Анемометр

В метеорологии анемометр άνεμος (от древнегреческого ) ( ánemos скорость «ветер» и μέτρον ( метрон ) «мера») - это устройство, которое измеряет ветра и направление . Это общий инструмент, используемый на погодных станциях . Самое раннее известное описание анемометра было от итальянского архитектора и автора Леона Баттиста Альберти (1404–1472) в 1450 году.
История
Анемметр мало изменился с момента его развития в 15 веке. Говорят, что Альберти изобрел его около 1450 года. В последующих веках многие другие, в том числе Роберт Гук (1635–1703) разработали свои собственные версии, с некоторыми ошибочно зачисленными в качестве изобретателя. В 1846 году Томас Ромни Робинсон (1792–1882) улучшил дизайн, используя четыре полусферические чашки и механические колеса. В 1926 году канадский метеоролог Джон Паттерсон (1872–1956) разработал анемометр с тремя чашками, который был улучшен Бревотом и столяром в 1935 году. В 1991 году Дерек Уэстон добавил способность измерять направление ветра. В 1994 году Andreas Pflitsch разработал звуковой анемометр. [ 1 ]
Анемметры скорости
Кубковые анемометры

Простой тип анемометра был изобретен в 1845 году преподобным доктором Джоном Томасом Ромни Робинсоном из Обсерватории Арма . Он состоял из четырех полусферических чашек на горизонтальных руках, установленных на вертикальном валу. Поток воздуха мимо чашек в любом горизонтальном направлении повернул вал со скоростью, примерно пропорциональной скорости ветра. Следовательно, подсчет революций вала в течение установленного интервала времени дал значение, пропорционально средней скорости ветра для широкого диапазона скоростей. Этот тип инструмента также называется вращательным анемометром.
Четыре чашка
С помощью анемометра с четырьмя частями ветер всегда имеет впадину одной чашки, и он дует на задней части противоположной чашки. Поскольку покое полушарие имеет коэффициент сопротивления .38 на сферической стороне и 1,42 на полой, [ 2 ] На чашке генерируется больше усилий, представляющих свою пустую сторону на ветер. Из -за этой асимметричной силы крутящий момент генерируется на оси анемометра, заставляя его вращаться.
Теоретически, скорость вращения анемометра должна быть пропорциональна скорости ветра, поскольку сила, полученная на объекте, пропорциональна скорости газа или жидкости, протекающей мимо него. Однако на практике другие факторы влияют на скорость вращения, в том числе турбулентность, производимую аппаратом, увеличивая сопротивление в противодействии крутящему моменту, создаваемому чашками и вспомогательными руками, и трение на точке горы. Когда Робинсон сначала спроектировал свой анемометр, он утверждал, что чашки переместились на одну треть скорости ветра, не затронутые размером чашки или длиной руки. Это было, по -видимому, подтверждено некоторыми ранними независимыми экспериментами, но это было неверно. Вместо этого соотношение скорости ветра и скорости чашек, коэффициента анемометра , зависит от размеров чашек и рук и может иметь значение между двумя и чуть более трех. После того, как ошибка была обнаружена, все предыдущие эксперименты с участием анеемометров должны были повторяться.
Три чашки
Анемметр с тремя чашками, разработанный канадским Джоном Паттерсоном в 1926 году, и последующие улучшения чашки Brevoort & Joiner из Соединенных Штатов в 1935 году привели к конструкции чашки с почти линейным откликом и ошибкой менее 3% до 60 миль в час. (97 км/ч). Паттерсон обнаружил, что каждая чашка дает максимальный крутящий момент, когда она находилась на 45 ° к потоку ветра. У анемометра с тремя частями также был более постоянный крутящий момент и быстрее отреагировал на порывы, чем анемометр с четырьмя чаями.
Три чашки направления ветра
Анемметр с тремя частями был дополнительно изменен австралийским доктором Дереком Уэстоном в 1991 году, чтобы также измерить направление ветра. Он добавил метку в одну чашку, в результате чего скорость чашки увеличивается и уменьшается, когда метка перемещалась попеременно с и против ветра. Направление ветра рассчитывается по этим циклическим изменениям в скорости, в то время как скорость ветра определяется по средней скорости чашки.
В настоящее время анемометры трех чашек являются отраслевым стандартом для оценки ветряных ресурсов исследований и практики .
Лопатные анемометры
Одной из других форм анемометра механической скорости является анемометр лопасти . Это может быть описано как ветряная мельница или анемметр винта. В отличие от анемометра Робинсона, чья ось вращения является вертикальной, анемометр лопатки должен иметь свою ось параллельной направлению ветра и, следовательно, является горизонтальным. Кроме того, поскольку ветер варьируется в направлении, и ось должна следовать за его изменениями, ветер необходимо использовать или какую -либо другую операцию для достижения той же цели.
Таким образом, анемометр лопатки объединяет пропеллер и хвост на той же оси, чтобы получить точные и точные измерения скорости ветра и направления с того же инструмента. [ 3 ] Скорость вентилятора измеряется с помощью счетчика революции и преобразуется в ветровую скорость электронным чипом. Следовательно, объемная скорость потока может быть рассчитана, если известна площадь поперечного сечения.
В тех случаях, когда направление движения воздуха всегда одинаковое, как в вентиляции шахт и зданий используются ветровые лопасти, известные как воздушные счетчики, и дают удовлетворительные результаты. [ 4 ]
- Лопатные анемометры
-
Vane Style Anemomomet
-
Геликоидный анемометр винта
-
Ручная низкоскоростная анемометр лопасти
-
Ручной цифровой анемометр или аенометр Байрама.
Горячие проволоки анемометров

