Приборы для измерения скорости и направления ветра

Точность превыше всего | 30.03.2016

Назначение инструмента

Анемометр — это прибор для измерения скорости ветра, в переводе с древнегреческого, — «ветромер». Но греки здесь ни при чём, поскольку прибор был изобретён ирландским астрономом Джоном Робинсоном в середине XIX столетия. Цель изобретения состояла в определении силы, или выражаясь по-научному — скорости ветра. Сегодня он применяется в различных отраслях хозяйства:

• На метеорологических станциях, ведущих наблюдение за погодой, результаты которых выливаются иногда в штормовые предупреждения.
• В аэродромных службах обеспечения безопасности полётов.
• При эксплуатации вентиляционных систем и станций кондиционирования промышленных объектов, тоннелей метро.
• Для контроля вентиляции проходческих штреков, используемых в горных и угледобывающих отраслях.
• В строительной сфере. Вертушка, установленная на башенном кране, в случае превышения допустимой ветровой нагрузки предупреждает машиниста об опасности с помощью светозвукового сигнала.
• Работники аграрной отрасли применяют анемометр во время проведения опыления посевов удобрениями и средствами химической защиты растений.
• Используется в некоторых видах спорта, связанных с использованием силы ветра: парапланеризм, парусные регаты, гонки на буерах и так далее.

Приборы для измерения скорости и направления ветра

На метеорологических станциях, для определения направления и скорости ветра у поверхности земли служит флюгер. Он устанавливается на высоте 10-12 мнад земной поверхностью. Для определения скорости ветра в поле служит ручной анемометр. На метеостанциях широко используются также электрические анемометры и анеморумбометры, а также самопишущие приборы для непрерывной регистрации направления и скорости ветра — анеморумбографы.

Флюгер Вильда (станционный) (рис. 2.11 в конце) прибор служит для измерения скорости и направления ветра.

Ветромер Третьякова(рис. 2.12 в конце) служит для измерения направления и скорости ветра в полевых условиях. Необходимость таких измерений вызвана тем, что направление и особенно скорость ветра на полях могут значительно отличаться от данных метеоплощадки. Ветромер Третьякова по своему действию напоминает флюгер.

Принцип работы

Чтобы измерить скорость воздушного потока и представить её в удобном для пользователя виде, измерительный инструмент содержит три структурных блока:

1. Первичный (измеряющий) блок. С помощью воздушного потока создаётся возмущающее воздействие на тот или иной физический параметр (вращение, охлаждение нагретого тела, отражение ультразвука, лазерного излучения и некоторые другие).
2. Преобразователь. Изменяющийся физический параметр модулирует один из видов энергии: механическую, пневматическую, электрическую, электромагнитную и так далее.
3. Регистрирующее устройство. Результат отображается с помощью механического счётчика оборотов, шкалы со стрелкой, цифрового индикатора, дисплея.

Принцип действия измерительных датчиков определяет следующую классификацию анемометров:

• вращающиеся (чашечные, лопастные, спиральные);
• нагревательные (термические);
• ультразвуковые (акустические);
• оптические (лазерные, допплеровские);
• динамические или напорные (на основе трубки Пито-Прандтля);
• вихревые;
• поплавковые.

Значение в природе

Ветер является важнейшим природным фактором, который воздействует на составляющие природы: климатические условия, геологические процессы, растения, животные и др.

Ветровая эрозия почвы

Основные последствия влияния ветров:

1. Возникновение сильных океанических течений, которые определяют климат прилегающих зон.
2. Эрозия почвы из-за выдувания мелких частиц.
3. Образование новых форм рельефа. Например, перенос и откладывание песка ветром приводит к появлению песчаных дюн.
4. Перенос пыли из пустынь и загрязнение воздуха. Например, летом дуют пассаты в Северном полушарии. При этом они постепенно приближаются к областям субтропических пустынь. В результате пыль из Сахары на протяжении сезона достигает южно-восточной части Северной Америки.
5. Распространение пожаров. Ветер – один из основных факторов, который влияет на быстрое распространение пожаров, в особенности лесных.
6. Влияние на растения. Воздушные потоки распространяют семена некоторых растений, ограничивают рост деревьев, а также могут наносить механические повреждения переносимыми твердыми частицами.
7. Влияние на животных. Ветер усиливает холод в совокупности с низкими температурами – это основной аспект его влияния на животный мир. К влиянию ветра вынуждены приспосабливаться, например, пингвины, птицы, насекомые. Некоторым видам движение воздушных масс приносит пользу – олени распознают издали хищников за счет острого обоняния.

