9. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВЕТРА

9.1. Элементы ветра

Ветром называют горизонтальное перемещение воздуха относительно земной поверхности. Под скоростью ветра понимают горизонтальную составляющую скорости воздушных потоков. На метеорологических станциях измеряются скорость и направление ветра, а также дается характеристика ветра.

Скорость ветра измеряется в метрах в секунду (м/с), изредка в километрах в час (км/ч).

Направлением ветра принято считать то направление, откуда ветер дует. Направление ветра измеряют в угловых градусах или румбах.

Скорость и направление ветра меняются непрерывно. Характер изменчивости скорости и направления ветра зависит от метеорологических условий и характера местности. Мгновенные зна-

чения скорости и направления являются неустойчивыми характеристиками ветра. Их значения непрерывно меняются около средних значений, устойчивых в течение достаточно большого отрезка времени, поэтому, несмотря на большой диапазон изменения значений скорости и направления ветра, осредненные их значения за некоторый достаточно большой интервал времени являются устойчивыми характеристиками.

Скорость ветра принято осреднять в десятиминутном интервале времени (иногда в двухминутном). Для направления ветра достаточен интервал осреднения, равный 2 мин (1-3 мин). Изменчивость скорости и направления ветра во времени (порывистость ветра) характеризуют качественно. Порывистость ветра характеризуется также максимальными значениями мгновенной скорости. Мгновенной скоростью принято считать скорость, осредненную самим прибором (интервал осреднения 2-5 с).

Скорость и направление ветра в приземном слое на метеорологических станциях измеряют на высоте 10-12 м от поверхности земли.

В метеорологии пользуются преимущественно обозначением направления ветра в румбах, причем принято направление ветра отмечать по шестнадцати румбам. Для обозначения румбов используются начальные буквы названий стран света: север (Nord), юг (Sud), восток (Est) и запад (West). При обозначении промежуточных румбов называют оба румба, между которыми находится данное направление ветра, причем первым по порядку называют основной румб. Основных румбов два: север (Nord) и юг (Sud). Таким образом, если направление ветра

126

приходится между югом (Sud) и западом (West), то такой ветер обозначается ЮЗ (SW) и называется юго-западным (Sud-West).

Если направление ветра приходится посредине между ЮЗ (SW) и Ю (S), то такой промежуточный ветер обозначают ЮЮЗ (SSW), т. е. называют в первую очередь основной румб Ю (S), далее румб производный ЮЗ (SW). В табл. 9.1 и на рис. 9.1 приводятся расположение и наименования всех 16 румбов.

Каждый из перечисленных румбов отстоит от соседних на

360/16 = 22,5°.

В некоторых случаях указывают направление ветра в градусах, считая за 0° север и ведя счет через восток 90°, юг 180°, запад 270°.

9.2. Приборы для измерения элементов ветра

Флюгарка чаще всего используется для определения направления ветра. В упрощенном виде флюгарка представляет собой жесткую несимметричную (относительно вертикальной оси) систему из пластины и противовеса, свободно вращающуюся вокруг вертикальной оси. Под воздействием ветра флюгарка устанавливается в плоскость ветра противовесом навстречу ветру.

Большое распространение имеет двухлопастная флюгарка 1 клиновидной формы (рис. 9.2, а). Под влиянием ветра такая флюгарка располагается по направлению ветра, причем уравновешивающий груз 2 (противовес) будет направлен в ту сторону, откуда дует ветер.

127

Чтобы флюгарка меньше колебалась при изменении направления ветра, хвостовая плоскость сделана не из одной пластины, а из двух, расположенных под углом около 20° друг к другу (см. рис. 9.2, а). Такое устройство делает флюгарку более чувствительной к перемене направления ветра и уменьшает ее колебания при изменении ветра.

На рис. 9.2 показаны также некоторые другие встречающиеся конструкции флюгарок. Приведенные формы не исчерпывают возможных конструкций флюгарок.

