3. Методы и приборы для измерения скорости и направления ветра у поверхности земли.

Флюгер Вильде . Данный прибор предназначен для использования на метеорологических станциях с целью многолетних постоянных наблюдений в различных регионах за направлениями и скорости ветров. Следует учитывать, что фиксируемые данные на метеорологических станциях, расположенных в различных местностях, должны быть сравнимыми. Это условие предполагает использование только серийно выпускаемых флюгеров, имеющих строго однотипное устройство.направление движения воздушных потоков определяется с помощью флюгарки – пластинки клиновидной формы с противовесом. Направление ветра фиксируется с помощью муфты с жестко закрепленными прутиками (штифтиками) – указателями румбов. При вращении флюгарки доска для определения скорости ветра всегда принимает положение, перпендикулярное направлению ветра, и под давлением последнего отклоняется от отвесного положения на тот или иной угол. По положению отклонения доски, пользуясь отградуированными штифтиками-указателями, определяют скорость ветра. В приборе имеются две доски: легкая (200 г) для измерения скоростей, не превышающих 20 м/с и тяжелая (800 г) для скоростей до 40 м/с. Приближенную скорость ветра можно определить, помножив размер штифтика на 2 (при пользовании легкой доской) или на 4 (при пользовании тяжелой доской). Флюгер для наблюдений устанавливают в открытом месте на столбе высотой 8 – 10 м. штифтик с буквой С (N) должен быть установлен на север по компасу или полуденной линии, то есть по меридиану данного места. На основании многолетних наблюдений выводятся закономерности направлений и скоростей воздушных потоков, составляющие особенности климато-погодных условий в той или иной местности. Эти справочные данные широко используются для различных, частью указанных выше целей, в том числе и в гигиенической практике, в частности, когда имеет место необходимость гигиенического контроля за планировкой и застройкой населенных мест. Анемометры. В санитарно-гигиенической практике наиболее широко используются портативные анемометры – чашечный анемометр и крыльчатый анемометр(рисунок 20). Воспринимающая часть чашечного анемометра представляет собой вертушку из 4 полых полушарий (чашечек), закрепленную на металлической оси, нижний конец которой связан со счетным механизмом (тахометром). Стрелки на циферблате прибора показывают число оборотов полушарий вокруг оси: большая – число единиц и десятков, а две маленькие – число сотен и тысяч. Для включения и выключения счетчика оборотов на коробке прибора имеются рычаг и два кольца. В случае, если имеет место необходимость измерение движения воздуха на какой-либо высоте, прибор можно закрепить на шесте с помощью винта в нижней части. При этом для дистанционного включения и выключения счетчика на рычаге включения жестко закрепляется шнур и пропускается через кольца. Пометив концы шнура, можно включать и выключать счетчик. Порядок измерения скорости движения воздуха (ветра). Записывают показания всех стрелок (на малых циферблатах учитывают только целые деления). Устанавливают прибор на шесте или держат в вытянутых руках в зависимости от конкретных задач. При этом прибор должен находиться в строго вертикальном положении. Далее, выжидают 1 – 2 минуты, пока не наступит полное вращение вертушки, после чего шнуром или непосредственно ручками включают одновременно счетчик прибора и секундомер. Наблюдение ведется в течение 10 минут. После данной экспозиции включают счетчик и секундомер и вновь записывают показания стрелок счетчика. Затем вычисляют разность между двумя показаниями счетчика, делят эту величину на время наблюдения, выраженное в секундах, и получают число оборотов в 1 секунду. Эта величина приблизительно соответствует искомой скорости движения воздушного потока. Для получения более точной величины пользуются таблицей или графиком перевода числа оборотов в скорость. Таблица или график прилагаются к прибору. Чашечный анемометр служит для определения средних скоростей ветра в пределах 1,0 – 2,0 м/с. с помощью данного прибора можно производить не только метеорологические наблюдения в открытой атмосфере, но и определять скорость движения воздушных потоков в вентиляционных системах, в частности, с целью гигиенической оценки эффективности вентиляции в помещениях и устройствах различного назначения. Крыльчатый анемометр по принципу работы идентичен предыдущему прибору. Однако в данном приборе имеются некоторые конструктивные особенности, повышающие его чувствительность и нижние пределы определения скорости движения воздушных потоков. Воспринимающей частью в крыльчатом анемометре служит мельничка (крыльчатка) из легких металлических лопастей, посаженных на соединенную со счетчиком оборотов горизонтальную ось. по потоку так, чтобы счетный механизм был позади потока относительно крыльчатки. Для преодоления инерции сопротивления прибора крыльчатке достаточно вращаться в холостую всего 0,5 минуты. Продолжительность наблюдения ограничивается 2 минутами. Порядок расчета скорости потока воздуха такой же, как у чашечного анемометра. С помощью крыльчатого анемометра представляется возможность измерять скорость воздушных потоков от 0,3 до 5,0 м/с.Пример определения скорости движения воздуха чашечного анемометра. На открытой рабочей площадке с целью изучения условий труда рабочих-строителей проведено одно из исследований скорости ветра в ряду намеченных программой многочисленных регулярных наблюдений. Снимаем исходные показания счетчика прибора. При этом стрелка, указывающая тысячи, находилась между цифрами 3 и 4 соответствующего циферблата. То есть, в данном случае записываем число целых тысяч – 3. Стрелка, показывающая сотни, находилась между цифрами соответствующего циферблата 5 и 6. Записываем за цифрой 3 следующую цифру, обозначающую число целых сотен, - 5. Большая стрелка показывала 76 делений. Записываем вслед за предыдущими двумя цифрами цифру 76, показывающую число отдельных оборотов оси прибора. Таким образом, исходная величина на счетчике составила 3576.

