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. При некоторой скорости
вращения чашек наступает равновесие,
а скорость вращения становится постоянной.
Установлено, что при этой скорости
вращения линейная скорость движения
центра чашек примерно в три раза меньше
скорости ветра U, т.е. V
= U/3 .
Так как V
= 2 π r n,
где r – радиус вращения центра чашки, n
– число оборотов в секунду, то n
= U/6 π r .
Таким образом, скорость ветра преобразуется
в частоту вращения или в угловую скорость
вращения вертушки (ω
= 2 π r ).
Чашечная вертушка не требует ориентации
относительно направления ветра. В
качестве первичного преобразователя
скорости ветра также используется
воздушный винт с тремя и большим числом
лопастей различной формы и размеров.
Воздушный винт требует ориентации по
направлению ветра, чтобы ось его вращения
совпадала с направлением ветра (плоскость
вра- щения винта была бы перпендикулярна
направлению ветра). Поэтому винт применяют
в сочетании с флюгаркой. Под воздействием
воздушного потока, набегающего на винт,
он на- чинает вращаться и достигает
некоторой угловой скорости ω . Зависимость
угловой скорости вращения винта от
скорости ветра имеет вид:
,где
φ – угол разворота участка лопасти на
расстояние r от центра.
Воздушные
винты имеют широкое применение при
измерении больших скоростей ветра,
особенно в районах с частыми случаями
гололедообразования. Чашечные вертушки
чаще всего используют для измерения
малых скоростей ветра.
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. Анемометр
и флюгер фирмы Vaisala являются
ветроизмерительными модулями в
комплексной радиотехнической аэродромной
метеостанции Вайсала-KPAMС-4 (совместная
российско-финская разработка). Анемометр
WAA151
малоинерционный прибор для дистанционного
измерения скорости ветра у земли.
Вертушка имеет три очень легких конических
чашки, которые обеспечивают диапазон
измерения скорости ветра от 0,4 до 75 м/с.
В качестве чувствительного элемента
используется оптикоэлектронный датчик.
Вращаемый ветром диск, подсоединенный
к валу вертушки, прерывает луч инфракрасного
света, генерируя выходные импульсы от
фототранзистора. Частота выходного
импульса прямо пропорциональна скорости
ветра (например, 246 Гц = 24,6 м/с). Нагревательный
элемент в отверстии вала предохраняет
подшипники от замерзания при отрицательных
температурах. Погрешность измерения
скорости ветра составляет не более ±
0,5 м/с. Порог чувствительности < 0,5 м/с.
Флюгер
WAF151
–
оптикоэлектронный
флюгер с малым порогом чувствительности.
Инфракрасные диоды и фототранзисторы
смонтированы на шести орбитах 6-битового
диска. При обороте флюгера диск меняет
ход, принимаемый фотодиодами. Элемент
обогрева во втулке вала предохраняет
подшипники от намерзания изморози в
холодном климате. Диапазон измерения
направления ветра от 0 до 360° при скорости
ветра от 0,4 до 75 м/с. Точность измерения
< ± 3°. Пороговая чувствительность 0,4
м/с. WAA151 и WAF151 устанавливаются на
кронштейне датчиков ветра типа WAC15,
выполненного из анодированного алюминия
со скобой на макушке мачты. На кронштейне
устанавливается водонепроницаемая
распределительная коробка для подключения
линии питания. Внутри коробки имеется
термостативный переключатель для
включения подогрева при низких
температурах. Расстояние между датчиками
на кронштейне 80 см. Анемометр WAA151 и
флюгер WAF151 устанавливают на трубчатых
сборных мачтах, крепящихся друг к другу
самонарезающимися болтами. 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.
Чувствительным элементом датчика
направления служит флюгарка,
преобразователем – бесконтактный
сельсин.
Под
действием воздушного потока винт
начинает вращаться, и через ось, на
которую он посажен, и систему конических
шестерен это вращение передается на
постоянный магнит тахогенератора.
Напряжение от генератора поступает на
измерительный пульт, шкала которого
проградуирована в м/с. Скорость ветра
определяется по формуле: U
= k N tg α ,
где k – коэффициент передачи винта; N –
количество оборотов винта; α – угол
атаки винта. При оценке направления
ветра положение флюгарки передается
на измерительный пульт при помощи двух
одинаковых сельсинов. В качестве
чувствительного элемента датчика
температуры используется термометр
сопротивления, размещенный в одном
блоке с датчиком влажности.
Для
измерения относительной влажности в
М-49 применяется гигрометр из животной
пленки в виде мембраны. Ее вершина через
рычажную передачу и зубчатую пару
механически соединяется с ротором
сельсина-датчика (аналогичного
сельсину-датчику направления ветра).
При изменении высоты пленочной мембраны
происходит одновременный поворот на
соответствующий угол якоря сельсина-датчика
и якоря сельсина-приемника. ДМС позволяет
измерить метеорологические параметры
с погреш- ностью:
– скорость ветра ± (0,5 + 0,05U), м/с;
– направление ветра ± 10°;
– температурд. воздуха ± 1°;
– относительная влажность ± 7%.
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 Результат измерений считывается по шкале электромеханического счетчика. Анеморумбометр М63М-1 имеет следующие диапазоны и погрешность измерений параметров ветра:
– средней скорости (за 10 минут от 1 до 40 м/с с погрешностью ± (0,5 + 0,05U), м/с;
– мгновенной от 1,5 до 60 м/с с погрешностью ± (1,0 + 0,05U), м/с;
– максимальной от 3 до 60 м/с с погрешностью ± (1,0 + 0,07U), м/с;
– направления ветра в пределах 0-360° с погрешностью ± 10°.
Модификация анеморумбометра М63М-1 с выходом на компьютер позволяет обеспечить выдачу результатов измерений характеристик ветра в виде таблиц, графиков, розы ветров, создание электронных метеоотчетов за любой промежуток времени. Программная система позволяет подключить к одному компьютеру до 8 комплектов М63М-1. Предельное удаление пульта М63М-1 от компьютера не более 1200 м. Анеморумбометр М127МП предназначен для дистанционного измерения скорости и направления ветра, обработки и отображения полученных данных, их передачи по каналу связи. Датчик анеморумбометра М127МП создан на основе серийного датчика М63, в котором для обработки информации применен узел электроники со встроенным микропроцессором. К одному дистанционному пульту может быть подключено два датчика ветра, удаленных на расстояние до 10 км. На индикацию выводятся средние скользящие значения скорости и направления ветра за 2 и 10 минут, а также максимальные скользящие значения характеристик ветра за тот же период. Диапазон измерения:
- по скорости ветра от 1 до 60 м/с;
- по направлению от 0 до 360о.
Основные погрешности измерения:
- мгновенной и средней скорости ветра ±(0,3+0,04 U), м/с;
- максимальной скорости ±(1,0+0,05 U), м/с;
- направления ветра ±6о.
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. Анеморумбограф М-64М измеряет и регистрирует параметры ветра со следующими погрешностями:
– среднюю скорость (за 2 и 10 мин) в пределах 1-40 м/с с погрешностью ± (0,5 + 0,05U), м/с;
– мгновенную, осредненную за 3 с, в диапазоне 1-60 м/с с погреш-ностью ± (0,5 + 0,05U), м/с;
– максимальную (за 10 мин) в пределах 1,5-60 м/с, с погрешностью ± (0,5 + 0.07U), м/с;
– направление ветра в пределах 0-360° с погрешностью ± 10о.