Анемометр

Анемометр с полусферической чашкой того типа, который был изобретен в 1846 году Джоном Томасом Ромни Робинсоном .

В метеорологии анемометр скорость (от древнегреческого άνεμος ( ánemos ) «ветер» и μέτρον ( métron ) «мера») — прибор, измеряющий ветра и направление . Это обычный инструмент, используемый на метеостанциях . Самое раннее известное описание анемометра было сделано итальянским архитектором и писателем Леоном Баттистой Альберти (1404–1472) в 1450 году.

История

Анемометр мало изменился с момента своего изобретения в 15 веке. Говорят, что Альберти изобрел его около 1450 года. В последующие столетия многие другие, в том числе Роберт Гук, изобрели его около 1450 года. (1635–1703), разработали свои собственные версии, некоторые из которых ошибочно считались их изобретателями. В 1846 году Томас Ромни Робинсон (1792–1882) усовершенствовал конструкцию, применив четыре полусферических чашки и механические колеса. В 1926 году канадский метеоролог Джон Паттерсон (1872–1956) разработал трехчашечный анемометр, который был усовершенствован Бревортом и Джойнером в 1935 году. В 1991 году Дерек Уэстон добавил возможность измерения направления ветра. В 1994 году Андреас Пфлич разработал звуковой анемометр.

Анемометры скорости

Чашечные анемометры

Анимация чашечного анемометра

Простой тип анемометра был изобретен в 1845 году преподобным доктором Джоном Томасом Ромни Робинсоном из обсерватории Армы . Он состоял из четырех полусферических чашек на горизонтальных рычагах, закрепленных на вертикальном валу. Поток воздуха, проходящий мимо чашек в любом горизонтальном направлении, вращал вал со скоростью, примерно пропорциональной скорости ветра. Таким образом, подсчет оборотов вала за заданный интервал времени дал величину, пропорциональную средней скорости ветра для широкого диапазона скоростей. Этот тип прибора также называют ротационным анемометром.

Четыре чашки

При использовании четырехчашечного анемометра ветер всегда направляет полость одной чашки и дует на заднюю часть противоположной чашки. Поскольку полая полусфера имеет коэффициент лобового сопротивления 0,38 на сферической стороне и 1,42 на полой стороне, Больше силы создается на чашке, которая подставляет ветру свою полую сторону. Из-за этой асимметричной силы крутящий момент на оси анемометра создается , заставляющий его вращаться.

Теоретически скорость вращения анемометра должна быть пропорциональна скорости ветра, поскольку сила, действующая на объект, пропорциональна скорости газа или жидкости, протекающего мимо него. Однако на практике на скорость вращения влияют и другие факторы, в том числе турбулентность, создаваемая устройством, увеличение сопротивления, противодействующее крутящему моменту, создаваемому чашками и опорными рычагами, а также трение в точке крепления. Когда Робинсон впервые сконструировал свой анемометр, он утверждал, что чашки перемещаются со скоростью одну треть скорости ветра, независимо от размера чашки или длины руки. По-видимому, это было подтверждено некоторыми ранними независимыми экспериментами, но это было неверно. Вместо этого соотношение скорости ветра и чашек, коэффициент анемометра , зависит от размеров чашек и кронштейнов и может иметь значение от двух до чуть более трех. Как только ошибка была обнаружена, все предыдущие эксперименты с анемометрами пришлось повторить.

Три чашки

Анемометр с тремя чашками, разработанный канадцем Джоном Паттерсоном в 1926 году, и последующие усовершенствования чашек компанией Brevoort & Joiner из США в 1935 году привели к созданию конструкции тарельчатого колеса с почти линейным откликом и погрешностью менее 3% на скорости до 60 миль в час. (97 км/ч). Паттерсон обнаружил, что каждая чашка создает максимальный крутящий момент, когда она расположена под углом 45° к потоку ветра. Анемометр с тремя чашками также имел более постоянный крутящий момент и быстрее реагировал на порывы ветра, чем анемометр с четырьмя чашками.

Направление ветра в три чашки

Анемометр с тремя чашками был дополнительно модифицирован австралийским доктором Дереком Уэстоном в 1991 году, чтобы также измерять направление ветра. Он добавил метку к одной чашке, заставляя скорость колеса чаши увеличиваться и уменьшаться по мере того, как метка перемещалась поочередно по ветру и против него. Направление ветра рассчитывается на основе этих циклических изменений скорости, а скорость ветра определяется на основе средней скорости кулачкового колеса.

