Проведение эксперимента

Измерения производились в августе 2012 года на полигоне ИФА РАН недалеко от города Цимлянск. Полигон характеризуется очень ровным рельефом и отсутствием крупных препятствий, способных сильно возмущать воздушный поток. Высота травы, как правило, не превышает 10-15 см. Система регистрации состоит из пяти флюгарок (F1, F2, F3, F4, F5), каждая их которых закреплена на вершине двухметровой штанги. На рис. 1 изображена схема расположения всех приборов, задействованных в эксперименте, отдельная флюгарка изображена на рис. 2. Флюгарки выстроены в линию вдоль направления север-юг. Такая ориентировка продиктована преобладающими в это время года в данном регионе восточными ветрами. В дни ясной погоды ветер может долгое время дуть практически в одном направлении, что сильно упрощает проведение эксперимента. Расстояния между первой и каждой из последующих флюгарок равны 1, 3,10 и 20 метров соответственно. Нелинейная расстановка позволяет реализовать большее количество комбинаций расстояний при построении пространственной корреляционной функции.

Между флюгарками F4 и F5 была установлена мачта, оснащенная шестью малоинерционными термометрами сопротивления переменного тока (T1, T2, T3, T4, T5, T6), размещенными на высотах 0.3, 0.6, 1.2, 2.5, 8.0 метров. Один из датчиков изображен на рис. 3. В трех метрах западнее флюгарки F4 располагалась еще одна мачта. На мачте, на высоте 5 метров был установлен трехкомпонентный акустический анемометр (A) , он изображен на рис. 4. Такое расположение анемометра связано с тем, что он одновременно участвовал еще в одном эксперименте во время данной экспедиции. В пяти метрах от мачты располагался пиранометр (P) на полутораметровом штативе, рис. 5. Все используемые приборы и датчики имели аналоговые выходы и были подключены к одному 32-канальному АЦП для синхронной записи данных.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Более подробно следует рассмотреть устройство флюгарок. Принцип работы такого датчика основан на использовании механизма индукционной связи – сельсина. Сельсин состоит из статора с трехвазной обмоткой и ротора с однофазной обмоткой. При повороте ротора, его обмотка «подстраивается» под ту обмотку статора, к которой она ближе повернута в данный момент. С ротором сельсина соединяется ось флюгарки, а статор закрепляется на опорной штанге. На две фазосдвигающие цепочки, соединенные с контактами статора сельсина, с генератора подается синусоидальный сигнал частотой 2,5 кГц. Тот же самый сигнал подается и напрямую к одному из выходов фазометра. Сопротивления R1, R2 и емкости C1, C2 подобраны таким образом, чтобы в точках А, В и С фазы напряжения относительно «земли» отличаются на 120 градусов, напряжение с этих точек поступает на контакты статора сельсина. При повороте флюгарки линейно изменяется фаза ЭДС, наводимой в катушке ротора. Таким образом, положение флюгарки можно отследить по разности фаз между исходным сигналом и сигналом, прошедшим через сельсин. Для этого оба сигнала подаются на фазометр. На рис. 6 изображена схема датчика.

Рисунок 6

Фазометр основан на использовании триггера с двумя устойчивыми состояниями. Вначале каждый входящий синусоидальный сигнал преобразуются в прямоугольный меандр. Каждый переход такого сигнала через нулевое положение генерирует импульс, способный переключить триггер из одного устойчивого состояния в другое. Напряжение на триггере зависит от отношения времен пребывания в каждом состоянии. Чем сильнее один из входящих сигналов отстает от другого по фазе, тем больше времени проходит между переключением триггера, и тем выше становится напряжение на выходе.

Флюгарка может совершать неограниченное число оборотов в любую сторону. Напряжение на выходе фазометра будет при этом иметь пилообразный вид.

Выходной сигнал с фазометра оцифровывается и сохраняется на компьютере. Оцифровка осуществляется 32-х канальным АЦП L-card, на который приходили сигналы не только с флюгарок, но и со всех остальных датчиков, используемых в эксперименте. Частота опроса составляла 32 кГц.

Калибровка установки производилась путем поворота флюгарки на заданные углы и параллельным измерением напряжения на выходе фазометра. Калибровочный коэффициент оказался равен 36 град/В.

Еще один способ градуировки флюгарок заключается в сравнении их показаний с данными, полученными с акустического анемометра. Анемометр может представлять выходные данные как в виде трех компонент скорости ветра, так и в виде направления и модуля скорости ветра. Так как флюгарки находились на значительном (от 3 до 10 м.) расстоянии от анемометра, приходится предполагать, что среднее значение направления ветра и дисперсия отклонений от среднего значения были одинаковыми для всех точек полигона.

Прировняв показания акустического анемометра (в градусах) и показания флюгарок (в условных единицах), можно найти калибровочные коэффициенты. Для каждой флюгарки коэффициент будет свой. Кроме того, этот коэффициент будет разным для разных экспериментов, если между измерениями производилась подстройка фазометра.

Следует отметить, что для основных операций по обработке результатов (построение пространственных и временных корреляционных функций, спектров, распределений вероятности) вообще не требуется калибровка. Единственным необходимым условием для корректной обработки является линейность датчиков.

Следует отметить, что данная схема является не далеко не единственным способом регистрации направления ветра. Вместо сельсина можно использовать линейное переменное сопротивление. В этом случае направление ветра отслеживается простым измерением сопротивления цепи. Возможно также использование цифрового датчика угла поворота – энкодера.