Уголь и нефть: откуда берутся, как образовываются — коротко, фото и видео

Перекати-поле

Интересный факт: наиболее известные растения, которые распространяются благодаря ветру – одуванчики, клен, перекати-поле. Опыление многих растений происходит за счет переноса пыльцы.

Чашечные анемометры

В качестве чувствительного органа служат 3 или 4 полусферических чашки, посаженных на ось с помощью соединительных спиц. Поток воздуха действует на чашки с разной силой (выпуклая часть обтекается, а вогнутая оказывает сопротивление), в результате система получает вращательный импульс.

Ручной механический анемометр оснащён несколькими чашками. Циферблат представляет собой счётчик оборотов с тремя шкалами: единицы, сотни и тысячи. Линейная скорость чашек не совпадает со скоростью воздушного потока. Коэффициент анемометра (величина, обратная отношению скоростей потока и чашек) находится в интервале от двух до трёх единиц. Кроме того, характеристика устройства — нелинейная. В связи с этим для использования прибора требуется градуировочный график и секундомер. Порядок измерения: фиксируют количество оборотов за некоторый временной интервал, по графику находят пройденное воздушным потоком расстояние и делят его на время измерения. Получается искомая скорость ветра, причём она является средней скоростью за этот промежуток времени. Диапазон измерения: 1–20 м/с.

Ручной индукционный анемометр имеет 3 чашки, что увеличивает крутящий элемент устройства и повышает быстроту отклика на изменение скорости ветра. Дополнительных графиков у этого прибора нет, и засекать время тоже не требуется, поскольку измерение производится в реальном масштабе времени. С увеличением скорости потока индукционная катушка закручивает подпружиненную шкалу, которая показывает мгновенную скорость потока. Область измерения находится в диапазоне от 0,2 до 30 м/с.

Приборы для измерения скорости и направления ветра.

Приборы, измеряющие скорость ветра, называются анемометрами; измеряющие скорость и направление – анеморумбометрами; регистрирующие скорость и направление – самописцами.
Рисунок 7.1 – Основные румбы
Флюгер станционный (флюгер Вильда) по устройству прост и достаточно широко используется для измерения направления, скорости и порывистости ветра (рис. 7.2). Чувствительным эле­ментом направления ветра в этом приборе является флюгарка 1 с противовесом 2. Она укреплена на трубке 7, которая надевается на заостренный конец неподвижной оси 3 и свободно вращается вокруг нее. Для определения направления ветра на неподвижной оси расположена муфта 4 с восемью штифтами, указывающими на­правление сторон света. На одном из них укрепляется буква С, на­правленная на север.
Приемником скорости ветра служит прямоугольная доска (пла­стина) 5, свободно качающаяся около горизонтальной оси 6. На оси закреплена дуга 8 с восемью штифтами, по которым от­считывают положение доски, отклоняющейся под действием ветра. На оси 6 есть противовес 10 для уравновешивания дуги 8. Штифты дуги нумеруются от 0 до 7.

Рисунок 7.2 – Флюгер Вильда (по М.Д. Павловой, 1974)

Анемометр ручной чашечный МС-13 (рис. 7.3). Его чувствительным элементом является небольшая вертушка 2 с четырьмя полусферическими чашками, обращенными выпуклостями в одну сторону. Вертушка насажена на ось 1, в нижней части которой имеется червячная (винтовая) нарезка, сопри­касающуюся с зубчатым колесом, передающим вращение вертушки счетному механизму. Счетный механизм помещен вну­три корпуса и представляет собой систему зубчатых колес, связан­ных с тремя стрелками, которые при вращении вертушки переме­щаются по трем шкалам.

шкала 6 имеет 100 делений. По этой шкале от­считывают десятки и единицы оборотов. Малые шкалы имеют 10 делений и служат для отсчета сотен и тысяч оборотов.

Счетный механизм включается и выключается арретиром, вы­ступающий конец которого расположен сбоку корпуса и имеет вид подвижного кольца. Движением арретира вверх (против ча­совой стрелки) счетчик анемометра включают, а движением вниз (по часовой стрелке) – выключают. В корпусе прибора по обе стороны арретира ввинчены два ушка, через которые протяги­ваются концы шнура, прикрепленного к кольцу для включения и выключения прибора, когда его нельзя достать рукой. Снизу под корпусом прибора имеется стержень с винтовой нарезкой 4 для установки анемометра на деревянном шесте в вертикальном по­ложении.

Рисунок 7.3 – Анемометр ручной чашечный МС-13 (по А.П. Лосеву, 1994)

От механических повреждений вертушка защищена металличе­скими дужками 7. Анемометр хранится в футляре с выключенным механизмом.

