Анемометр - Википедия - Anemometer

Анемометр с полусферической чашкой, изобретенный в 1846 г. Джон Томас Ромни Робинсон.

An анемометр это устройство, используемое для измерения скорость ветра и направление. Это также обычное метеостанция инструмент. Термин происходит от греческого слова анемы, что значит ветер, и используется для описания любого прибора скорости ветра, используемого в метеорология. Первое известное описание анемометра было дано Леон Баттиста Альберти в 1450 г.

История

Анемометр мало изменился с момента его разработки в 15 веке. Леон Баттиста Альберти (1404–1472), как говорят, изобрел первый механический анемометр около 1450 года. В последующие века многие другие, в том числе Роберт Гук (1635–1703), разработали свои собственные версии, некоторые из которых были ошибочно названы изобретателями. В 1846 г. Джон Томас Ромни Робинсон (1792–1882) усовершенствовал конструкцию, применив четыре полусферических чашки и механические колеса. В 1926 году канадский метеоролог Джон Паттерсон (3 января 1872 г. - 22 февраля 1956 г.) разработал анемометр с тремя чашками, который был усовершенствован Бревуртом и Джойнером в 1935 г. В 1991 г. Дерек Уэстон добавлена ​​возможность измерения направления ветра. В 1994 г. Андреас Пфлич разработал звуковой анемометр.[1]

Анемометры скорости

Анемометры чашечные

Анимация чашки анемометра

Анемометр простого типа был изобретен в 1845 году преподобным Др. Джон Томас Ромни Робинсон, из Обсерватория Арма. Он состоял из четырех полусферический чашки устанавливались на горизонтальных кронштейнах, которые крепились на вертикальном валу. Воздушный поток, проходящий мимо чашек в любом горизонтальном направлении, вращал вал со скоростью, примерно пропорциональной скорости ветра. Следовательно, подсчет оборотов вала за заданный интервал времени дает значение, пропорциональное средней скорости ветра для широкого диапазона скоростей. Его еще называют ротационным анемометром.

На анемометре с четырьмя чашками легко увидеть, что, поскольку чашки расположены симметрично на концах плеч, ветер всегда имеет полость одной чашки, представленную ему, и дует на заднюю часть чашки на противоположной стороне. конец креста. Поскольку полое полушарие имеет коэффициент трения 0,38 на сферической стороне и 1,42 на полой стороне,[2] большая сила создается на чашке, которая выставляет свою полую сторону ветру. Из-за этой асимметричной силы на оси анемометра создается крутящий момент, заставляющий его вращаться.

Теоретически скорость вращения анемометра должна быть пропорциональна скорости ветра, поскольку сила, действующая на объект, пропорциональна скорости жидкости, протекающей мимо него. Однако на практике на скорость вращения влияют другие факторы, в том числе турбулентность, создаваемая устройством, увеличение сопротивления в противоположность крутящему моменту, создаваемому чашками и опорными рычагами, и трение в точке крепления. Когда Робинсон впервые сконструировал свой анемометр, он утверждал, что чашки перемещаются на одну треть скорости ветра, независимо от размера чашки или длины руки. Это было очевидно подтверждено некоторыми ранними независимыми экспериментами, но это было неверно. Вместо этого, соотношение скорости ветра и скорости чашек, коэффициент анемометра, зависит от размеров чашек и подлокотников и может иметь значение от двух до чуть более трех. Каждый предыдущий эксперимент с анемометром приходилось повторять после обнаружения ошибки.

Анемометр с тремя чашками, разработанный канадской Джон Паттерсон в 1926 году и последующие усовершенствования чашек компанией Brevoort & Joiner из США в 1935 году привели к конструкции чашечного колеса с почти линейной характеристикой 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 находится 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.

Анемометр с тремя чашками был дополнительно модифицирован австралийским доктором Дереком Уэстоном в 1991 году для измерения направления и скорости ветра. Уэстон добавил метку к одной чашке, которая заставляет скорость вращения колеса увеличиваться и уменьшаться, поскольку метка перемещается поочередно с ветром и против ветра. Направление ветра рассчитывается на основе этих циклических изменений скорости вращающегося колеса, в то время как скорость ветра определяется на основе средней скорости вращающегося колеса.

Анемометры с тремя чашками в настоящее время используются в качестве промышленного стандарта для оценка ветровых ресурсов учеба и практика.

Анемометры крыльчатые

Одной из других форм анемометра с механической скоростью является крыльчатый анемометр. Его можно описать как мельница или пропеллерный анемометр. В отличие от анемометра Робинсона, ось вращения которого вертикальна, ось крыльчатого анемометра должна быть параллельна направлению ветра и, следовательно, горизонтальна. Кроме того, поскольку направление ветра меняется и ось должна следовать за его изменениями, флюгер или какое-то другое приспособление для достижения той же цели должно быть использовано.

