Виды анемометров

Posted by   oratorslova Гончаров Сергей
11/09/2021

Сколько может быть способов измерить скорость ветра ? Подумали только про крыльчатый анемометр ? И это правильно. Но только если рассматривать ассортимент приборов для измерения скорости воздлушных потоков внутри или снаружи помещения, представленных в интернет-магазинах измерительных приборов Украины. Безусловно крыльчатые анемометры самые распространенные.

Поскольку популярны в быту и на производстве благодаря своей простой и понятной конструкции (чем быстрее крутится, чем больше цифры силы ветра на дисплее) и доступной цене. Но на самом деле этих полезных устройств по разнообразию несколько больше. Все зависит от стоящих перед ними задач.

Какие бывают анемометры

Крыльчатые и чашечные

Сразу отметим, что помимо крыльчатых, если говорить справедливо, можно найти в продаже и купить анемометр чашечный. В качестве "уловителей ветра" у него выступают черпачки, насаженные на ось. Такие приборы присутствуют в инструментарии метеорологов.
Но хоть первые, хоть вторые имеют схожий принцип измерения, а самое главное - вращающуюся деталь. Поэтому их можно объединить в одну группу: механические.
Имеем электрический генератор, ротор которого выступает в качестве оси вращения, на которую насажена крыльчатка.
Немного отступив в сторону, отметив, что в дешевых приборах (не хочется говорить про Китай, но так уж повелось, что оттуда идет много низкопробных анемометров), крыльчатка может быть элементарно криво закреплена.

К чему это приведет ?

  • не полностью будут захвачены ветряные потоки, а значит увеличится погрешность;
  • нарушение соосности приведет к увеличению центробежных сил и прибор выйдет из строя раньше его естественного времени износа.

Итак, при вращении лопастей, генератор вырабатывает электрическое напрядение. А это самое главное, что нам нужно. Поскольку напряжение пропорционально скорости ветра.
Главное знать эту зависимость. Ее можно описать в виде функции (линейной или нелинейной) – это так называемая калибровочная кривая, отражающая зависимость между напряжением и силой воздушного потока, проходящего через пропеллер или в табличном варианте.
Но в любом случае покупателю анемометра думать об этом не надо. Задачи калировки берется на себя производитель, а потребитель получает готовый прибор.

Включил – крыльчатый датчик скорости начал вращаться – наблюдаем на дисплее результат.

Интересно, что можно вообще обойтись без генератора !
А как же тогда получить зависимость между напряжением и силой ветра ? А никак. Если только не добавить цифровой счетчик электрических импульсов.

Есть такой прибор как тахометр. Так вот в самом простом варианте, на вращающуюся деталь ставится отметка, и как только делается один полный оборот, по этой отметке "засчитывается" импульс.
В нашем случае алгоритм практически тот же.

Что может быть в качестве метки для безгенераторных анемометров ?

  1. Магнит и геркон (это электронный компонент, внутри которого 2 или более контактов, замыкающихся или размыкающихся под действием магнитного поля).
  2. Лазерный или обычный световой луч. На оси насажено колесико с отверстием. Путь для луча постоянно закрыт, кроме случая, когда мимо проходит отверстие и приемник с другой стороны улавливает луч.

Рассмотрим для примера герконный анемометр.
Как только микромагнит, насаженный на лопасть, проходит рядом с герконным датчиком, формируется электрический импульс, поступающий на счетную схему.

Количество импульсов в секунду пропорционально скорости потока ветра.

Ультразвуковые анемометры

Звуковые волны мы слышим благодаря колебаниям барабанной перепонки, а вот инфранизкие частоты (менее 20 Гц) и ультразвуковые (выше 20 КГц), нам недоступны. Но это не значит, что их нет. И они распространяются приблизительно с одинаковой скоростью, в частности в воздухе это 340 м/с.
И физическая природа одинакова. Молекулы воздуха, передают затухающие колебания все дальше и дальше. Поскольку задейстована физическая среда в отличие например от электромагнитных волн, которые распространяются и в вакууме, поэтому скорость достаточно низкая (правда в твердых телах и жидкостях она в несколько раз выше).