Рис. 9.2. Флюгарки

Ветровой конус также служит для определения направления ветра

(рис. 9.3).

Матерчатый усеченный конус (без оснований) широкой своей частью натянут на металлический круг, который скреплен с металлической трубкой, свободно вращающейся вокруг вертикальной оси.

128

Под действием ветра конус располагается так, что широкая его часть всегда обращена навстречу ветру и конус надувается.

Такой конус, если он достаточно больших размеров, виден издалека и поэтому часто используется на небольших аэродромах, для того чтобы летчики сами при посадке могли определить, направление ветра у поверхности земли на аэродроме.

Такие конусы делаются из полосатой ткани, что заметно выделяет их на любом фоне.

Флюгер Вильда устроен следующим образом. На железный стержень (см. рис. 9.4) с закаленным концом надевается трубка 7 с флюгаркой 8. Внизу под флюгаркой на том же стержне закреплена муфта 9 с восемью штифтами направлений стран света. Один из штифтов снабжен буквой С (или N). По положению противовеса 1, уравновешивающего

хвост флюгарки, определяют, поль-

жение отклоненной доски отсчитывается по дуге 5 с восемью штифтами. Штифтам, начиная от вертикального, соответствующего вертикальному положению доски, присвоены номера от 0 до 7. Нулевой и четный штифты длиннее нечетных. Дуга 5 со штифтами уравновешивается грузом 4.

Под влиянием ветра противовес 1 устанавливается навстречу ему, а доска 6 перпендикулярно ветру. Под действием ветра доска 2 отклоняется под тем или иным углом согласно формуле (8.3).

Для определения скорости ветра в метрах в секунду по положению доски относительно штифтов имеется таблица (табл. 9.1). Флюгер с легкой доской массой 200 г обеспечивает измерение скорости ветра только до 20 м/с. Для измерения скоростей до 40 м/с нужно пользоваться флюгером с тяжелой доской массой 800 г.

При постоянном угле отклонения доски скорость ветра v прямо пропорциональна корню квадратному из величины массы доски q. Масса тяжелой доски в четыре раза больше массы легкой доски, поэтому ветер, отклоняющий тяжелую доску на тот же угол , имеет в 2 раза большую скорость, чем ветер, отклоняющий на такой же угол легкую доску. В соответствии с этим в табл. 9.1 даны значения скоростей ветра при 15 различных положениях легкой и тяжелой досок относительно штифтов.

Таблица 9.1

Скорости ветра (м/с), определяемые по положению легкой (200 г) и тяжелой (800 г) досок флюгера

Установка флюгера. Для правильного определения направления и скорости ветра место установки флюгера должно быть таким, чтобы ветер имел к нему свободный доступ и доходил до него без искажений.

130

На метеорологических станциях флюгеры обычно устанавливают на открытом месте, на деревянной или металлической мачте на высоте 10-12 м над почвой.

Если соседние здания закрывают флюгер от ветра, то можно поставить его на крыше здания, но при этом необходимо, чтобы флюгер возвышался над крышей здания не меньше, чем на 4 м.

При установке флюгера вблизи каких-либо высоких предметов (деревья, здания и тому подобное) следует иметь в виду, что искажения, вносимые этими предметами в воздушный поток, могут сказываться на большом расстоянии. Поэтому мачту флюгера относят от высоких предметов на расстояние не меньше 20-кратного превышения этих предметов относительно мачты флюгера.

Ориентировка флюгера. Установленный флюгер следует правильно ориентировать по сторонам света, для чего штифт с буквой С (или N) необходимо установить точно на астрономический север.

Ориентировку флюгера производят по полуденной линии или с помощью компаса.