Трехчашечные анемометры в настоящее время являются отраслевым стандартом для исследований и практики оценки ветровых ресурсов .

Крыльчатые анемометры

Одной из других форм механического анемометра скорости является лопастной анемометр . Его можно описать как ветряную мельницу или пропеллерный анемометр. В отличие от анемометра Робинсона, ось вращения которого вертикальна, ось крыльчатого анемометра должна быть параллельна направлению ветра и, следовательно, горизонтальна. Более того, поскольку направление ветра меняется и ось должна следовать за его изменениями, флюгер необходимо использовать или какое-либо другое приспособление для достижения той же цели.

Таким образом, лопастной анемометр объединяет пропеллер и хвост на одной оси для получения точных и точных измерений скорости и направления ветра с помощью одного и того же прибора. Скорость вентилятора измеряется счетчиком оборотов и преобразуется в скорость ветра с помощью электронного чипа. Следовательно, объемный расход можно рассчитать, если известна площадь поперечного сечения.

В тех случаях, когда направление движения воздуха всегда одинаково, например, в вентиляционных шахтах и ​​зданиях, применяются ветровые флюгеры, называемые воздухомерами, которые дают удовлетворительные результаты.

• Крыльчатые анемометры
• 
  Крыльчатый анемометр
• 
  с геликоидным Анемометр пропеллером и флюгером для ориентации.
• 
  Ручной низкоскоростной крыльчатый анемометр
• 
  Ручной цифровой анемометр или аненометр Байрама.

Анемометры с горячей проволокой

Датчик с горячей проволокой

В анемометрах с горячей проволокой используется тонкая проволока (порядка нескольких микрометров), электрически нагреваемая до температуры, превышающей температуру окружающей среды. Воздух, проходящий мимо проволоки, охлаждает проволоку. Поскольку электрическое сопротивление большинства металлов зависит от температуры металла ( вольфрам является популярным выбором для нагретой проволоки), можно получить зависимость между сопротивлением проволоки и скоростью воздуха. В большинстве случаев их нельзя использовать для измерения направления воздушного потока, если они не соединены с флюгером.

Существует несколько способов реализации этого, и устройства с подогреваемой проволокой можно дополнительно классифицировать как CCA ( анемометр постоянного тока ), CVA ( анемометр постоянного напряжения ) и CTA (анемометр постоянной температуры). Таким образом, выходное напряжение этих анемометров является результатом какой-то схемы внутри устройства, пытающейся поддерживать постоянную конкретную переменную (ток, напряжение или температуру) в соответствии с законом Ома .

Кроме того, также используются анемометры с ШИМ ( широтно-импульсной модуляцией ), в которых скорость определяется по продолжительности повторяющегося импульса тока, который доводит провод до заданного сопротивления, а затем останавливается до тех пор, пока не будет достигнут пороговый «пол». в это время импульс посылается снова.

Анемометры с горячей проволокой, хотя и чрезвычайно чувствительны, имеют чрезвычайно высокую частотную характеристику и высокое пространственное разрешение по сравнению с другими методами измерения и, как таковые, почти повсеместно используются для детального изучения турбулентных потоков или любого потока, в котором быстрые колебания скорости имеют большое значение. интерес.

Промышленной версией тонкопроволочного анемометра является тепловой расходомер , который следует той же концепции, но использует два штыря или веревки для мониторинга изменения температуры. Струны содержат тонкие провода, но оболочка проводов делает их намного более прочными и позволяет точно измерять потоки воздуха, газа и выбросов в трубах, воздуховодах и дымоходах. Промышленные приборы часто содержат грязь, которая может повредить классический термоанемометр.

Чертеж лазерного анемометра. Лазерный свет излучается (1) через переднюю линзу (6) анемометра и рассеивается обратно от молекул воздуха (7). Обратнорассеянное излучение (точки) снова попадает в прибор, отражается и направляется в детектор (12).