А крыльчатый анемометр Таким образом, гребной винт и хвостовое оперение объединены на одной оси для получения точных и точных измерений скорости и направления ветра с помощью одного и того же прибора.[3] Скорость вентилятора измеряется тахометром и преобразуется в скорость ветра с помощью электронного чипа. Следовательно, объемный расход можно вычислить, если известна площадь поперечного сечения.

В случаях, когда направление движения воздуха всегда одно и то же, как в вентиляционных шахтах шахт и зданий, используются флюгеры, известные как счетчики воздуха, и дают удовлетворительные результаты.[4]

  • Анемометры крыльчатые

  • Анемометр с крыльчаткой

  • Геликоид пропеллерный анемометр, включающий флюгер для ориентации

  • Ручной низкооборотный крыльчатый анемометр

  • Ручной цифровой анемометр или аненометр Байрама.

Термоанемометры

Датчик горячего провода

Анемометры с горячей проволокой используют тонкую проволоку (порядка нескольких микрометров), электрически нагретую до температуры, превышающей температуру окружающей среды. Воздух, проходящий мимо проволоки, охлаждает ее. Поскольку электрическое сопротивление большинства металлов зависит от температуры металла (вольфрам является популярным выбором для горячей проволоки), можно получить зависимость между сопротивлением проволоки и скоростью потока.[5] В большинстве случаев их нельзя использовать для измерения направления ветра, если они не соединены с флюгером.

Существует несколько способов реализации этого, и устройства с горячей проволокой можно дополнительно классифицировать как CCA (постоянный ток анемометр), CVA (постоянное напряжение анемометр) и CTA (анемометр постоянной температуры). Выходное напряжение этих анемометров, таким образом, является результатом какой-то цепи внутри устройства, пытающейся поддерживать постоянную конкретную переменную (ток, напряжение или температуру), следуя Закон Ома.

Дополнительно ШИМ (широтно-импульсная модуляция ) также используются анемометры, в которых скорость определяется длительностью повторяющегося импульса тока, который доводит провод до заданного сопротивления, а затем останавливается до тех пор, пока не будет достигнут порог "пола", после чего импульс отправляется снова. .

Термоанемометры, хотя и очень хрупкие, обладают чрезвычайно высокой частотной характеристикой и прекрасным пространственным разрешением по сравнению с другими методами измерения и поэтому почти повсеместно используются для детального исследования турбулентных потоков или любого потока, в котором быстрые колебания скорости вызывают интерес.

Промышленный вариант анемометра с тонкой проволокой - измеритель теплового потока, который следует той же концепции, но использует две булавки или струны для отслеживания изменения температуры. Гирлянды содержат тонкую проволоку, но оболочка из проволоки делает их намного более прочными и способными точно измерять потоки воздуха, газа и выбросов в трубах, каналах и трубах. Промышленные применения часто содержат грязь, которая может повредить классический термоанемометр.

Чертеж лазерного анемометра. Лазерный свет излучается (1) через переднюю линзу (6) анемометра и рассеивается обратно молекулами воздуха (7). Обратно рассеянное излучение (точки) повторно входит в устройство, отражается и направляется в детектор (12).

Лазерные доплеровские анемометры

В лазерная доплеровская велосиметрия, лазерные доплеровские анемометры используют луч света от лазер который разделен на два луча, один из которых выходит за пределы анемометра. Частицы (или намеренно введенный затравочный материал), протекающие вместе с молекулами воздуха рядом с местом выхода луча, отражают или рассеивают свет обратно в детектор, где он измеряется относительно исходного лазерного луча. Когда частицы находятся в большом движении, они производят Доплеровский сдвиг для измерения скорости ветра в лазерном свете, который используется для расчета скорости частиц и, следовательно, воздуха вокруг анемометра.[6]

Ультразвуковой анемометр 2D с 3 лучами

Ультразвуковые анемометры

Ультразвуковой анемометр 3D

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 16622 Метеорология. 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 лазер анализаторы 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.

Акустические резонансные анемометры

Акустический резонансный анемометр

Акустические резонансные анемометры являются более поздним вариантом звуковых анемометров. Технология была изобретена Саввасом Капартисом и запатентована в 1999 году.[8] В то время как обычные звуковые анемометры основываются на измерении времени пролета, датчики акустического резонанса используют резонирующие акустические (ультразвуковые) волны в небольшой специально построенной полости для выполнения своих измерений.