Анеморумбометр М-63– дистанционный прибор (рис. 7.4). Им измеряется скорость ветра, осредненная за 10-минут­ный интервал, максимальная мгновенная скорость ветра между сроками наблюдений и направление ветра.
Рисунок 7.4 – Анеморумбометр М-63 ( по М.д. Павловой, 1974)

Принцип действия основан на преобразова­нии направления и скорости ветра в электрические величины. В комплект прибора входит датчик 1, измерительный пульт 2и блок питания 3.

Датчик состоит из обтекаемого корпуса, вращаю­щегося вокруг вертикальной неподвижной стойки. В конце корпуса находится флюгарка 5, а в начале – четырехлопастный винт 4с горизонтальной плоскостью вращения, которая с помощью флю­гарки устанавливается всегда перпендикулярно направлению воз­душного потока. Внизу вертикальной стойки находится ориентир для установки датчика относительно сторон света и штепсельный разъем для подключения соединительного кабеля.

Измерительный пульт – настольный прибор, на лицевой сто­роне которого размещены указатель мгновенной скорости 6,

ука­затель средней скорости 7 и указатель направления ветра 8
.
Блок питания состоит из двух батарей аккумуляторов, вольт­метра для измерения напряжения аккумуляторов и тумблера. Блок питания подключается к сети переменного тока.

Для характеристики ветрового режима местности по повто­ряемости направле­ний ветра строится график, назы­ваемый «розой ветров». Он может быть месячным, сезонным, годовым.

Повторяемость ветра для каждого из восьми румбов вычисляется по количеству раз, которое наблюдалось за тот или иной период. Полученные значения выражаются в процентах от общего числа наблюдений (число штилей в 100 % не входит).

При построении розы ветров чертят восемь румбов на­правлений ветра и на них в определенном масштабе отклады­вается повторяемость ветра. По­следовательно соединенные точки и будут характеризовать розу ветров.

1. Построить розы ветров по направлению ветра в мае и июне

1. Ветер и его характеристики.

2. Значение ветра для сельскохозяйственного производства.

3. Приборы, характеризующие ветер.

4. Ручной анемометр и принцип его действия.

Источник

Лопастные

В этом приборе воздействие ветра воспринимается лопастной крыльчаткой. Принцип действия его аналогичен чашечному устройству. В связи с тем, что ось вращения крыльчатки параллельна воздушному потоку, механический счётчик ручного инструмента расположен в непосредственной близости от лопастей (сзади). Поэтому он является некоторой преградой на пути ветра, что ограничивает рабочий диапазон. Ручным лопастным анемометром можно измерять среднюю скорость ветра, не превышающую 5 м/с.

Цифровой лопастной анемометр не имеет механического счётчика оборотов, препятствующего движению воздуха, поэтому скорость потока, измеряемого девайсом, достигает 45 м/с. При этом лопастной датчик может быть встроенного или выносного исполнения. Допускается измерять среднюю, максимальную и минимальную скорость.

Как образуется ветер?

Основная причина образования ветра – неравномерное распределение атмосферного давления. Солнечные лучи, достигая поверхности Земли, нагревают океан и сушу. При этом температура в разных уголках нашей планеты возрастает неравномерно.

Образование ветра

Например, сильнее всего нагревается зона экватора и соответствующие пояса. Температура океанических вод повышается менее интенсивно, чем температура суши, однако водные массивы дольше удерживают тепло.

Таким образом, воздушные массы тоже нагреваются неравномерно. Образуются зоны с разным давлением, вследствие чего происходит воздушная циркуляция. Так, нагретые потоки (восходящие) из зоны низкого давления устремляются вверх. Тем временем, остывший воздух (нисходящие потоки) опускается вниз и устремляется в область низкого давления.

Атмосфера Земли не останавливается ни на секунду. Процесс воздушной циркуляции носит глобальный характер. Когда массивные потоки теплого и холодного воздуха сталкиваются, возникают различные по интенсивности ветры.

Ультразвуковые

Принцип действия основан на изменении скорости прохождения звуковых колебаний в движущейся воздушной среде. Если движущийся поток воздуха направлен навстречу источнику ультразвука, скорость последнего уменьшается. И наоборот, движущийся в одном направлении со звуком, поток увеличивает его скорость. Таким образом, контролируя время получения отражённого от воздушной среды ультразвукового импульса, удаётся определить скорость потока. Ультразвуковые устройства подключаются к блоку обработки метеоданных, результаты выводятся на персональный компьютер. Датчики различаются по количеству выполняемых измерений:

• Двухмерные. Измеряют направление потока и его скорость.
• Трёхмерные. Определяют 3 скоростных вектора.
• Термоанемометры (4-мерные). Такой анемометр — это прибор для измерения не только 3 скоростных компонента, но и температуры окружающего воздуха.