Горячие проволочные анемометры используют тонкую проволоку (по порядку нескольких микрометров), электрически нагретый до некоторой температуры над окружающей средой. Воздух, протекающий мимо провода, охлаждает проволоку. Поскольку электрическое сопротивление большинства металлов зависит от температуры металла ( вольфрам является популярным выбором для горячих проводов), взаимосвязь может быть получена между сопротивлением провода и скоростью воздуха. [ 5 ] В большинстве случаев они не могут быть использованы для измерения направления воздушного потока, если только в сочетании с ветровым лопатом.
Несколько способов реализации этого существуют, и устройства горячей проволоки могут быть дополнительно классифицированы как CCA ( анемометр постоянного тока ), CVA ( анемометр постоянного напряжения ) и CTA (анемометр с постоянной температурой). Таким образом, выходной выход из этих анемометров является результатом какой -либо схемы внутри устройства, пытающегося поддерживать константу конкретную переменную (ток, напряжение или температура), в соответствии с законом OHM .
Кроме того, также используются анемометры ШИМ ( модуляция шириной импульсов ), в котором скорость выводится к длине времени повторяющегося импульса тока, который поднимает провод до определенного сопротивления, а затем останавливается до тех пор, пока не будет достигнут пороговый «пол». в это время пульс отправляется снова.
Анемометры горячих проводов, хотя и чрезвычайно деликатные, имеют чрезвычайно высокочастотный ответ и тонкое пространственное разрешение по сравнению с другими методами измерения, и, как таковые, практически используются для подробного изучения турбулентных потоков или любого потока, в котором быстрые колебания скорости интерес.
Промышленной версией Anemometry Fine-Wire является измеритель теплового потока , который следует той же концепции, но использует два контакта или строки для мониторинга изменения температуры. Строки содержат тонкие провода, но кандидация проводов делает их гораздо более прочными и способными для точного измерения воздуха, газа и выбросов в трубах, воздуховодах и стеке. Промышленные применения часто содержат грязь, которая повредит классическому анемометру горячего проволоки.

Лазерные доплеровские анемометры
В лазерной доплеровской велосиметрии лазерные доплеровские анеметры используют луч света от лазера , который разделен на два балка, с одним распространением из анемометра. Частицы (или намеренно введенные материал семян), протекающие вместе с молекулами воздуха вблизи того места, где выходит из луча, или обратно, свет обратно в детектор, где он измеряется относительно исходного лазерного луча. Когда частицы находятся в большом движении, они создают допплеровское сдвиг для измерения скорости ветра в лазерном свете, который используется для расчета скорости частиц и, следовательно, воздуха вокруг анемометра. [ 6 ]