Принцип акустического резонанса

В полость встроен массив ультразвуковых преобразователей, которые используются для создания отдельных рисунков стоячей волны на ультразвуковых частотах. Когда ветер проходит через полость, происходит изменение свойства волны (фазовый сдвиг). Измеряя величину фазового сдвига в принимаемых сигналах каждым датчиком, а затем математически обрабатывая данные, датчик может обеспечить точное горизонтальное измерение скорости и направления ветра.

Технология акустического резонанса позволяет проводить измерения в небольшой полости, поэтому датчики обычно меньше по размеру, чем другие ультразвуковые датчики. Небольшой размер акустических резонансных анемометров делает их физически прочными, легко нагреваются и, следовательно, устойчивы к обледенению. Такое сочетание функций означает, что они обеспечивают высокий уровень доступности данных и хорошо подходят для управления ветряными турбинами и других применений, требующих небольших надежных датчиков, таких как метеорология поля боя. Одной из проблем этого типа датчика является точность измерения по сравнению с калиброванным механическим датчиком. Для многих конечных пользователей этот недостаток компенсируется долговечностью датчика и тем фактом, что он не требует повторной калибровки после установки.

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 давления

Яхт-клуб Британии тур по клубу, бурджи и датчик ветра на крыше

Первые конструкции анемометров, измеряющих давление, были разделены на пластинчатые и трубчатые.

Пластинчатые анемометры

Это первые современные анемометры. Они состоят из плоской пластины, подвешенной сверху, так что ветер отклоняет пластину. В 1450 году итальянский архитектор Леон Баттиста Альберти изобрел первый механический анемометр; в 1664 году его заново изобрел Роберт Гук (которого часто ошибочно считают изобретателем первого анемометра). 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 это значение либо считывается подходящим датчиком, либо записывающим устройством. Инструменты этого типа не реагируют на слабый ветер, неточны для показаний сильного ветра и медленно реагируют на переменный ветер. Пластинчатые анемометры использовались для срабатывания сигнализации сильного ветра на мостах.

Трубчатые анемометры

Трубчатый анемометр, изобретенный Уильямом Генри Дайнсом. Подвижная часть (правая) устанавливается на неподвижную часть (слева).
Инструменты на Обсерватория Маунт Вашингтон. Статический анемометр с трубкой Пито находится справа.
Заостренная голова - это порт Пито. Маленькие отверстия подключены к статическому порту.

Джеймс Линд анемометр 1775 года состоял из стеклянной U-образной трубки, содержащей жидкость манометр (манометр), с одним концом, согнутым в горизонтальном направлении, чтобы смотреть на ветер, а другой вертикальный конец остается параллельным ветровому потоку. Хотя Lind был не первым, это был самый практичный и самый известный анемометр этого типа. Если ветер дует в горловину 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 опорах U-образной трубы является показателем скорости ветра. Однако для точного измерения требуется, чтобы скорость ветра приходилась прямо на открытый конец трубы; небольшие отклонения от истинного направления ветра вызывают большие отклонения в показаниях.

Успех трубка анемометр давление металла Уильям Генри Динес в 1892 году использовала то же разницу давлений между открытым ртом прямой трубкой, обращенной к ветру и кольцо маленьких отверстий в вертикальной трубе, которая закрыта на верхнем конце. Оба установлены на одинаковой высоте. Перепады давления, от которых зависит действие, очень малы, и для их регистрации требуются специальные средства. Регистратор представляет собой поплавок в герметичной камере, частично заполненной водой. Трубка от прямой трубки соединяется с верхней частью герметичной камеры, а труба от маленьких трубок направляется в нижнюю часть поплавка. Поскольку разность давлений определяет вертикальное положение поплавка, это показатель скорости ветра.[10]

Большое преимущество трубчатого анемометра заключается в том, что открытая часть может быть установлена ​​на высоком столбе и не требует смазки или ухода в течение многих лет; а регистрирующую часть можно разместить в любом удобном месте. Требуются две соединительные трубки. На первый взгляд может показаться, что одно соединение может служить, но разница в давлении, от которого зависят эти инструменты, настолько ничтожна, что необходимо учитывать давление воздуха в комнате, где размещается записывающая часть. 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 газета сжигается в дымоходе, эффект может производиться при скорости ветра 10 миль / ч (16 км / ч); и открытие окна в ненастную погоду 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 лопасти, необходимой для поворота головы против ветра. В 1918 году аэродинамическая лопасть с крутящим моментом, в восемь раз превышающим крутящий момент плоской пластины, решила эту проблему.