Ориентировка флюгера по полуденной линии. Полуденная линия устанавливается по тени оси флюгера в истинный полдень и отмечается несколькими колышками. Затем ориентировку флюгера проводят вдвоем. Один становится на меридиане, т.е. имеет перед собой на одной линии колышки, фиксирующие полуденную линию, и ось флюгера, а второй поднимается к флюгеру. Открутив на несколько оборотов штифт с буквой С (рис. 9.4), он освобождает муфту 9 так, чтобы она могла свободно вращаться на оси флюгера и по указанию наблюдателя, находящегося внизу, поворачивает муфту 9 со штифтами до тех пор, пока штифт с буквой С, направленный на север, не совпадает с плоскостью меридиана. В этом положении, не сдвигая муфты 9, завинчивают штифт с буквой С и тем самым закрепляют муфту.

При правильном положении штифта с буквой С, когда штифт направлен на север, наблюдатель, стоящий внизу на полуденной линии, должен видеть, что ось буквы С совпадает с осью флюгера.

Ориентировка флюгера по компасу. Для ориентировки флюгера по компасу необходимо знать величину магнитного склонения в районе данной метеорологической станции и учитывать ее при ориентировке. При ориентировке флюгера наблюдатель, взяв компас, становится с южной стороны столба флюгера на расстоянии, равном примерно двойной высоте столба. Далее, перемещаясь по окружности, центром которой является столб флюгера, он находит положение, при котором линия, проходящая через ось вращения стрелки компаса, и столб флюгера будут составлять с магнитной стрелкой угол, равный углу склонения 6. Это направление и явится направлением истинного меридиана данного

131

места, которое следует отметить колышками. Дальнейшую ориентировку флюгера производят совершенно так же, как при ориентировке по полуденной линии.

Периодически ориентировку флюгера следует проверять по полуденной линии или по компасу.

Измерение направления и скорости ветра по флюгеру. При определе-

нии направления ветра по флюгеру наблюдатель должен стать около столба под указателем направления ветра и в продолжение 2 минут наблюдать за положением указателя 1 у флюгарки. Флюгарка обычно совершает некоторые колебания. Наблюдателю следует в книжке отметить среднее положение, которое занимал указатель за время наблюдений.

Для определения скорости ветра наблюдатель должен несколько отойти от столба флюгера и стать в направлении, перпендикулярном к положению флюгарки, чтобы лучше отсчитать по штифтам положение доски.

Если бы скорость потока воздуха менялась плавно, то флюгер указывал бы скорость ветра в данный момент. Однако в действительности скорость воздушного потока меняется порывами, что вызывает отклонения доски, не соответствующие действительному давлению ветра в момент производства наблюдений. При измерениях надо в течение 2 минут наблюдать за качаниями доски и отметить ее среднее положение за этот промежуток времени.

Записи измерения направления и скорости ветра можно произвести, например, в следующем виде: «Флюгер ЮЮВ 4-5л (9)». Эта запись обозначает, что наблюдалось юго-юго-восточное направление ветра, доска колебалась между штифтами 4 и 5 и скорость ветра, переведенная по таблице для легкой доски, равна 9 м/с.

Кроме записи направления и скорости ветра, измеренных по флюгеру, следует отмечать и характер ветра (например, ровный ветер, порывистый ветер, меняющий свое направление и т. п.).

Ровным называется ветер, если его скорость в течение времени наблюдений остается более или менее постоянной, доска колеблется около одного штифта или ее колебания ограничены соседними штифтами.

Ветер называется порывистым, если его скорость резко меняется — быстро возрастает и также быстро падает.

Постоянным направление ветра считается в том случае, когда за время наблюдений флюгарка удерживается в пределах одного румба.

Меняющимся направление ветра считается в том случае, если за время наблюдений направление менялось больше чем на один румб.

132

леньких шкал соответствуют оборотам большой стрелки: одна десяти, другая ста. Сбоку у кожуха анемометра выступает подвижной рычаг арретира с колечком 7, при помощи которого можно включить или выключить счетчик. Для удобства переключения арретира (когда до анемометра трудно достать непосредственно рукой) вверху и внизу рычага 7 укреплены два неподвижных кольца 10 и 6, через которые пропускают концы шнура рычага 7. Если потянуть шнур за конец, пропущенный через нижнее кольцо 10, счетчик анемометра включается, а если потянуть за верхний конец, пропущенный через кольцо 6, он выключается.