Центральный Спайк удерживает птиц подальше.
Ультразвуковые анемометры

Ультразвуковые анемометры, впервые разработанные в 1950 -х годах, используют ультразвуковые звуковые волны для измерения скорости ветра. Они измеряют скорость ветра в зависимости от времени полета звуковых импульсов между парами преобразователей . [ 7 ]
Время, которое Sonic Pulse требует, чтобы перейти от одного преобразователя в свою пару, обратно пропорционально скорости звука в воздухе плюс скорость ветра в том же направлении: где время полета, расстояние между преобразователями, скорость звука в воздухе и это скорость ветра. Другими словами, чем быстрее дует ветер, тем быстрее проходит импульс звука. Чтобы исправить скорость звука в воздухе (что варьируется в зависимости от температуры, давления и влажности) звуковые импульсы отправляются в обоих направлениях, а скорость ветра рассчитывается с использованием прямого и обратного времени полета: где Время полета вперед и наоборот.
Поскольку ультразвуковые аненометры не имеют движущихся частей, им мало требуется техническое обслуживание и может использоваться в суровых условиях. Они работают в широком диапазоне скоростей ветра. Они могут измерить быстрые изменения в скорости и направлении ветра, проводя много измерений каждую секунду, и поэтому полезны при измерении паттернов турбулентного потока воздуха.
Их основным недостатком является искажение воздушного потока по структуре, поддерживающей преобразователи, что требует коррекции, основанной на измерениях ветряной туннели, чтобы минимизировать эффект. Дождь или лед на преобразователях также может вызвать неточности.
Поскольку скорость звука зависит от температуры и практически стабильна с изменением давления, ультразвуковые анемометры также используются в качестве термометров .
Измерения из пар преобразователей могут быть объединены, чтобы получить измерение скорости в 1-, 2- или 3-мерном потоке. Двумерные (скорость ветра и направление ветра) звуковые анемометры используются в таких приложениях, как погодные станции , судовая навигация, авиация, погодные буи и ветряные турбины. Мониторинг ветряных турбин обычно требует скорости обновления измерений скорости ветра 3 Гц, [ 8 ] Легко достигается звуковыми анемометрами. Трехмерные звуковые анемометры широко используются для измерения выбросов газа и потоков экосистемы с использованием метода вихревой ковариации быстрого отклика при использовании с инфракрасными газообразными анализаторами или лазерными анализаторами.
Акустические резонансные анемометры

Акустические резонансные анемометры являются более поздним вариантом звукового анемометра. Технология была изобретена Savvas Kapartis и запатентован в 1999 году. [ 9 ] В то время как обычные звуковые анемометры полагаются во время измерения полета, акустические резонансные датчики используют резонирующие акустические (ультразвуковые) волны в небольшой специально построенной полости, чтобы выполнить их измерение.

В полость находится массив ультразвуковых преобразователей, которые используются для создания отдельных паттернов с постоянной волнами на ультразвуковых частотах. По мере того, как ветер проходит через полость, происходит изменение свойства волны (сдвиг фазы). Измеряя количество сдвига фазы в полученных сигналах каждым преобразователем, а затем, математически обрабатывая данные, датчик способен обеспечить точное горизонтальное измерение скорости и направления ветра.
Поскольку технология акустического резонанса обеспечивает измерение в небольшой полости, датчики, как правило, обычно меньше по размеру, чем другие ультразвуковые датчики. Небольшой размер акустических резонансных анемометров делает их физически сильными и простыми в нагревании и, следовательно, устойчивым к обледенению. Эта комбинация функций означает, что они достигают высокого уровня доступности данных и хорошо подходят для контроля ветряных турбин и для других видов использования, которые требуют небольших надежных датчиков, таких как метеорология поля битвы. Одной из проблем с этим типом датчика является точность измерения по сравнению с калиброванным механическим датчиком. Для многих конечных применений эта слабость компенсируется долговечностью датчика и тем фактом, что она не требует повторной калибровки после установки.
Анемометры давления

Первые конструкции анемометров, которые измеряют давление, были разделены на классы пластин и трубки.
Пластины анемометры
Это первые современные анемометры. Они состоят из плоской пластины, подвешенной сверху, так что ветер отклоняет пластину. В 1450 году итальянский архитектор искусства Леон Баттиста Альберти изобрел первый такой механический анемометр; [ 10 ] В 1663 году он был повторно введен Робертом Гуком. [ 11 ] [ 12 ] Более поздние версии этой формы состояли из плоской пластины, как квадратной, так и круглой, которая хранится нормальной к ветру с помощью ветра. Давление ветра на его лице сбалансировано пружиной. Сжатие пружины определяет фактическую силу, которую ветер оказывает на тарелке, и это либо считывается на подходящем датчике, либо на рекордере. Инструменты такого рода не реагируют на световые ветры, неточны для показаний с сильным ветром и медленно реагируют на переменные ветры. Анеемометры пластин использовались для запуска тревоги с сильным ветром на мостах.
Трубные анемометры

