Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

Далее найдем значение выпрямленного и сглаженного тока I. Мысленно заменим жирную линию на рис. 3.6 прямой. Тогда величина тока, осредненная за один полупериод, может быть найдена:

Эта формула дает нам возможность написать выражение для чувствительности индукционногоанемометра (S):

Полученноевыражениепозволяетпредложитьдостаточномногоспособов увеличения чувствительности. Перечислим их и оценим целесообразность применения.

1.Увеличение количества катушек K. Это неизбежно приведёт к увеличению размеров анемометра, что не всегда желательно.

2.Увеличение числа витков N. Нежелательно по тем же причинам. Можно, впрочем, применить болеетонкий проводдляобмоток, но в этом случае возрастет сопротивление катушки, что повлечёт увеличение общего сопротивления r , а значит, уменьшение чувствительности.

3.Увеличение площади витка s. Это также приведёт к увеличению размера прибора.

4.Увеличениемагнитнойпроницаемости сердечника катушки.Это наиболее многообещающий путь. Известны материалы (феррит, пермаллой)соченьвысокимизначениямимагнитнойпроницаемости. Например, некоторые сорта ферритов имеют = 700, а магнитная проницае-

111

мость такого материала, как пермаллой может иметь порядок 103. Соответственно, во столько же раз по сравнению с воздушным сердечником возрастает чувствительность анемометра.

5.Увеличениенамагниченностипостоянногомагнита Нmax.Этот путь также применяется, хотя сильный магнит имеет недостаток: он быстрее размагничивается,чтотребует частой поверки икорректировкипоказаний прибора.

6.Уменьшениесопротивления всей цепи r . Теоретически этот путь возможен, практически он не применяется, так как это приводит к появлению погрешности (см. ниже).

7.Уменьшение радиуса плеча вертушки R. Этот вариант уже обсуждался (раздел 3.1).

Погрешности индукционного анемометра. Перечислим основные погрешности:

1.Температурная погрешность. Разумеется, датчик анемометра вместе с генератором тока должен быть расположен вне помещения, например, на мачте. Соответственно, катушки генератора будет иметь температуру окружающего воздуха, а она может колебаться в широких пре-

делах. Соответственно, будет колебаться и сопротивление катушек Rk, что может отразиться на сопротивлении всей цепи r . Это вызовет (формула (3.22)) изменение тока I, а значит, приведёт к погрешности измерений.

Дляликвидацииэтойпогрешностивоспользуемсяужеизвестнымпринципом «мухи и слона». Значение сопротивления R (рис. 3.5) выберем

большим, так чтобы соблюдалось неравенство: R >> Rk. Тогда общее сопротивление r будет:

где Rkb - сопротивление кабеля; Ri- внутреннее сопротивление измерительного прибора. Как правило, Rkb << Ri.

Мы видим, чтопоследнеевыражениевформуле(3.24)уженезависит от сопротивления катушек, следовательно, его изменения теперь не сказываются на общем сопротивлении цепи, а значит, температурная погрешность исчезает.

Изформулы (3.23)видно,чтоприувеличениисопротивленияцепи неизбежно уменьшается чувствительность прибора. Но мы уж знаем, что дилемма «чувствительность или погрешность?»решаетсявсегда в пользу уменьшенияпогрешности.

112

Уменьшение чувствительности следует воспринимать как цену уменьшенияпогрешности.

2. Размагничивание постоянного магнита (уменьшение Нmax). В ус-

ловиях неизбежной тряски при работе анемометра, а также из-за колебания температуры постоянный магнит со временем уменьшает свою намагниченность. Соответственно, уменьшается значение тока I. Для коррекции этой погрешности анемометр периодически сравнивают с образцовым прибором (этуоперациюрекомендуетсяпроводить влабораторных условиях в аэродинамической трубе). В случае обнаружения ошибки в показаниях анемометра достаточно несколько изменить значение сопротивления R, для этого оно сделано переменным. Значение тока изменится согласнозаконуОма, и показанияанемометра приводятсяв полное соответствие с образцовым прибором.

Анемометр АРИ-49 также носит название индукционного (анемометр ручной индукционный). Однако он не является дистанционным прибором. При измерениях егонеобходимо держать в руке. Это довольно грубый прибор, его возможная погрешность составляет V), где V - скорость ветра. Пороговая скорость анемометра АРИ-49 составляет 1 – 1,5 м/с. Устройство прибора показано на рис. 3.7. Магнит (3) вращается внутри металлической чашки (4) чашечной вертушкой (1). Чашка может поворачиваться вокруг своей оси, но она удерживается пружиной (5)внейтральномположении.