Далее в течение 10 минут производилось определение скорости ветра с одновременным включением счетчика прибора и секундомера. Через указанное время счетчик и секундомер были выключены. С помощью указанной выше методики снимаем новые показания прибора, которые составили 6123. время наблюдения в секундах – 10´60 = 600 с. таким образом, за 600 секунд ось прибора сделала 6123 оборота. Для определения количества оборотов за 1 с делим разность показаний счетчика на 600 : (6123 – 3576) : 600 = 2547 : 600 = 4,245 об./с. Если в исследованиях нет необходимости в чрезвычайной точности исследования, что имеет место в большинстве случаев, то найденную величину принимают за скорость движения воздуха в м/с. То есть, скорость движения воздуха в данном примере была равной 4,245 м/с. Если же, появилась необходимость в очень точном исследовании, то переводят по графику или таблице, прилагаемых к прибору, об./с. м/с. Кататермометр. Данный прибор представляет собой особый спиртовый термометр со шкалой 35-38°С или 33-40°С. Поначалу кататермометр был сконструирован для измерения охлаждающего влияния температуры воздуха на тело человека. В дальнейшем было показано, что кататермометр не производит потери тепла с поверхности кожи человека, не учитывает влияния теплового излучения, которое оказывает значительное действие на тепловой обмен организма. В настоящее время применяется практически исключительно для измерения малых скоростей движения воздуха, хотя, пользуясь кататермометром, можно ориентировочно определить, с какими его показаниями при различных условиях производственной деятельности совпадает оптимальное самочувствие людей, и оценить охлаждающую способность метеорологических факторов (температуры и скорости движения воздуха). В зависимости от конструкции кататермометры бывают цилиндрические (кататермометр Хилла) или шаровые (рисунок 21), представляют собой термометр, в котором верхний конец капиллярной трубки имеет расширение, которое частично заполняется спиртом при нагревании. Принцип того и другого кататермометров заключается в том, что скорость снижения температуры приборов зависит кроме температуры воздуха от скорости его движения. При работе с цилиндрическим кататермометром измеряют время снижения температуры с 38 до 35°С, с шаровым – с 38 до 35°С, 39 до 34°С, 40 до 38°С. причем нетрудно заметить, что средне значение указанных температурных перепадов всегда равно 36,5°С, то есть средней температуре человека. Это позволяло при первоначальном назначении приборов в какой-то степени имитировать охлаждающее воздействие воздуха на организм человека («охлаждающая способность воздуха»). В процессе охлаждения с 1 см2 поверхности резервуара кататермометров теряется постоянное количество тепла. Эта величина (катафактор) является константой (постоянной величиной) прибора и обозначается на каждом кататермометре в виде его постоянного фактора, выраженного в мкал/см2. Порядок работы с кататермометрами. Перед измерением кататермометр опускают в воду при температуре 65–80°С и держат, пока спирт заполнит не менее половины расширения капилляра. После этого кататермометр тщательно вытирают, вешают на штатив в точке измерения и по секундомеру устанавливают время охлаждения в указанных выше интервалах температур. Очень важно, чтобы кататермометр в период наблюдения находился в неподвижном состоянии, в противном случае будет имитироваться дополнительное движение воздуха. Измерения в одной точке повторяют несколько раз, отбрасывают первый результат, а из последующих выводят среднее значение величины охлаждения (Н