Анемметр Джеймса Линда 1775 года состоял из вертикально установленной стеклянной трубки U, содержащей жидкий манометр (датчик давления), с одним концом, склоненным в горизонтальном направлении обращаться к потоку ветра, а другой вертикальный конец ограничен. Хотя Линд был не первым, это был самый практичный и наиболее известный анемометр такого типа. Если ветер дует в устье трубки, он вызывает увеличение давления на одной стороне манометра. Ветер над открытым концом вертикальной трубки вызывает небольшое изменение давления на другой стороне манометра. Полученная разница в возвышении в двух ногах U -трубки является показателем скорости ветра. Однако точное измерение требует, чтобы скорость ветра была непосредственно в открытый конец трубки; Небольшие отъезды от истинного направления ветра вызывает большие изменения в чтении.
The successful metal pressure tube anemometer of William Henry Dines in 1892 utilized the same pressure difference between the open mouth of a straight tube facing the wind and a ring of small holes in a vertical tube which is closed at the upper end. Both are mounted at the same height. The pressure differences on which the action depends are very small, and special means are required to register them. The recorder consists of a float in a sealed chamber partially filled with water. The pipe from the straight tube is connected to the top of the sealed chamber and the pipe from the small tubes is directed into the bottom inside the float. Since the pressure difference determines the vertical position of the float this is a measure of the wind speed.[13]
The great advantage of the tube anemometer lies in the fact that the exposed part can be mounted on a high pole, and requires no oiling or attention for years; and the registering part can be placed in any convenient position. Two connecting tubes are required. It might appear at first sight as though one connection would serve, but the differences in pressure on which these instruments depend are so minute, that the pressure of the air in the room where the recording part is placed has to be considered. Thus, if the instrument depends on the pressure or suction effect alone, and this pressure or suction is measured against the air pressure in an ordinary room in which the doors and windows are carefully closed and a newspaper is then burnt up the chimney, an effect may be produced equal to a wind of 10 mi/h (16 km/h); and the opening of a window in rough weather, or the opening of a door, may entirely alter the registration.
While the Dines anemometer had an error of only 1% at 10 mph (16 km/h), it did not respond very well to low winds due to the poor response of the flat plate vane required to turn the head into the wind. In 1918 an aerodynamic vane with eight times the torque of the flat plate overcame this problem.
Pitot tube static anemometers
Modern tube anemometers use the same principle as in the Dines anemometer, but using a different design. The implementation uses a pitot-static tube, which is a pitot tube with two ports, pitot and static, that is normally used in measuring the airspeed of aircraft. The pitot port measures the dynamic pressure of the open mouth of a tube with pointed head facing the wind, and the static port measures the static pressure from small holes along the side on that tube. The pitot tube is connected to a tail so that it always makes the tube's head face the wind. Additionally, the tube is heated to prevent rime ice formation on the tube.[14] There are two lines from the tube down to the devices to measure the difference in pressure of the two lines. The measurement devices can be manometers, pressure transducers, or analog chart recorders.[15]
Ping-pong ball anemometers
A common anemometer for basic use is constructed from a ping-pong ball attached to a string. When the wind blows horizontally, it presses on and moves the ball; because ping-pong balls are very lightweight, they move easily in light winds. Measuring the angle between the string-ball apparatus and the vertical gives an estimate of the wind speed.
This type of anemometer is mostly used for middle-school level instruction, which most students make on their own, but a similar device was also flown on the Phoenix Mars Lander.[16]
Effect of density on measurements
In the tube anemometer the dynamic pressure is actually being measured, although the scale is usually graduated as a velocity scale. If the actual air density differs from the calibration value, due to differing temperature, elevation or barometric pressure, a correction is required to obtain the actual wind speed. Approximately 1.5% (1.6% above 6,000 feet) should be added to the velocity recorded by a tube anemometer for each 1000 ft (5% for each kilometer) above sea-level.
Effect of icing
