Введение

Прибор для измерения скорости ветра

В метеорологии анемометр – это прибор, измеряющий скорость и направление ветра. Это распространенный инструмент, используемый на метеорологических станциях. Самое раннее известное описание анемометра было дано итальянским архитектором и писателем Леоном Баттиста Альберти (1404–1472) в 1450 году.

История

С тех пор, как анемометр был разработан в XV веке, он мало изменился. Считается, что Альберти изобрел его примерно в 1450 году. В последующие столетия многие другие, включая Роберта Гука (1635–1703), разработали собственные версии, и некоторых ошибочно приписывают его изобретение. В 1846 году Томас Ромни Робинсон (1792–1882) усовершенствовал конструкцию, используя четыре полусферических чашки и механические колеса. В 1926 году канадский метеоролог Джон Паттерсон (1872–1956) разработал анемометр с тремя чашками, который был улучшен Брейвоортом и Джойнером в 1935 году. В 1991 году Дерек Уэстон добавил возможность измерения направления ветра. В 1994 году Андреас Пфлицх разработал ультразвуковой анемометр.

Круглосуточные анемометры

Простой тип анемометра был изобретен в 1845 году преподобным доктором Джоном Томасом Ромни Робинсоном из обсерватории Армга. Он состоял из четырех полусферических чашек на горизонтальных рычагах, установленных на вертикальном валу. Поток воздуха, обтекающий чашки в любом горизонтальном направлении, вращал вал со скоростью, приблизительно пропорциональной скорости ветра. Таким образом, подсчет оборотов вала за определенный промежуток времени давал значение, пропорциональное средней скорости ветра в широком диапазоне скоростей. Этот тип прибора также называют ротационным анемометром.

Четыре чашки.

При четырехчашечном анемометре ветер всегда дует в вогнутость одной чашки и на заднюю сторону противоположной чашки. Поскольку вогнутые полусферы имеют коэффициент сопротивления 0,38 на выпуклой стороне и 1,42 на вогнутой стороне, на чашку, обращенную вогнутостью к ветру, действует большая сила. Из-за этой асимметричной силы на оси анемометра возникает крутящий момент, заставляющий его вращаться. Теоретически скорость вращения анемометра должна быть пропорциональна скорости ветра, поскольку сила, действующая на объект, пропорциональна скорости потока газа или жидкости вокруг него. Однако на практике на скорость вращения влияют и другие факторы, включая турбулентность, создаваемую самим прибором, увеличение сопротивления, противодействующего крутящему моменту, создаваемому чашками и поддерживающими рычагами, и трение в точке крепления. Когда Робинсон впервые сконструировал свой анемометр, он утверждал, что чашки движутся со скоростью, составляющей одну треть скорости ветра, и что это не зависит от размера чашек или длины рычагов. Это, казалось, подтверждалось некоторыми ранними независимыми экспериментами, но оказалось неверным. Вместо этого отношение скорости ветра к скорости вращения чашек, называемое анемометрическим коэффициентом, зависит от размеров чашек и рычагов и может принимать значения от двух до немного более трех. После обнаружения ошибки все предыдущие эксперименты с использованием анемометров пришлось повторить.

Три чашки.

Анемометр с тремя чашками, разработанный канадцем Джоном Паттерсоном в 1926 году, и последующие усовершенствования чашек, предложенные Brevoort & Joiner из Соединенных Штатов в 1935 году, привели к созданию конструкции кубкового колеса с почти линейной характеристикой и погрешностью менее 3%. Паттерсон обнаружил, что максимальный крутящий момент каждая чашка создает, когда она находится под углом 45° к направлению ветра. Анемометр с тремя чашками также обладал более стабильным крутящим моментом и быстрее реагировал на порывы ветра, чем анемометр с четырьмя чашками.

Три чашки направления ветра

В 1991 году австралийский доктор Дерек Уэстон дополнительно модифицировал анемометр с тремя чашами для измерения направления ветра. Он прикрепил метку к одной из чаш, что приводило к увеличению и уменьшению скорости вращения колеса по мере того, как метка попеременно двигалась по ветру и против него. Направление ветра вычисляется на основе этих циклических изменений скорости, а скорость ветра – на основе средней скорости вращения колеса. В настоящее время анемометры с тремя чашами являются отраслевым стандартом для оценки ветровых ресурсов и соответствующей практики.