46. Методы измерения скорости и направления ветра у земли .Для определения направления ветра пользуются флюгарками. Они представляют собой жесткую асимметричную (относительно вертикальной оси) систему из пластин и противовеса, свободно вращающуюся вокруг вертикальной оси. Под воздействием ветра флюгарка устанавливается в плоскости ветра противовесом навстречу ветру (указывая, откуда дует ветер). Формы флюгарки очень разнообразны. Большинство флюгарок имеет две пластины, расположенные под углом друг к другу, что создает устойчивость в воздушном потоке и повышает чувствительность, что очень важно при небольших скоростях ветра. Положение флюгарки передается на указатель при помощи двух оди-наковых сельсинов. Один сельсин является датчиком и соединен с флюгаркой, второй является приемником и находится в пульте управления. Каждый сельсин имеет обмотки из трех секций на корпусе и один на свободно вращающемся якоре. При включении переменного тока взаимодействие магнитных полей обмотки заставляет якорь сельсина-приемника занять точно такое же положение, какое в данный момент занимает якорь сельсина-датчика на флюгарке. Широко применяемые приборы для измерения скорости ветра основаны на принципе преобразования скорости ветра в механическое перемещение чувствительного элемента. Наиболее распространены два вида чувствительных элементов: частичные вертушки и воздушный винт. Частичная вертушка состоит из трех или четырех полых полусфер, прикрепленных к центральной втулке с помощью стержней, радиально рас-положенных в одной плоскости, перпендикулярной оси втулки. Давление, оказываемое ветром на вогнутую поверхность чашки, больше, чем на выпуклую. Сила давления ветра на чашку стремится повернуть всю вертушку вокруг оси по часовой стрелке. Сначала вертушка движется с ускорением, но с увеличением скорости вращения чашек давление ветра на выпуклые стороны возрастает, а на вогнутые убывает.

Анемометр Фусса применяется для измерения средней скорости ветра в диапазоне от 1 до 20 м/с. Приемником воздушного потока является четырехчашечная вертушка, ее ось соединена с механическим счетчиком. Скорость вращения вертушки пропорциональна скорости ветра. Механический счетчик имеет три циферблата, которые позволяют оценить количество оборотов вертушки. Большая стрелка указывает целые деления, а две маленькие отмечают сотни и тысячи. Сбоку на кожухе прибора находится рычажок включения счетчика. Приступая к измерениям, анемометр с включенным счетчиком устанавливается на шесте высотой 2 м. Записывают показания всех стрелок счетчика. Через 20-30 с одновременно включают счетчик и секундомер, и через заданное время (как правило, 2 или 10 минут) выключают счетчик и записывают новые показания. Разделив разность показаний счетчика на время наблюдения, определяют среднее число оборотов вертушки в секунду и по градуированной кривой или таблице, имеющейся в поверочном свидетельстве анемометра, оценивают среднюю скорость ветра. Погрешность анемометра Фусса ± (0,3 + 0,05U), м/с. 