1

2

6

N 3 S

4

5

Рис.3.7. Индукционный анемометрАРИ-49

113

Анемометр работает следующим образом. Магнитноеполепостоянного магнита возбуждает индукционныетоки в корпусечашки. Эти токи возрастают, если возрастает скорость ветра (а значит, и угловая скорость вращения магнита!). В свою очередь, индукционные токи возбуждают вторичноемагнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. Это взаимодействие таково, что вторичное поле тормозит вращение магнита. Иначе и быть не может. Если бы оно ускоряло вращение магнита, то магнит вращался бы быстрее, а вместе с этим увеличивалисьбынаведенныетоки.Следовательно,увеличивалосьбывторичное поле, которое опять-таки ускоряет магнит... (Мы бы получили вечный двигатель!). Но магнит связан с вертушкой, поэтому он не тормозится, а наоборот - чашка увлекается вслед за магнитом, подобно неразумному пешеходу, который попытался бы затормозить движущийся автомобиль.

Таким образом, чашка поворачивается на некоторый угол, тем больший, чем быстрее вращается магнит, т.е. чем больше скорость ветра. Этот угол показывается стрелкой на шкале (6), проградуированной в метрах в секунду.

Анемометр АРИ-49 привлекателен своей простотой и отсутствием каких-либо электронных схем. Это, однако, является и его недостатком, таккакскоростьветранепреобразуетсяв электрическийсигнал,и значит, анемометр не может быть использован для дистанционных измерений, например, в составе автоматических метеорологических станций.

3.3. Импульсные (контактные) анемометры

Если в индукционных анемометрах мерой скорости ветра является амплитуда генерируемого тока, то в импульсных анемометрах мерой скорости ветра является частота импульсов, генерируемых с помощью како- го-либо устройства. Можно привести множество примеров таких устройств. Мы рассмотрим всего два: геркон с магнитом и фотоэлектри-

ческий модулятор.

Слово “геркон” означает “герметичный контакт”. Этот элемент широко применяется в электронике. Он представляет собой небольшую стекляннуютрубочку, запаяннуюсдвухсторон,изкоторой полностьюоткачен воздух (рис. 3.8).

Внутритрубочкинаходятсядважелезныхлепестка,покрытыхтонким слоем золота или серебра для улучшения их проводимости. Лепестки не

114

меняются цифровые счетчики, осуществляющие подсчёт электрических импульсов за определенное время, задаваемое таймером. Это более удобно тем, что таймер вводит осреднение скорости ветра за время подсчёта импульсов. Ведь в метеорологии чаще всего представляет интерес именно осредненная скорость ветра - за 2 минуты или за другой промежуток времени.

Преимущество импульсных анемометров состоит в том, что измеряемым параметром является частота импульсов, а не амплитуда. Дело в том, чтопри передачесигнала (например, по длинномуэлектрическому кабелю) амплитуда сигнала может исказиться. Частота импульсов подвержена искажениюгораздоменьше. Действительно, труднопредставить себе, чтоимпульсможет “потеряться” при передачеили, наоборот, возникнет лишний импульс. Способ, при котором измеряемым параметром является частота, называют частотной модуляцией сигнала, а если измеряется амплитуда - амплитудной модуляцией. Приборы с частотной модуляцией гораздо устойчивее к помехам, чем приборы с амплитудной модуляцией.

Широко применяемый в метеорологических измерениях анеморумбометр М-63М1 является прибором с частотно-модулирован- ным сигналом. В датчике скорости ветра М-27 применён импульсный анемометр с герконом.

Рассмотрим теперь другуюконструкцию -фотоэлектрический модулятор. Главным элементом преобразователясигнала здесь является диск, снабженный перфорацией, т.е. зубцами (рис. 3.10).

Дисквращаетсяспомощьючашечной вертушки, скорость еговращениязависитот скорости ветра. Надодним изкраев дисканаходитсяисточник света - это может быть электрическая лампочка или светодиод (VD1 рис. 3.11). Под диском, на одной прямой с источником света находится приёмник света - обычно это фотодиод (VD2, рис. 3.11). Световой поток от светодиода к фотодиоду может проходить только через перфорацию диска-фотомодулятора.Такимобразом, нафотодиодпоступают импульсы света, частота которых зависит от скорости ветра. Фотодиод открывается при поступлении нанегоимпульса света, ина выходпоступают импульсы тока. Частота этих импульсов зависит от скорости ветра и измеряется частотомерами или цифровыми счетчиками.

Частота модуляции в анемометре с фотомодулятором гораздо выше, чем частота в анемометре с герконом. Это объясняется тем, что число зубцов по периметру диска-фотомодулятора может быть большим (до

116

1 2

VD1

3

VD2 выход

Рис. 3.10. Диск-фотомодулятор

Рис. 3.11. Импульсный анемометрс фотомодулятором

нескольких десятков) и, следовательно, один оборот диска соответствует большому количеству импульсов. В анемометрах с герконом во время одного оборота генерируется лишь два импульса. Большая частота модуляции позволяет уменьшить времяподсчёта импульсов, необходимоедля измерения частоты. Следовательно, уменьшается общее время измерения. Поэтому анемометры с фотомодулятором применяют в тех случаях, когда необходима малая инерция. Конечно, это должно сопровождаться мерами по уменьшению инерции самой вертушки (или винта), что уже обсуждалось в разделе 3.1.