Анемометры для ванов

Одной из других форм механического анемометра скорости является лопастной анемометр. Его можно описать как ветряную мельницу или пропеллерный анемометр. В отличие от анемометра Робинсона, у которого ось вращения вертикальная, у лопастного анемометра ось должна быть параллельна направлению ветра и, следовательно, горизонтальна. Более того, поскольку направление ветра меняется, а ось должна следовать этим изменениям, необходимо использовать флюгер или другое устройство, выполняющее ту же функцию. Таким образом, лопастной анемометр объединяет пропеллер и хвостовое оперение на одной оси для получения точных измерений скорости и направления ветра одним прибором. Скорость вращения пропеллера измеряется счетчиком оборотов и преобразуется в скорость ветра с помощью электронного чипа. Следовательно, можно вычислить объемный расход, если известна площадь поперечного сечения. В случаях, когда направление движения воздуха постоянно, например, в вентиляционных шахтах шахт и зданий, используются флюгеры, известные как расходомеры воздуха, которые дают удовлетворительные результаты.

Анемометры на горячих проводах

Для термоанемометров используется тонкая проволока (порядка нескольких микрометров), электрически нагретая до температуры, превышающей температуру окружающей среды. Воздух, обтекающий проволоку, охлаждает её. Поскольку электрическое сопротивление большинства металлов зависит от их температуры (вольфрам – популярный выбор для термоанемометров), можно установить зависимость между сопротивлением проволоки и скоростью воздушного потока. В большинстве случаев они не позволяют измерять направление потока воздуха, если не используются в сочетании с флюгером. Существуют различные способы реализации этой комбинации, и термоанемометры могут быть классифицированы как анемометры постоянного тока (CCA), постоянного напряжения (CVA) и постоянной температуры (CTA). Выходное напряжение этих анемометров является результатом работы схемы внутри прибора, стремящейся поддерживать постоянным определенный параметр (ток, напряжение или температуру) в соответствии с законом Ома. Кроме того, применяются анемометры с широтно-импульсной модуляцией (PWM), в которых скорость определяется по длительности повторяющегося импульса тока, нагревающего проволоку до заданного сопротивления, после чего импульс прекращается до достижения порогового минимального значения, после чего импульс отправляется снова. Термоанемометры, несмотря на свою высокую чувствительность, обладают очень высокой частотной характеристикой и хорошим пространственным разрешением по сравнению с другими методами измерений, поэтому они практически повсеместно используются для детального изучения турбулентных потоков или любых потоков, в которых важны быстрые колебания скорости. Промышленной версией термоанемометра является тепловой расходомер, который основан на том же принципе, но использует два датчика или струны для контроля изменения температуры. Эти струны содержат тонкие проволоки, но их оболочка делает их более прочными и позволяет точно измерять расход воздуха, газа и выбросов в трубах, воздуховодах и дымоходах. В промышленных условиях часто присутствует загрязнение, которое может повредить классический термоанемометр.

Лазерно-допплеровские анемометры

В лазерной доплеровской велосиметрии лазерные доплеровские анемометры используют луч света от лазера, разделенный на два луча, один из которых направляется из анемометра. Частицы (или намеренно добавленный затравки) в потоке воздуха вблизи точки выхода луча отражают или рассеивают свет обратно в детектор, где измеряется его разность относительно исходного лазерного луча. При интенсивном движении частиц возникает эффект Доплера, позволяющий измерять скорость ветра в лазерном свете и вычислять скорость частиц, а следовательно, и воздуха вокруг анемометра.

Ультразвуковые анемометры

Ультразвуковые анемометры, впервые разработанные в 1950-х годах, используют ультразвуковые волны для измерения скорости ветра. Они измеряют скорость ветра на основе времени прохождения звуковых импульсов между парами датчиков. Время, необходимое звуковому импульсу для перемещения от одного датчика к его паре, обратно пропорционально скорости звука в воздухе плюс скорости ветра в том же направлении: где – время прохождения, – расстояние между датчиками, – скорость звука в воздухе и – скорость ветра. Иными словами, чем быстрее дует ветер, тем быстрее распространяется звуковой импульс. Для компенсации скорости звука в воздухе (которая меняется в зависимости от температуры, давления и влажности) звуковые импульсы посылаются в обоих направлениях, а скорость ветра рассчитывается с использованием прямого и обратного времени прохождения: где – прямое время прохождения и – обратное. Поскольку ультразвуковые анемометры не имеют движущихся частей, они требуют минимального обслуживания и могут использоваться в сложных условиях. Они работают в широком диапазоне скоростей ветра, способны измерять быстрые изменения скорости и направления ветра, выполняя множество измерений каждую секунду, и поэтому полезны для измерения турбулентных потоков воздуха. Их основным недостатком является искажение воздушного потока конструкцией, поддерживающей датчики, что требует коррекции на основе измерений в аэродинамической трубе для минимизации этого эффекта. Капли дождя или лёд на датчиках также могут приводить к неточностям. Так как скорость звука изменяется с температурой, но практически не зависит от изменения давления, ультразвуковые анемометры также используются в качестве термометров. Данные от пар датчиков могут быть объединены для получения измерения скорости в одном, двух или трех измерениях. Двухмерные (скорость и направление ветра) звуковые анемометры применяются в таких областях, как метеорологические станции, судоходство, авиация, метеорологические буи и ветровые турбины. Мониторинг ветровых турбин обычно требует частоты обновления измерений скорости ветра 3 Гц, что легко достижимо с помощью звуковых анемометров. Трехмерные звуковые анемометры широко используются для измерения выбросов газов и потоков экосистем методом ковариации вихрей в сочетании с быстродействующими инфракрасными газоанализаторами или лазерными анализаторами.