Статические анемометры с трубкой Пито

Современные трубчатые анемометры работают по тому же принципу, что и анемометры Dines, но с другой конструкцией. В реализации используется трубка Пито которая представляет собой трубку Пито с двумя портами, пито и статическим, которая обычно используется для измерения скорости полета самолета. Порт Пито измеряет динамическое давление открытого горловины трубки с заостренной головкой, направленной против ветра, а статический порт измеряет статическое давление от небольших отверстий вдоль стороны этой трубки. Трубка Пито соединена с хвостом, так что голова трубки всегда обращена к ветру. Дополнительно трубка нагревается для предотвращения изморозь образование на трубке.[11] От трубки до устройств проходят две линии для измерения разницы давлений в двух линиях. Измерительные устройства могут быть манометры, датчики давления, или аналог самописцы.[12]

Влияние плотности на измерения

В трубчатом анемометре фактически измеряется динамическое давление, хотя шкала обычно градуирована как шкала скорости. Если фактическая плотность воздуха отличается от калибровочного значения из-за разницы в температуре, высоте над уровнем моря или барометрическом давлении, требуется поправка для получения фактической скорости ветра. Приблизительно 1,5% (1,6% на высоте более 6000 футов) следует добавить к скорости, зарегистрированной 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 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. Следовательно, анемометры, используемые в этих приложениях, должны иметь внутренний нагрев.[13] В настоящее время доступны как чашечные анемометры, так и звуковые анемометры с подогревом.

Расположение инструмента

Чтобы скорости ветра были сопоставимы от места к месту, необходимо учитывать влияние местности, особенно в отношении высоты. Другие соображения - это наличие деревьев, а также естественных каньонов и искусственных каньонов (городских построек). Стандартная высота анемометра на открытой сельской местности составляет 10 метров.[14]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ «История анемометра». Логическая энергия. 2012-06-18.
  2. ^ Гидродинамическое сопротивление Зигхарда Хёрнера, 1965, стр. 3–17, рис. 32 (стр 60 из 455)
  3. ^ Всемирная метеорологическая организация. «Анемометр крыльчатый». Eumetcal. Архивировано из оригинал 8 апреля 2014 г.. Получено 6 апреля 2014.
  4. ^ Разное (01.01.2018). Британская энциклопедия, 11-е издание, том 2, часть 1, фрагмент 1. Прабхат Пракашан.
  5. ^ "Объяснение термоанемометра". eFunda. В архиве из оригинала 10 октября 2006 г.. Получено 18 сентября 2006.
  6. ^ Итен, Пол Д. (29 июня 1976 г.). «Лазерный доплеровский анемометр». Ведомство США по патентам и товарным знакам. Получено 18 сентября 2006.
  7. ^ Гибхардт, Йохен (20 декабря 2010 г.). «Глава 11: Системы и методы мониторинга состояния ветряных турбин». В Дальсгаард Соренсен, Джон; Н. Соренсен, Йенс (ред.). Системы ветроэнергетики: оптимизация проектирования и строительства для безопасной и надежной работы. Эльзевир. С. 329–349. ISBN  9780857090638.
  8. ^ Капартис, Саввас (1999) "Анемометр, использующий стоячую волну, нормальную к потоку жидкости, и бегущую волну, нормальную к стоячей волне" Патент США 5,877,416
  9. ^ «Проект Telltale». В архиве 20 февраля 2012 г. Wayback Machine
  10. ^ Дайнс, У. Х. (1892). «Сравнение анемометров». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества. 18 (83): 168. Bibcode:1892QJRMS..18..165D. Дои:10.1002 / qj.4970188303. Получено 14 июля 2014.
  11. ^ «Приборы: статический анемометр с трубкой Пито, часть 1». Mt. Вашингтонская обсерватория. Архивировано из оригинал 14 июля 2014 г.. Получено 14 июля 2014.
  12. ^ «Приборы: статический анемометр с трубкой Пито, часть 2». Mt. Вашингтонская обсерватория. Архивировано из оригинал 14 июля 2014 г.. Получено 14 июля 2014.
  13. ^ Макконен, Лассе; Лехтонен, Пертти; Хелле, Лаури (2001). «Анемометрия в условиях обледенения». Журнал атмосферных и океанических технологий. 18 (9): 1457. Bibcode:2001JAtOT..18.1457M. Дои:10.1175 / 1520-0426 (2001) 018 <1457: AIIC> 2.0.CO; 2. Бесплатно читать
  14. ^ Ок, Тим Р. (2006). «3.5 Скорость и направление ветра» (PDF). Первоначальное руководство по получению репрезентативных метеорологических наблюдений на городских участках. Инструменты и методы наблюдений. 81. Всемирная метеорологическая организация. стр. 19–26. Получено 4 февраля 2013.

Рекомендации

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

внешняя ссылка