Лазерные доплеровские анемометры

В лазерной доплеровской велосиметрии лазерные доплеровские анемометры используют луч света лазера , который разделяется на два луча, один из которых выходит из анемометра. Частицы (или намеренно введенный затравочный материал), движущиеся вместе с молекулами воздуха вблизи места выхода луча, отражают или обратно рассеивают свет обратно в детектор, где он измеряется относительно исходного лазерного луча. Когда частицы находятся в сильном движении, они вызывают доплеровский сдвиг для измерения скорости ветра в лазерном свете, который используется для расчета скорости частиц и, следовательно, воздуха вокруг анемометра.

Стационарно установленный 2D ультразвуковой анемометр с 3 лучами.
Центральный шип отпугивает птиц.

Ультразвуковые анемометры

3D ultrasonic anemometer

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 датчиков .

Время, необходимое звуковому импульсу для прохождения от одного преобразователя к его паре, обратно пропорционально скорости звука в воздухе плюс скорости ветра в том же направлении: $t={\frac {L}{(c+v)}}$ где $t$ это время полета, $L$ расстояние между преобразователями, $c$ скорость звука в воздухе и $v$ это скорость ветра. Другими словами, чем быстрее дует ветер, тем быстрее распространяется звуковой импульс. Чтобы внести поправку на скорость звука в воздухе (которая меняется в зависимости от температуры, давления и влажности), звуковые импульсы посылаются в обоих направлениях, а скорость ветра рассчитывается с использованием времени полета вперед и назад: $v={\frac {1}{2}}L({\frac {1}{t_{1}}}-{\frac {1}{t_{2}}})$ где $t_{1}$ - прямое время полета и $t_{2}$ обратное.

Поскольку ультразвуковые аненометры не имеют движущихся частей, они не требуют особого обслуживания и могут использоваться в суровых условиях. Они работают в широком диапазоне скоростей ветра. Они могут измерять быстрые изменения скорости и направления ветра, выполняя множество измерений каждую секунду, и поэтому полезны при измерении турбулентных потоков воздуха.

Их основным недостатком является искажение воздушного потока конструкцией, поддерживающей датчики, что требует коррекции на основе измерений в аэродинамической трубе для минимизации эффекта. Капли дождя или лед на датчиках также могут стать причиной неточностей.

Поскольку скорость звука меняется в зависимости от температуры и практически стабильна при изменении давления, ультразвуковые анемометры также используются в качестве термометров .

Измерения пар датчиков можно объединить для измерения скорости в 1-, 2- или 3-мерном потоке. Двумерные (скорость и направление ветра) звуковые анемометры используются в таких приложениях, как метеостанции , судоходство, авиация, метеорологические буи и ветряные турбины. Мониторинг ветряных турбин обычно требует частоты обновления измерений скорости ветра 3 Гц. легко достигается с помощью звуковых анемометров. Трехмерные звуковые анемометры широко используются для измерения выбросов газов и потоков экосистем с использованием метода вихревой ковариации при использовании с быстродействующими инфракрасными газоанализаторами или лазерными анализаторами.

Акустически-резонансные анемометры

Акустический резонансный анемометр

Акустические резонансные анемометры представляют собой более поздний вариант звукового анемометра. Технология была изобретена Саввасом Капартисом и запатентована в 1999 году. В то время как обычные звуковые анемометры полагаются на измерение времени полета, датчики акустического резонанса используют резонирующие акустические (ультразвуковые) волны внутри небольшой специально построенной полости для выполнения измерений.

Принцип акустического резонанса

В резонатор встроен массив ультразвуковых преобразователей, которые используются для создания отдельных структур стоячих волн на ультразвуковых частотах. При прохождении ветра через полость происходит изменение свойств волны (сдвиг фазы). Измеряя величину фазового сдвига принимаемых сигналов каждым датчиком, а затем математически обрабатывая данные, датчик способен обеспечить точное горизонтальное измерение скорости и направления ветра.

Поскольку технология акустического резонанса позволяет проводить измерения в небольшой полости, размеры датчиков обычно меньше, чем у других ультразвуковых датчиков. Небольшой размер акустических резонансных анемометров делает их физически прочными, легко нагреваемыми и, следовательно, устойчивыми к обледенению. Такое сочетание функций означает, что они достигают высокого уровня доступности данных и хорошо подходят для управления ветряными турбинами, а также для других целей, требующих небольших надежных датчиков, таких как боевая метеорология. Одной из проблем этого типа датчика является точность измерений по сравнению с калиброванным механическим датчиком. Для многих конечных пользователей этот недостаток компенсируется долговечностью датчика и тем фактом, что после установки он не требует повторной калибровки.