3.4. Акустические анемометры

где С – скорость звука в воздухе (около 333 м/с); V – скорость ветра.

117

Знак в знаменателе формулы выбирается в зависимости от направленияветра. Если ветровой потокнаправлен от передатчика кприёмнику, то выбирается знак минус, если от приемника к передатчику – плюс. Если же скорость ветра направлена под углом к направлению от передатчика к приёмнику, то в формулу (3.24) следует подставить проекцию скорости ветра на это направление с соответствующим знаком.

Однако скорость звука (С) в воздухе зависит также и от его температуры (раздел 1.11), следовательно, время в формуле (3.24) зависит от двух параметров. Для исключения его зависимости от температуры соберём установку, изображенную на рис. 3.12.

V Направление ветра

Здесь П– передатчикакустическогосигнала, Пр1 и Пр2 – приёмники (микрофоны). Вся установка располагается вдоль направления ветра, на

рисунке оно указано стрелкой. Тогда время ( ) прохождения сигнала до

приёмника Пр1 можно определить по формуле (3.24), поставив в знаме-

нателе знак «+», а время ( ) прохождения сигнала до приемника Пр2 –

потойжеформуле,носознаком« ».Разность = выразитсяформулой:

С учётом того, что скорость звука значительно больше скорости ветра, и, следовательно, С 2 >> V2 , формула (3.25) может быть сдостаточной точностью переписана в виде:

Следовательно, для определения скорости ветра необходимо определить разность времен . Это может быть сделанос помощьюсовремен-

118

ных приборов – таймеров (см. ниже). Акустический сигнал передается короткими импульсами. Так работают импульсные акустические анемо-

метры.

Чувствительность акустических анемометров найдём, пользуясь общим определениемчувствительности прибора, сучётомтого, чтовходной величиной является скорость ветра V, а выходной – разность .

Каквидноизформулы, дляувеличениячувствительности есть только одинпуть–увеличениерасстоянияLмеждупередатчикомиприемниками. Однако это ведёт к увеличению размеров прибора. Практически это расстояние выбирают порядка нескольких десятков сантиметров, тогда и приёмник и передатчики можно располагать на флюгарке, которая занимает положение вдоль направления ветра.

Рассмотрим несколько иную конструкцию – фазовые акустические анемометры. Ванемометрах этого типа акустический сигнал определённой частоты генерируется передатчиком непрерывно. Как известно, это синусоидальный сигнал, который преобразуется приёмником в электрический синусоидальныйсигналтой жечастоты.Тогдасигнал, пришедший на второй приемник, опаздывает на время по отношению к сигналу,, пришедшему на первый приёмник(рис. 3.13).

Рис. 3.13. Разность фаз сигналов в фазовом акустическом анемометре

Следовательно, появляетсяразность фазΔφмеждудвумясигналами, которая может быть выражена известной формулой:

119

Последнее равенство написано с учётом соотношения между периодом сигнала Т и частотой f.

Чувствительность фазового акустического анемометра найдём, продифференцировав формулу(3.28):

Как видно из формулы, для увеличения чувствительности фазового акустического анемометра можно рекомендовать увеличение частоты акустического сигнала f. В этом случае разность фаз возрастает, однако разность времен остается неизменной, определяемой по формуле(3.26). По этой причине в акустических анемометрах используют ультразвук, имеющий частотуболее20000 Гц. Этодаёт возможность получить достаточновысокуючувствительность дажепри малой базеL междуизлучателем и приёмниками. Применение ультразвука имеет и то преимущество, что человеческое ухо не воспринимает ультразвуковой сигнал, и прибор становится «тихим».

Увеличение частоты имеет свой предел. Он связан с тем, что сдвиг фаз недолжен превышать 2π. В противном случаеприбор воспримет его как φ -2π , что, конечно, внесёт сильную погрешность в измерения.

Главными достоинствами акустических анемометров следует считать следующие:

1.Практически полноеотсутствиеинерции. Скорость ветра измеряетсяв момент еёизмененияот прежнегозначения. Этотребованиевесьма важно, если требуется измерять порывы ветра с малым периодом.

2.Отсутствиекаких-либодвижущихсячастей вприборе–чашечной вертушки или винта, необходимых дляротоанемометров. Этообстоятельство следует учитывать при выборе анемометра для работы в условиях низких температур и большой влажности, когда вращениювинта препятствуют силы трения, создаваемые при застывании смазки или возникновенииизморози.

3.5. Лазерный доплеровский измеритель скорости ветра

Лазерный доплеровскийанемометр основан на явлении Доплера. Это явление, как известно из физики, проявляется при движении приёмника периодического сигнала (акустического или оптического) относительно

120