Анемометр ручной индукционный АРИ-49 измеряет скорость ветра в пределах от 2 до 30 м/с. Приемником воздушного потока служит трехчашечная вертушка, соединенная осью с магнитным тахометром. Магнит помещен в металлическом стаканчике, установленном на оси, к нему крепится стрелка прибора и сдерживающая пружина. При вращении вертушки вращается магнит и возникает электромагнитное поле. Под его воздействием стаканчик поворачивается в сторону вращающегося магнита. Чем выше скорость ветра, тем больше угол, на который, преодолевая силу сдерживающей пружины, отклонится стрелка вместе со стаканчиком, а большему углу отклонения соответствует большая скорость ветра. Цена деления шкалы 1 м/с. В течение 1-2 минут следят за колебаниями стрелки, а затем отсчитывают скорость ветра по среднему положению колеблющейся стрелки с точностью до 1 м/с. Погрешность АРИ-49 составляет ± (0,5 + 0,05U), м/с.

. Дистанционная метеорологическая станция (ДМС) М-49 предназначена для дистанционного (до 100 м) измерения скорости и направления ветра, температуры и относительной влажности воздуха. Состоит из блока датчиков скорости и направления ветра, блока датчиков температуры и влажности воздуха, блока указателей и блока питания. В качестве чувствительного элемента датчика скорости ветра используется восьмилопастной воздушный винт, а в качестве преобразователя – тахогенератор переменного тока

Анеморумбометр М63М-1 предназначен для дистанционного измерения направления ветра, средней, мгновенной, максимальной скоростей ветра. Датчик параметров ветра состоит из четырехлопастного винта и свободно ориентирующейся флюгарки. Положение флюгарки и число оборотов винта с помощью электронных преобразователей представляются на выходе. блока датчиков двумя сериями электрических импульсов, поступающих в измерительный пульт. Частота следования импульсов пропорциональна скорости ветра, а фазовый сдвиг между импульсами каждой серии характеризует направление ветра. Максимальная скорость ветра определяется по наибольшему за период между наблюдениями значению силы тока, отмеченному фиксстрелкой, возвращаемой в исходное положение нажатием кнопки сброса. В канале средней скорости ветра осуществляется подсчет числа импульсов, поступающих на вход схемы за 10 мин

–

Анеморумбограф М-64М предназначен для дистанционного измерения и регистрации мгновенной, максимальной и средней скоростей ветра, а также определения его направления. Преобразование параметров ветра в электрические сигналы производится так же, как и в М63М-1, однако здесь еще имеется самописец

. 4.       Методы и приборы для измерения атмосферного давления.