Анемометры давления

Экскурсия по клубу Britannia Yacht Club , бурджи и анемометр на крыше

Первые конструкции анемометров, измеряющих давление, делились на пластинчатые и трубчатые.

Пластинчатые анемометры

Это первые современные анемометры. Они состоят из плоской пластины, подвешенной сверху так, что ветер отклоняет ее. В 1450 году итальянский архитектор Леон Баттиста Альберти изобрел первый такой механический анемометр; в 1663 году его заново изобрел Роберт Гук. Более поздние версии этой формы состояли из плоской пластины, квадратной или круглой, которая удерживалась перпендикулярно ветру с помощью флюгера. Давление ветра на его лицо уравновешивается пружиной. Сжатие пружины определяет фактическую силу, которую ветер оказывает на пластину, и ее считывают либо на подходящем манометре, либо на самописце. Приборы такого типа не реагируют на слабый ветер, неточны при показаниях сильного ветра и медленно реагируют на переменный ветер. Пластинчатые анемометры использовались для срабатывания сигнализации о сильном ветре на мостах.

Трубчатые анемометры

Трубчатый анемометр, изобретенный Уильямом Генри Дайнсом. Подвижная часть (справа) установлена ​​на неподвижной части (слева).

Инструменты обсерватории Маунт-Вашингтон . Статический анемометр с трубкой Пито находится справа.

Заостренная головка — это порт Пито. Маленькие отверстия подключены к статическому порту.

Анемометр Джеймса Линда 1775 года состоял из вертикально установленной стеклянной U-образной трубки, содержащей жидкостный манометр (манометр), один конец которого был изогнут в горизонтальном направлении, чтобы быть обращен к потоку ветра, а другой вертикальный конец был закрыт крышкой. Хотя Lind не был первым, это был самый практичный и известный анемометр такого типа. Если ветер дует в устье трубки, это вызывает повышение давления на одной стороне манометра. Ветер над открытым концом вертикальной трубки вызывает небольшое изменение давления на другой стороне манометра. Результирующая разница высот на двух ветвях U-образной трубы является показателем скорости ветра. Однако для точного измерения необходимо, чтобы скорость ветра приходилась непосредственно на открытый конец трубки; небольшие отклонения от истинного направления ветра вызывают большие отклонения в показаниях.

Успешный анемометр с металлической трубкой Уильяма Генри Дайнса в 1892 году использовал ту же разницу давлений между открытым устьем прямой трубки, обращенной к ветру, и кольцом небольших отверстий в вертикальной трубке, закрытой на верхнем конце. Оба установлены на одной высоте. Перепады давления, от которых зависит действие, очень малы, и для их регистрации необходимы специальные средства. Самописец состоит из поплавка в герметичной камере, частично заполненной водой. Труба из прямой трубки подсоединяется к верху герметичной камеры, а трубка из небольших трубок направляется в нижнюю часть внутри поплавка. Поскольку разница давлений определяет вертикальное положение поплавка, это мера скорости ветра.

Большое преимущество трубчатого анемометра заключается в том, что открытая часть может быть установлена ​​на высоком столбе и не требует смазки или внимания в течение многих лет; а регистрирующую часть можно разместить в любом удобном положении. Требуются две соединительные трубки. На первый взгляд может показаться, что подойдет одно соединение, но разница в давлении, от которого зависят эти инструменты, настолько мала, что необходимо учитывать давление воздуха в помещении, где находится записывающее устройство. Таким образом, если прибор зависит только от давления или эффекта всасывания и это давление или всасывание измеряется по сравнению с давлением воздуха в обычной комнате, в которой двери и окна тщательно закрыты, а затем в дымоходе сжигается газета, эффект может быть произведено равносильно ветру 10 миль/ч (16 км/ч); а открытие окна в непогоду или открытие двери может полностью изменить регистрацию.

Хотя анемометр Дайнса имел погрешность всего 1% на скорости 10 миль в час (16 км/ч), он не очень хорошо реагировал на слабый ветер из-за плохой реакции плоской пластинчатой ​​лопатки, необходимой для поворота головы против ветра. В 1918 году эту проблему решила аэродинамическая лопасть, крутящий момент которой в восемь раз превышал крутящий момент плоской пластины.