Анемометры акустического резонанса

Акустический резонансный анемометр является более поздней разновидностью звукового анемометра. Технология была изобретена Саввасом Капартисом и запатентована в 1999 году. В отличие от традиционных звуковых анемометров, которые полагаются на измерение времени прохождения сигнала, акустические резонансные датчики используют резонирующие акустические (ультразвуковые) волны внутри небольшой специально сконструированной полости для проведения измерений. Внутри полости расположен массив ультразвуковых преобразователей, используемых для создания отдельных устойчивых волновых паттернов на ультразвуковых частотах. При прохождении ветра через полость происходит изменение характеристик волны (фазовый сдвиг). Измеряя величину фазового сдвига в принимаемых сигналах каждым преобразователем и затем математически обрабатывая данные, датчик способен обеспечивать точное горизонтальное измерение скорости и направления ветра. Благодаря тому, что акустическая резонансная технология позволяет проводить измерения в небольшой полости, датчики, как правило, имеют меньшие размеры, чем другие ультразвуковые датчики. Компактные размеры акустических резонансных анемометров делают их физически прочными и легко нагреваемыми, а следовательно, устойчивыми к обледенению. Такое сочетание характеристик обеспечивает высокую доступность данных и делает их хорошо подходящими для управления ветровыми турбинами, а также для других применений, требующих небольших и надежных датчиков, например, для метеорологии в полевых условиях. Одной из проблем данного типа датчиков является точность измерений по сравнению с калиброванным механическим датчиком. Однако для многих областей применения эта слабость компенсируется долговечностью датчика и отсутствием необходимости в перекалибровке после установки.

Анемометры давления

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

Анемометры с пластинками

Это первые современные анемометры. Они состоят из плоской пластины, подвешенной сверху таким образом, чтобы ветер отклонял её. В 1450 году итальянский архитектор и теоретик искусства Леон Баттиста Альберти изобрел первый механический анемометр, а в 1663 году его заново изобрел Роберт Гук. Более поздние версии этой конструкции состояли из плоской пластины – квадратной или круглой – которая удерживалась перпендикулярно направлению ветра с помощью флюгера. Давление ветра на пластину уравновешивалось пружиной. Степень сжатия пружины определяла фактическую силу, с которой ветер воздействует на пластину, и эта сила считывалась либо на соответствующем измерительном приборе, либо регистрировалась. Приборы такого типа не реагируют на слабый ветер, дают неточные показания при сильном ветре и медленно реагируют на изменения направления и силы ветра. Анемометры пластинчатого типа использовались для включения сигнализации при сильном ветре на мостах.