Чашки анемометра защищены от механических повреждений проволочной крестовиной. В нижней части прибора имеется винт 11 с нарезкой для ввинчивания его в дерево. Прибор хранится в футляре.

При измерении скорости ветра анемометр ввинчивают в деревянный шест длиной около 2 м. (В крайнем случае наблюдения можно производить, держа прибор вертикально в вытянутой руке.) Необходимо следить за тем, чтобы анемометр стоял вертикально, так как при наклонном положении анемометра результаты измерений получаются заниженными.

При измерениях следует устанавливать анемометр так, чтобы шкала была обращена к наблюдателю, а плоскость циферблата расположена параллельно направлению ветра, так как в таком положении производится градуировка и поверка анемометра.

Перед началом измерений записывают показания всех стрелок. Устанавливают вертикально шест с анемометром, выставляя его под действие ветра, и дают анемометру свободно вращаться в течение 1-2 мин. Затем включают счетчик и одновременно пускают в ход секундомер или замечают показание секундной стрелки часов. Для определения скорости ветра обыкновенно дают вращаться анемометру 10 мин, после чего выключают счетчик и секундомер и снова записывают показания счетчика. Разность показаний счетчика до и после наблюдений дает число делений, на которое переместилась стрелка счетчика за 10 мин. Разделив полученное число на 600 с (или на другое число секунд, в течение которых производилось измерение), определяют, на сколько делений счетчика анемометра перемещалась в среднем стрелка в одну секунду. Значение величины скорости ветра по числу оборотов в секунду находят с помощью поверочного свидетельства анемометра, в котором дается перевод показаний счетчика данного анемометра в скорость ветра в метрах в секунду.

При тщательном обращении с прибором и строгом выполнении методики ручной анемометр обеспечивает надежные результаты измерений скорости ветра.

134

Трение в подшипниках осей вертушки и шестерен счетчика анемометра со временем меняется (а это влияет на скорость вращения чашек), поэтому рекомендуется через каждые 100 ч работы с анемометром подвергать его повторной поверке.

Анемометр ручной индукционный (АРИ-49) предназначен для измерения скорости ветра от 2 до 30 м/с и позволяет производить измерения непосредственно в единицах скорости. Он представляет собой сочетание трехчашечного анемометра с магнитным тахометром (чувствительным элементом является трехчашечная вертушка, преобразователем магнитный тахометр).

Схематически тахометр (преобразователь анемометра) изображен на рис. 9.6. На ось 1 насажены постоянный магнит 4, имеющий несколько (явно или неявно выраженных) полюсов, и стакан 2, служащий магнитопроводом; на этой же оси 1 насажена вертушка (на рисунке отсутствующая). На другой оси 5 (соосной с осью 1) посажены стаканчик 3, спиральная моментная пружина 5 и стрелка 7. Конец пружины закреплен.

Стаканчик 3 изготовлен из немагнитного материала. При вращении оси 1 (и вместе с ней магнита 4 и магнитопровода 2 на стенках стаканчика 3, находящегося в зазоре между магнитом 4 и магнитопроводом 2, индуцируется ток.

Взаимодействия электромагнитного поля (индуцируемого тока) и магнитного поля постоянного магнита создает приложенный к стаканчику момента

где п скорость вращения магнита, об/с; а коэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных особенностей тахометра (линейных размеров магнита, магнитопровода, стаканчика, зазора, формы, размеров и числа полюсов магнита, степени его намагниченности и т. д.); для данного тахометра а является постоянной величиной.