At airports, it is essential to have accurate wind data under all conditions, including freezing precipitation. Anemometry is also required in monitoring and controlling the operation of wind turbines, which in cold environments are prone to in-cloud icing. Icing alters the aerodynamics of an anemometer and may entirely block it from operating. Therefore, anemometers used in these applications must be internally heated.[17] Both cup anemometers and sonic anemometers are presently available with heated versions.
Instrument location
In order for wind speeds to be comparable from location to location, the effect of the terrain needs to be considered, especially in regard to height. Other considerations are the presence of trees, and both natural canyons and artificial canyons (urban buildings). The standard anemometer height in open rural terrain is 10 meters.[18]
See also
- Air flow meter
- Anemoi, for the ancient origin of the name of this technology
- Anemoscope, ancient device for measuring or predicting wind direction or weather
- Automated airport weather station
- Night of the Big Wind
- Particle image velocimetry
- Savonius wind turbine
- Wind power forecasting
- Wind run
- Windsock, a simple high-visibility indicator of approximate wind speed and direction
Notes
- ^ "History of the Anemometer". Logic Energy. 2012-06-18.
- ^ Sighard Hoerner's Fluid Dynamic Drag, 1965, pp. 3–17, Figure 32 (pg 60 of 455)
- ^ World Meteorological Organization. "Vane anemometer". Eumetcal. Archived from the original on 8 April 2014. Retrieved 6 April 2014.
- ^ Various (2018-01-01). Encyclopaedia Britannica, 11th Edition, Volume 2, Part 1, Slice 1. Prabhat Prakashan.
- ^ "Hot-wire Anemometer explanation". eFunda. Archived from the original on 10 October 2006. Retrieved 18 September 2006.
- ^ Iten, Paul D. (29 June 1976). "Laser Doppler Anemometer". United States Patent and Trademark Office. Retrieved 18 September 2006.
- ^ Sonic Anemometers (Centre for Atmospheric Science - The University of Manchester), retrieved 29 February 2024
- ^ Giebhardt, Jochen (December 20, 2010). "Chapter 11: Wind turbine condition monitoring systems and techniques". In Dalsgaard Sørensen, John; N Sørensen, Jens (eds.). Wind Energy Systems: Optimising design and construction for safe and reliable operation. Elsevier. pp. 329–349. ISBN 9780857090638.
- ^ Kapartis, Savvas (1999) "Anemometer employing standing wave normal to fluid flow and travelling wave normal to standing wave" U.S. patent 5,877,416
- ^ "Windvanes and anemometers". Scientific itineraries in Tuscany. Museo Galileo - Istituto e Museo di Storia della Scienza.
- ^ Hooke, Robert (1746) [1663]. "A Method for making a History of the Weather". The History of the Royal Society of London. By Sprat, Thomas.
- ^ Walker, Malcolm. "History of the Meteorological Office". Cambridge University Press.
The habit of making weather observations regularly and systematically was encouraged by the Royal Society, and as early as 1663 Hooke presented to the Society his paper titled 'A method for making a history of the weather'
- ^ Dines, W. H. (1892). "Anemometer Comparisons". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 18 (83): 168. Bibcode:1892QJRMS..18..165D. doi:10.1002/qj.4970188303. Retrieved 14 July 2014.
- ^ "Instrumentation: Pitot Tube Static Anemometer, Part 1". Mt. Washington Observatory. Archived from the original on 14 July 2014. Retrieved 14 July 2014.
- ^ "Instrumentation: Pitot Tube Static Anemometer, Part 2". Mt. Washington Observatory. Archived from the original on 14 July 2014. Retrieved 14 July 2014.
- ^ "The Telltale project." Archived 20 February 2012 at the Wayback Machine
- ^ Makkonen, Lasse; Lehtonen, Pertti; Helle, Lauri (2001). "Anemometry in Icing Conditions". Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 18 (9): 1457. Bibcode:2001JAtOT..18.1457M. doi:10.1175/1520-0426(2001)018<1457:AIIC>2.0.CO;2.
- ^ Oke, Tim R. (2006). "3.5 Wind speed and direction" (PDF). Initial Guidance to Obtain Representative Meteorological Observations At Urban Sites. Instruments and Observing Methods. Vol. 81. World Meteorological Organization. pp. 19–26. Archived (PDF) from the original on 2022-10-09. Retrieved 4 February 2013.
References
- Meteorological Instruments, W.E. Knowles Middleton and Athelstan F. Spilhaus, Third Edition revised, University of Toronto Press, Toronto, 1953
- Invention of the Meteorological Instruments, W. E. Knowles Middleton, The Johns Hopkins Press, Baltimore, 1969
External links


- Encyclopædia Britannica. Vol. 2 (9th ed.). 1878. pp. 24–26. .
- Dines, William Henry (1911). . Encyclopædia Britannica. Vol. 2 (11th ed.). pp. 2–3.
- Описание разработки и строительства ультразвукового анемометра
- Анимация, показывающая звуковой принцип работы (время теории полета) - Джилл инструменты
- Коллекция исторического анемометра
- Принцип работы: измерение акустического резонанса - FT Technologies
- Термопедия, «Анемометры (лазерный допплер)»
- Термопедия, «Анемометры (импульсные термические)»
- Термопедия, «Анемометры (лопасть)»
- Анемметр Роторвана. Измерение как скорости, так и направления ветра с использованием меченного датчика из трех чашек архив 2019-09-10 на машине Wayback