И еще для понимания принципа действия ультразвуковых анемомтеров, можно привести пример из охоты.
Если ветер дует от добычи (например кабана идли медведя), то животное не почувствует запах охотника, а для нашего объяснения важнее, что даже если под ногой стрелка скрипнет сухая ветка и сильный ветер дует в его сторону, животное может этого не услышать (звук "умрет" в неравной борьбе с воздухом).

Почему ?
Звук от ветви ослабляется движущимися к нему навстречу молекулами воздуха, которые как бы забирают у него энергию.

А вот если ветер дует от охотника, то:

  • даже слабый звук распространится во-первых на большую дистанцию;
  • во-вторых, не так ослабнет;
  • а в-третьих и это самое главное – дойдет немного быстрее (плюс скорость ветра)

Имеем зависимость между временем распространения и скоростью ветра. Собственно задача из школьного курса физики. Если добавить третью, недостающую часть уравнения: расстояние.

Ультразвуковые анемометры состоят из пар приемников и передатчиков (их может быть 2 или 3). Каждый излучатель создает сигнал, который поступает в приемник. И в зависимости от силы ветра, время на распространение импульсов меняется. А поскольку элементы устройства закреплены жестко и расстояние между ними стабильное, то посчитав время, по формуле находится скорость.
Изменения времени с нашей точки зрения мизерные, но это не проблема для высокоточной регистрирующей электроники, которая зафиксирует отклонения в тысячные доли секунды.
А почему нельзя использовать звук ? Можно конечно. Но не нужно. Ну разве что на безлюдных территориях. Представим себе, что круглосуточно будут доноситься громкие звуки. Работать невозможно. А ультразвук делает точно такую же работу, но абсолютно бесшумно.
Для чего несколько передатчиков ? Они обычно расположены под разными углами. Ведь направление ветра тоже меняется в течение дня. И если усреднить результаты нескольких замеров, итог будет иметь гораздо более низкую погрешность.

Среди плюсов ультразвуковых измерителей силы ветра следует отметить:

  • отсутствие механических вращающихся элементов, которые в любом изделии являются слабым звеном;
  • хорошо работают при холодных температурах;
  • отличаются низкой инерционностью;
  • выдают достоверный результат даже при высоких скоростях ветров;

Среди минусов это дороговизна, высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, сложность монтажа.

Да, это точно не простые приборы для измерения скорости ветра. Но это еще не все…

С лазерным интерферометром

В качестве носителя информации о силе ветра может выступать и лазерный луч. Казалось бы, какая связь между движением воздуха и светом ? Но нет, есть такая связь. Причем анемометры, основанные на интерференции света, гораздо более точные.

Если лазерный луч разделить, используя специальное зеркало, то одна “часть” луча будет эталонной, параметры которого неизменны, поскольку не будут влиять любые возмущающие явления, включая ветряные потоки. А вот второй луч (назовем его измерительным), и будет проходить через движущиеся пототки воздуха. Поскольку свет это высокочастотные электромагнитные колебания, они характеризуются множеством параметров. И один из них – фаза, меняется в зависимости от скорости ветра.
Теперь, если произвести сравнение двух лучей (делает это прецизионная быстродействующая электронная схема на основе явления интерференции), по разнице можно рассчитать силу ветра.

Точнее, рассчитывается расстояние между интерференционными полосами.

Лазерные интерференционные анемометры требуют тщательной калибровки, чтобы была однозначная зависимость между параметрами луча и мощностью воздушного потока.

Доплеровские лазерные анемометры

Есть такая шутка. Когда физик проехал на красный свет, и полицейский собрался его штрафовать, то водитель сослался на эффект Доплера. Якобы если ехать с большой скоростью, то из-за изменения частоты света, красный свет светофора становится зеленым.
На этом же принципе, только уже серьезно, работают радары для определения скорости автомобилей, и разновидность анемометров. Смысл в том, что луч, проходя через слой воздуха, отражается от частиц пыли, молекул воды, других взвешенных элементов, при этом меняется его частота, пропорциональная силе измеряемого ветра, поскольку последний перемещает эти частицы и они несут информацию об искомой скорости.