Атмосферное давление Давление, оказываемое атмосферой Земли на все находящиеся в ней предметы, назы-вается атмосферным давлением. Наибольшее давление, обусловленное весом воздуха, испытывает поверхность Земли, а также все тела, находящиеся на ней. Показателем давления служит высота ртутного столбав мм, уравновешиваемого дав-лением воздуха. В системе СГС атмосферное давление измеряется в миллибарах (мбар), 760 ммрт. ст. эквивалентно 1013.25 мб. Основной единицей давления в системе СИ, служит паскаль [Па]; 1 Па = 1 Н/м2. В системе С И давление 1013.25 мбэквивалентно101325 Паили 1013.25 гПа. Репозиторий БНТУ • Барометр ртутный сифонный представляет собой У-образную трубку, наполненную ртутью, с открытым концом в меньшем колене и с запаянным концом в длинном колене. В этом барометре давление измеряется в миллиметрах по разности между высотой ртутного столба в длинном колене и высотой столба в открытом колене. • Барометр ртутный чашечный состоит из вертикальной, наполненной ртутью трубки, верхний конец которой запаян, а нижний опущен в чашечку с ртутью. При увеличении атмосферного давления воздух давит на поверхность ртути в чашечке. Часть ртути входит в трубку и уровень ее повышается. Измерения производятся в миллиметрах ртутного столба. • Барометр-анероид состоит из безвоздушной металлической коробки с упругими волнообразными стенками. Колебания атмосферного давления отражаются на объеме и форме коробки, стенки которой прогибаются или выпрямляются. Эти движения посредством пружины и системы рычажков передаются стрелке, движущейся по циферблату. • Барограф — самопишущий прибор, применяемый для систематических наблюдений за ходом барометрического давления в течение определенного промежутка времени. Главную часть его составляет ряд анероидных коробок. При изменении давления крышки этих коробок перемещаются, что передается по системе рычажков стрелке с пером, укрепленной около вращающегося барабана. На последний надета разграфленная на миллиметры ртутного столба бумажная лента. При увеличении давления перо стрелки поднимается кверху, при снижении давления — опускается книзу. Барометры применяют для измерения давления в открытом пространстве. Жидкостные барометры. Прибор представляет собой закрытую с одного конца U-образную трубку, запаянный конец которой значительно длиннее открытого. Трубку заполняют ртутью; над ее слоем в запаянном конце трубки создается безвоздушное пространство.Столб ртути в запаянном длинном конце имеет такую высоту, при которой вес этого столба уравновешивается весом столба атмосферного воздуха. Между обоими коленами трубки установлена подвижная миллиметровая шкала; при ее помощи можно измерить разность высот в обоих коленах. Эта разность равна давлению воздуха, выраженному в миллиметрах ртутного столба. При точных барометрических измерениях одновременно следует определять и температуру окружающего пространства. Это необходимо делать потому, что с изменением температуры изменяется плотность ртути вследствие теплового расширения и изменения давления паров ее в закрытом конце трубки. Поэтому полученные барометрические значения требуют уточнения и исправления в соответствии со специальными таблицами поправок-к барометру.Существуют и более сложные формы жидкостных ртутных барометров.Металлические барометры различают двух основных конструкций: коробчатые и трубчатые. У коробчатых барометров (рис. 291) давление воздуха действует на волнистую, очень эластичную крышку пустой металлической эвакуированной коробки.У трубчатых барометров (рис. 292) давление воздуха действует на плоскую согнутую пустую внутри металлическую трубку — наружная поверхность ее больше, чем внутренняя. Небольшие колебания давления воздуха при помощи системы рычагов увеличиваются и указываются на шкале.Самопишущие барометры, так называемые барографы (рис. 293), снабжены рычагом, который давит па писец, касающийся ленты диаграммы — давление— время, укрепленной на барабане. Барабан приводится в движение часовым механизмом, завод которого может быть суточным или недельным.  mетоды измерения давления Широкое использование давления, его перепада и разрежения в технологических процессах вызывает необходимость применять разнообразные методы и средства измерения и контроля давления.Методы измерения давления основаны на сравнении сил измеряемого давления с силами: давления столба жидкости (ртути, воды) соответствующей высоты; развиваемыми при деформации упругих элементов (пружин, мембран, манометрических коробок, сильфонов и манометрических трубок); тяжести грузов; упругими силами, возникающими при деформации некоторых материалов и вызывающими электрические эффекты.Классификация приборов измерения давления Классификация по принципу действия В соответствии с указанными методами, приборы измерения давления можно разделить, по принципу действия на: жидкостные; деформационные; грузопоршневые; электрические. Наибольшее распространение в промышленности получили деформационные средства измерения. Остальные, в большинстве своем, нашли применение в лабораторных условиях в качестве образцовых или исследовательских. Классификация в зависимости от измеряемой величины В зависимости от измеряемой величины средства измерения давления подразделяются на: манометры – для измерения избыточного давления (давления выше атмосферного); микроманометры (напоромеры) – для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа); барометры – для измерения атмосферного давления; микровакуумметры (тягомеры) – для