Анемометр (см. рис. 9.6) собран в составном корпусе, в верхней части которого на двух подшипниках 4 и 5 установлена ось 3. На верхнем

135

конце оси 3 с помощью втулки 2 укреплена трехчашечная вертушка 1, а на нижнем конце магнитная система, состоящая из постоянного магнита, магнитопровода 8 и термокомпенсатора 6. В нижней части корпуса анемометра на плате 9 собрана вторая часть магнитного тахометра. На оси 13 насажены металлический стаканчик (из немагнитного металла), спиральная моментная пружина 14 и стрелка 12. Конец спиральной пружины закреплен в колодке. В нижней части корпуса имеется остеклованное окно, через которое видны шкала скорости ветра 10 с делениями в м/с и конец стрелки 12.

Для измерений анемометр может устанавливаться с помощью переходной втулки, навинчиваемой на хвостовик 15 на невысокой мачте (шесте). Измерения можно производить также держа анемометр в вертикальном положении в руке за рукоятку 16, которая навинчивается на хвостовик 15.

На боковой поверхности корпуса имеются два штыря, на которые анемометр устойчиво опирается, когда его кладут (например, на стол).

Для переноски анемометра имеется специальный футляр. Измерение скорости ветра с помощью анемометра АРИ-49 производится в соответствии с общими правилами работы с ручными анемометрами. Анемометр устанавливается на мачте высотой 170-200 см или его держат в руке, подняв над головой так, чтобы он свободно обдувался ветром. Наблюдатель должен держать анемометр повернутым шкалой к себе. Отсчет следует делать не ранее чем после 10-секундной выдержки в потоке, когда скорость вертушки установится в соответствии со скоростью ветра. Анемометр благодаря инерционности его подвижной системы несколько осредняет результаты измерений (интервал осреднения 5-6 с). При измерении скорости ветра малой порывистости достаточно произвести один отсчет. При порывистом ветре необходимо сделать несколько отсчетов (4-6) с интервалом около 10 с и сосчитать среднее их значение. Если в поверочном свидетельстве имеются поправки к показаниям анемометра, их следует внести.

Анемометр следует подвергать поверке не реже одного раза в год.

Нормальная эксплуатация некоторых объектов и сооружений, например подъемных кранов различных конструкций, возможна только до определенных значений скорости ветра. Работа объектов при скоростях ветра, превышающих эти максимальные значения в продолжение определенного отрезка времени, может привести к авариям (кратковременные порывы даже значительной скорости могут оказаться безопасными).

Анемометр сигнальный М-95 предназначен для измерения скорости ветра и автоматической сигнализации о возникновении порывов ветра, опасных по величине и продолжительности. При опасной ситуа-

136

ции анемометр автоматически включает аварийно-защитные устройства объекта.

Анемометр состоит из датчика скорости ветра и пульта (рис. 9.7). Датчик устанавливается на мачте или кронштейне вблизи объекта или непосредственно на объекте, пультв помещении, в кабине крана и т. п. Датчик и

Рис. 9.7. Сигнальный анемометр пульт с помощью штеп-

сельных разъемов соединяются между собой двужильным экранированным кабелем.

Чувствительным элементом датчика является трехчашечная вертушка, а преобразователем тахогенератор, аналогичный применяемому в анеморумбометре М-47. Чашки вертушки могут изготовляться как

обычной конической формы, так и в виде открытых полуцилиндров. Вертушка с полуцилиндрами имеет несколько худшие аэродинамические характеристики, но зато она значительно меньше подвержена воздействию мокрого снега, что при использовании анемометров в ряде районов имеет первостепенное значение.

Анеморумбометр М-63 дистанционный прибор (рис. 9.8). Он служит для измерения скорости ветра, осредненной за 10-минутный интервал, максимальной мгновенной скорости ветра между сроками наблюдений и направления ветра.

Принцип действия анеморумбометра основан на преобразовании направления и скорости ветра в электрические величины. В комплект прибора входит датчик 1, измерительный пульт 2 и блок питания 3. Датчик состоит из обтекаемого корпуса, вращающегося вокруг вертикальной неподвижной стойки. В конце корпуса находится флюгарка 5, а в начале четырехлопастной винт 4 с горизонтальной плоско-

137 Рис. 9.8. Анеморумбометр