность традиционных чашечно-пластинчатых анемометров отрицательно влияет соленый воздух или пыль.

Их главный недостаток – искажение воздушного потока из-за конструкции, поддерживающей преобразователи, что требует корректировки на основе измерений в аэродинамической трубе для минимизации эффекта. Международный стандарт для этого процесса, ISO 16622Метеорология.

Ультразвуковые анемометры / термометры. Методы приемочных испытаний для измерений среднего ветра. находится в общем обращении. Еще один недостаток – более низкая точность из-за осадков, когда капли дождя могут изменять скорость звука.

Поскольку скорость звука зависит от температуры и практически стабильна при изменении давления, ультразвуковые анемометры также используются в качестве термометры.

Двумерные (скорость и направление ветра) звуковые анемометры используются в таких приложениях, как метеостанции, корабельная навигация, авиация, буи погоды и ветряные турбины. Для мониторинга ветряных турбин обычно требуется частота обновления измерений скорости ветра 3 Гц,[7] легко достигается с помощью звуковых анемометров.

Трехмерные звуковые анемометры широко используются для измерения выбросов газов и потоков в экосистемах с использованием ковариация вихря метод при использовании с быстрым откликом инфракрасные газоанализаторы или же лазеранализаторы на базе.

Двумерные датчики ветра бывают двух типов:

• Два ультразвуковых тракта: У этих датчиков четыре плеча. Недостатком этого типа датчика является то, что когда ветер дует в направлении ультразвукового пути, руки мешают воздушному потоку, снижая точность результирующего измерения.
• Три ультразвуковых тракта: Эти датчики имеют три плеча. Они обеспечивают одностороннее резервирование измерения, что повышает точность датчика и снижает аэродинамическую турбулентность.

Чашечный анемометр (сказал робинсон)

Чашечный анемометр.

Чашечный анемометр был изобретен Джоном Ромни Робинсоном в 1846 году. Он состоит из трех полуоболочек размером с теннисный мяч (около 6,5  см в диаметре), расположенных на горизонтальных рычагах, расположенных под  углом 120 градусов и установленных на вертикальной оси, оснащенных устройством для подсчета оборотов. ; скорость вращения анемометра пропорциональна скорости ветра.

Когда дует ветер, он попеременно встречает полую, а затем округлую чашу. Согласно законам аэродинамики, полость оказывает большее сопротивление прохождению воздуха, чем выпуклая форма. Эта разница заставляет анемометр вращаться. Тогда скорость ветра примерно равна скорости смещения центра чашек, которая сама пропорциональна числу оборотов анемометра в секунду:

Vзнак равно2π⋅F(НЕТ)⋅р⋅НЕТ{ Displaystyle V = 2 pi cdot { mathcal {F}} (N) cdot R cdot N}

с участием:

⋅V{ Displaystyle cdot V} : скорость ветра [м / с]

⋅р{ Displaystyle cdot R} : средний радиус плеч (от оси вращения до центра чашек) [м]

⋅НЕТ{ Displaystyle cdot N} : количество оборотов в секунду [1 / с]

⋅F(НЕТ){ Displaystyle cdot { mathcal {F}} (N)} : функция калибровки

Функция калибровки отражает аэродинамические свойства анемометра и трения, которые изменяют вращательное движение анемометра. Это зависит от размеров и материалов анемометра и скорости его вращения. Для его точного определения можно использовать только испытания в аэродинамической трубе при различных ветровых условиях.

Для стандартного анемометра (диаметр чашечек 6 сантиметров) скорость вращения один оборот в секунду соответствует ветру, дующему со скоростью 1  м / с , или 3,6  км / ч .

Этот тип анемометра может измерять скорость ветра от 0 до почти 200  км / ч . Более высокие скорости вызовут нагрузки, которые чашки не смогут выдержать. Но такие сильные ветры встречаются только во время торнадо или тропических циклонов .

Двумя большими достоинствами этого анемометра являются его простота и практически полное отсутствие ограничений в диапазоне измеряемых скоростей; но если он используется без электронного оборудования для записи данных, короткая, но сильная вспышка не записывается.

К сожалению, когда Робинсон представил свой анемометр, он заявил, что размер чашек и длина рук не влияют на результат измерения. Это утверждение, по-видимому, было подтверждено некоторыми независимыми экспериментами. Позже было обнаружено, что отношение скорости ветра к размеру чашки (коэффициент) не является постоянным и в значительной степени зависит от размера чашки и длины руки.

Чашечный анемометр работает по принципу счетчика оборотов. высчитывается сколько раз обернулась ось с лопастями, после чего полученное число разделяется на коэффициент прибора, который зависит от площади и количества чашек. коэффициент для разных устройств составляет от 2 до 3. надобность в измерении на протяжении определенного промежутка времени возникает только при использовании полностью механических приборов. у электронных чашечных анемометров программа способна определить текущие порывы буквально с нескольких оборотов. подавляющее большинство чашечных устройств не реагируют на медленные порывы, скорость которых ниже 1 м/сек. классическая чашечная конструкция не позволяет определять направление потока.

Крыльчатые анемометры также называют лопастными. Это более компактные устройства, работающие по аналогичному принципу с чашечными. При порывах ветра или газа осуществляется вращение лопастей, подобных тем, что можно встретить на вентиляторах или летательных аппаратах.

Скорость ветра также определяется путем деления количества оборотов на коэффициент прибора. Для наиболее точного измерения необходимо выставить диффузор устройства по направлению движения потока. Зачастую в комплектации к крыльчатым анемометрам идет небольшой флюгер. Он позволяет определять направление ветра. Приборы данного типа способны измерять поток движения в пределах от 0,1 м/сек.

Эффект обледенения

В аэропортах крайне важно иметь точные данные о ветре при любых условиях, включая замерзшие осадки. Анемометрия также необходима для мониторинга и контроля работы ветряных турбин, которые в холодных условиях склонны к обледенению в облаках. Обледенение изменяет аэродинамику анемометра и может полностью заблокировать его работу.