Трубчатые анемометры

Анемометр Джеймса Линда 1775 года состоял из вертикально установленной стеклянной U-образной трубки, содержащей жидкий манометр (измеритель давления), с одним концом, изогнутым в горизонтальном направлении навстречу потоку ветра, а другой вертикальный конец был закрыт. Хотя Линд и не был первым, его анемометр был самым практичным и наиболее известным представителем этого типа. Если ветер дует в отверстие трубки, это вызывает увеличение давления на одной стороне манометра. Ветер, обтекающий открытый конец вертикальной трубки, вызывает незначительное изменение давления на другой стороне манометра. Разница в уровнях жидкости в двух коленах U-образной трубки служит индикатором скорости ветра. Однако для точного измерения необходимо, чтобы ветер дул непосредственно в открытый конец трубки; даже небольшие отклонения от истинного направления ветра приводят к значительным изменениям в показаниях. Успешный металлический трубчатый анемометр Уильяма Генри Дайнса 1892 года использовал ту же разницу давления между открытым концом прямой трубки, направленной навстречу ветру, и кольцом небольших отверстий в вертикальной трубке, закрытой сверху. Оба элемента установлены на одной высоте. Разница давления, на которой основан принцип работы, очень мала, и для ее регистрации требуются специальные средства. Регистрирующее устройство состоит из поплавка в герметичной камере, частично заполненной водой. Трубка от прямой трубки соединена с верхней частью герметичной камеры, а трубка от небольших отверстий направлена внутрь поплавка в нижней части. Поскольку разница давления определяет вертикальное положение поплавка, это является мерой скорости ветра. Главное преимущество трубчатого анемометра заключается в том, что его открытая часть может быть установлена на высокой мачте и не требует смазки или обслуживания в течение многих лет; а регистрирующая часть может быть размещена в любом удобном месте. Требуются две соединительные трубки. Может показаться, что одного соединения достаточно, но разница в давлении, на которой основаны эти приборы, настолько мала, что необходимо учитывать давление воздуха в помещении, где находится регистрирующее устройство. Таким образом, если прибор зависит только от эффекта давления или разрежения, и это давление или разрежение измеряется относительно давления воздуха в обычной комнате, в которой двери и окна плотно закрыты, то сжигание газеты в дымоходе может создать эффект, эквивалентный ветру 10 миль/ч (16 км/ч); а открытие окна в плохую погоду или открытие двери может полностью изменить показания. Хотя анемометр Дайнса имел погрешность всего 1%, он плохо реагировал на слабые ветры из-за недостаточной чувствительности плоской пластины, необходимой для поворота головки по направлению ветра. В 1918 году аэродинамическая лопасть с крутящим моментом в восемь раз больше, чем у плоской пластины, решила эту проблему.

Анемометры для трубки Пито

Современные трубчатые анемометры используют тот же принцип, что и анемометр Дайнса, но имеют иную конструкцию. В них применяется трубка Пито-статическая, представляющая собой трубку Пито с двумя отверстиями – питовым и статическим, обычно используемую для измерения скорости воздушного судна. Питовое отверстие измеряет динамическое давление в раскрытом отверстии трубы с заостренным наконечником, направленным навстречу ветру, а статическое отверстие – статическое давление через небольшие отверстия вдоль боковой поверхности трубы. Трубка Пито соединена с оперением, чтобы ее наконечник всегда был направлен против ветра. Кроме того, трубка нагревается для предотвращения образования инея. От трубки к измерительным приборам проложены две трубки для измерения разности давлений. В качестве измерительных приборов могут использоваться манометры, преобразователи давления или аналоговые самописцы.

Анемометры для шаров для пинг-понга

Обычный анемометр для базового использования изготавливается из мячика для пинг-понга, прикрепленного к нити. Когда ветер дует горизонтально, он давит на мячик и перемещает его; поскольку мячики для пинг-понга очень легкие, они легко двигаются даже при слабом ветре. Измерение угла между нитью с мячиком и вертикалью позволяет приблизительно оценить скорость ветра. Этот тип анемометра в основном используется в обучении в средней школе, и большинство учеников делают его самостоятельно, но похожее устройство также было установлено на посадочном модуле Phoenix Mars Lander.

Влияние плотности на измерения

В трубчатом анемометре измеряется динамическое давление, хотя шкала обычно градуирована по шкале скорости. Если фактическая плотность воздуха отличается от значения, использованного при калибровке, из-за разной температуры, высоты над уровнем моря или барометрического давления, необходима коррекция для определения фактической скорости ветра. Примерно 1,5% (1,6% выше 1800 метров) следует прибавлять к показаниям скорости, зарегистрированным трубчатым анемометром, за каждые 300 метров высоты (5% на каждый километр) над уровнем моря.

Эффект глазури

В аэропортах крайне важно иметь точные данные о ветре при любых условиях, включая гололедицу и мокрый снег. Анемометрия также необходима для мониторинга и управления работой ветровых турбин, которые в холодных условиях подвержены обледенению в облаках. Обледенение изменяет аэродинамические характеристики анемометра и может полностью блокировать его работу. Поэтому анемометры, используемые в этих областях применения, должны быть оснащены внутренней системой обогрева. В настоящее время доступны обогреваемые версии как чашечных, так и ультразвуковых анемометров.

Место расположения прибора

Для того чтобы скорости ветра были сопоставимы в разных местах, необходимо учитывать влияние рельефа местности, особенно в отношении высоты. Также следует учитывать наличие деревьев, естественных и искусственных каньонов (например, городских зданий). Стандартная высота установки анемометра на открытой сельской местности составляет 10 метров.