измерения малых разряжений (до -40 кПа); вакуумметры – для измерения вакуумметрического давления; мановакуумметры – для измерения избыточного и вакуумметрического давления; напоротягомеры – для измерения избыточного (до 40 кПа) и вакуумметрического давления (до -40 кПа); манометры абсолютного давления – для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля; дифференциальные манометры – для измерения разности (перепада) давлений. Жидкостные средства измерения давления Действие жидкостных средств измерений основано на гидростатическом принципе, при котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба затворной (рабочей) жидкости. Разница уровней в зависимости от плотности жидкости является мерой давления. U-образный манометр– это простейший прибор для измерения давления или разности давлений. Представляет собой согнутую стеклянную трубку, заполненную рабочей жидкостью (ртутью или водой) и прикрепленную к панели со шкалой. Один конец трубки соединяется с атмосферой, а другой подключается к объекту, где измеряется давление. Верхний предел измерения двухтрубных манометров составляет 1…10кПа при приведенной погрешности измерения 0,2…2%. Точность измерения давления этим средством будет определяться точностью отсчета величины h(величины разности уровня жидкости), точностью определения плотности рабочей жидкости ρ и не зависеть от сечения трубки. Жидкостные средства измерения давления характерны отсутствием дистанционной передачи показаний, небольшими пределами измерений и низкой прочностью. В то же время благодаря своей простоте, дешевизне и относительно высокой точности измерений они широко распространены в лабораториях и реже в промышленности. Деформационные средства измерения давления Основаны на уравновешивании силы, создаваемой давлением или вакуумом контролируемой среды на чувствительный элемент, силами упругих деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений передается регистрирующему устройству (показывающему или самопишущему) или преобразуется в электрический (пневматический) сигнал для дистанционной передачи. В качестве чувствительных элементов используют одновитковые трубчатые пружины, многовитковые трубчатые пружины, упругие мембраны, сильфонные и пружинно-сильфонные. Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин применяются бронза, латунь, хромоникелевые сплавы, отличающиеся достаточно высокой упругостью, антикоррозийностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры. Мембранные приборыприменяются для измерения небольших давлений (до 40кПа) нейтральных газовых средств. Сильфонные приборыпредназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления неагрессивных газов с пределами измерений до 40кПа, до 400кПа (как манометры), до 100кПа (как вакуумметры), в интервале -100…+300кПа (как мановакуумметрические). Трубчато-пружинные приборыпринадлежат к числу наиболее распространенных манометров, вакуумметров и мановакуумметров. Трубчатая пружина представляет собой тонкостенную, согнутую по дуге окружности, трубку (одно- или многовитковую) с запаенным одним концом, которая изготавливается из медных сплавов или нержавеющей стали. При увеличении или уменьшении давления внутри трубки пружина раскручивается или скручивается на определенный угол. Манометры рассмотренного типа выпускаются для верхних пределов измерения 60…160кПа. Вакуумметры выпускаются со шкалой 0…100кПа. Мановакуумметры имеют пределы измерений: от -100кПа до +(60кПа…2,4МПа). Класс точности для рабочих манометров 0,6…4, для образцовых – 0,16; 0,25; 0,4. Грузопоршневые манометры применяются как устройства для поверки механических контрольных и образцовых манометров среднего и высокого давления. Давление в них определяется по калиброванным грузам, помещаемым на поршне. В качестве рабочей жидкости применяют керосин, трансформаторное или касторовое масло. Класс точности грузопоршневых манометров 0,05 и 0,02%. Электрические манометры и вакуумметры Действие приборов этой группы основано на свойстве некоторых материалов изменять свои электрические параметры под действием давления. Пьезоэлектрические манометрыприменяют при измерении пульсирующего с высоко частотой давления в механизмах с допустимой нагрузкой на чувствительный элемент до 8·103 ГПа. Чувствительным элементом в пьезоэлектрических манометрах, преобразующим механические напряжения в колебания электрического тока, являются пластины цилиндрической или прямоугольной формы толщиной в несколько миллиметров из кварца, титаната бария или керамики типа ЦТС (цирконат-титонат свинца).Тензометрические манометрыимеют малые габаритные размеры, простое устройство, высокую точность и надежность в работе. Верхний предел показаний 0,1…40Мпа, класс точности 0,6; 1 и 1,5. Применяются в сложных производственных условиях. В качестве чувствительного элемента в тензометрических манометрах применяются тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении сопротивления под действием деформации. Давление в манометре измеряется схемой неуравновешенного моста. В результате деформации мембраны с сапфировой пластинкой и тензорезисторами возникает разбаланс моста в виде напряжения, которое с помощью усилителя преобразуется в выходной сигнал, пропорциональный измеряемому давлению.Дифференциальные манометры Применяются для измерения разности (перепада) давления жидкостей и газов. Они могут быть использованы для измерения расхода газов и жидкостей, уровня жидкости, а также для измерения малых избыточных и вакуумметрических давлений.