Статические анемометры с трубкой Пито

Современные трубчатые анемометры используют тот же принцип, что и анемометр Дайнса, но имеют другую конструкцию. В реализации используется статическая трубка Пито , которая представляет собой трубку Пито с двумя отверстиями, Пито и статическим, которая обычно используется при измерении воздушной скорости самолета. Порт Пито измеряет динамическое давление в открытом устье трубки с заостренной головкой, обращенной к ветру, а статический порт измеряет статическое давление в небольших отверстиях по бокам этой трубки. Трубка Пито соединена с хвостовиком так, что головка трубки всегда обращена к ветру. Кроме того, трубка нагревается, чтобы предотвратить образование наледи на трубке. От трубки к устройствам идут две линии для измерения разницы давлений в двух линиях. Измерительными устройствами могут быть манометры , датчики давления или аналоговые самописцы .

Анемометры с шариками для пинг-понга

Обычный анемометр для простого использования состоит из шарика для пинг-понга, прикрепленного к веревке. Когда ветер дует горизонтально, он давит и перемещает мяч; поскольку шарики для пинг-понга очень легкие, они легко перемещаются при слабом ветре. Измерение угла между струнным мячом и вертикалью дает оценку скорости ветра.

Этот тип анемометра в основном используется для обучения на уровне средней школы, который большинство учащихся изготавливают самостоятельно, но аналогичное устройство также использовалось на марсоходе «Феникс» .

Влияние плотности на измерения

В трубчатом анемометре фактически измеряется динамическое давление, хотя шкала обычно градуирована как шкала скоростей. Если фактическая плотность воздуха отличается от калибровочного значения из-за разницы в температуре, высоте или барометрическом давлении, необходима поправка для получения фактической скорости ветра. Примерно 1,5% (1,6% на высоте выше 6000 футов) следует добавить к скорости, регистрируемой трубчатым анемометром на каждые 1000 футов (5% на каждый километр) над уровнем моря.

Эффект обледенения

В аэропортах крайне важно иметь точные данные о ветре при любых условиях, включая замерзающие 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 блокировать его работу. Поэтому анемометры, используемые в этих приложениях, должны иметь внутренний подогрев. Как чашечные, так и звуковые анемометры в настоящее время доступны в версиях с подогревом.

Расположение инструмента

Чтобы скорость ветра была сопоставима в разных местах, необходимо учитывать влияние местности, особенно в отношении высоты. Другими соображениями являются наличие деревьев, а также естественных и искусственных каньонов (городских построек). Стандартная высота анемометра на открытой сельской местности составляет 10 метров.

См. также

• Расходомер воздуха
• Anemoi , за древнее происхождение названия этой технологии
• Анемоскоп , древнее устройство для измерения или прогнозирования направления ветра или погоды.
• Автоматизированная метеостанция аэропорта
• Ночь большого ветра
• Измерение скорости изображения частиц
• Ветряная турбина Савониуса
• Прогнозирование ветроэнергетики
• Ветер бег
• Windsock — простой и заметный индикатор приблизительной скорости и направления ветра.

Ссылки

• Метеорологические инструменты, WE Ноулз Миддлтон и Ательстан Ф. Спилхаус, третье исправленное издание, University of Toronto Press, Торонто, 1953 г.
• Изобретение метеорологических инструментов, У. Э. Ноулз Миддлтон, The Johns Hopkins Press, Балтимор, 1969 г.

Внешние ссылки

• «Анемометр» . Британская энциклопедия . Том. 2 (9-е изд.). 1878. стр. 24–26.
• Дайнс, Уильям Генри (1911). «Анемометр» . Британская энциклопедия . Том. 2 (11-е изд.). стр. 2–3.
• Описание разработки и конструкции ультразвукового анемометра.
• Анимация, показывающая принцип работы Sonic (теория времени полета) – Gill Instruments
• Коллекция исторического анемометра
• Принцип работы: измерение акустического резонанса – FT Technologies
• Термопедия, "Анемометры (лазерный допплер)"
• Термопедия, "Анемометры (импульсные тепловые)"
• Термопедия, "Анемометры (крыльчатые)"
• Роторно-лопастной анемометр. Измерение скорости и направления ветра с помощью датчика с тремя чашками с меткой. Архивировано 10 сентября 2019 г. на Wayback Machine.