Отсутствие движущихся элементов позволяет акустическому устройству измерять скорость ветра до 60 м/с.

Разнообразие моделей

В зависимости от принципа действия, прибор для измерения скорости ветра изготавливается в трех вариантах:

• Механический. За счет движения воздуха в них происходит вращение отдельных элементов. В данную категорию относится анемометр чашечный и крыльчатый (или лопастной). Они отличаются между собой конструкцией элемента, который воспринимает потоки воздуха.

• Нагревательные (или тепловые). В их конструкцию входит нагревательный элемент (обычно это простая накаливаемая проволока). Под воздействием движущихся воздушных масс данный элемент остывает. Прибор определяет степень снижения температуры.

• Ультразвуковые, которые измеряют скорость движения звука. Звук, проходя сквозь движущийся газ, обладает различной скоростью. Если он движется навстречу ветру, то его скорость будет ниже. И наоборот, при движении в одну сторону с ветром, его скорость будет выше, чем в неподвижном воздухе.

Тепловые или термические

Известно, что в жаркую погоду свежий ветерок приятно холодит кожу. И это не субъективные ощущения, а реальный факт. На этом принципе основано действие тепловых анемометров. Чувствительным элементом этого устройства служит нить из тугоплавкого материала, через которую пропускается электрический ток. Проводник нагревается до более высокой температуры, чем окружающая среда. Обдувающий воздух охлаждает проводник, в результате чего изменяется его сопротивление. Различают 3 схемы подключения датчика:

• с фиксированной величиной тока;
• с постоянным напряжением;
• термоконстантное подключение.

Такая конструкция используется в датчике массового расхода воздуха (ДМРВ), которым оснащаются все современные автомобильные двигатели.

Содержание:

На сегодняшний день анемометры применяются в различных сферах: в метеорологии, в строительстве при создании вентиляционных шахт и воздуховодов, для проверки соблюдения санитарных норм в жилых и производственных помещениях и т.д. При этом анемометры бывают нескольких видов, у каждого из которых есть своя предпочтительная область применения.

Следует помнить, что очень важна точность показаний этого прибора. Например, при неверном использовании анемометра система вентиляции в жилом доме прошла проверку качества. Но в последствие оказалось, что в квартирах очень влажно. В результате ее реконструкция вылилась в большую сумму.

Выбор недорогого анемометра

Людям, увлекающимся экстремальным отдыхом, иногда требуется мобильный метеопомошник. Не каждый захочет производить сложные манипуляции с письменными расчётами, чтобы определить скорость ветра. Современные цифровые устройства сделают это при нажатии всего лишь одной кнопки, таким и является спортивный анемометр SKYWATCH Xplorer 1. Девайс карманного формата с лопастным сенсором весит 50 г. Диапазон измерения: 0,5–42 м/с. Определяет текущую скорость ветра с фиксацией её максимального значения. Имеет подсветку экрана, работает от литиевой батарейки. Выдерживает кратковременное погружение в воду. Бренд производителя — швейцарская фирма JDC Electronic, цена около четырёх тысяч рублей.

Сварочный кабель. Цена за метр

Реноватор. Отзывы пользователей

Таблица для определения скорости ветра по внешним признакам

К метеорологическим устройствам относится прибор для измерения скорости ветра, который называется анемометр. В переводе с древнегреческого определение буквально означает «ветромер». Несмотря на название, прибор был изобретен лишь в 19 веке. Его изобрел астроном из Ирландии Джон Робинсон для определения скорости ветра.

Флюгер

Длинный гвоздь — деревянный шест — деревянные бусинки — фанера — молоток — линейка — сапожный нож — клей для дерева — компас

1. Вырежи из фанеры детали, изображенные на чертеже внизу. Ширина прорезей должна быть равна толщине фанеры.

2. Собери флюгер, как показано на рисунке. Детали скрепи между собой клеем.

3. Уравновесь флюгер на шляпке гвоздя, чтобы найти его центр. Вбей в этом месте гвоздь, нанизав на него по бусине по обе стороны от флюгера, как показано на рисунке. Флюгер нужно укрепить на шесте так, чтобы он мог свободно вращаться.

4. С помощью флюгера определи направление ветра. Его нос указывает направление, откуда дует ветер. Ветер с юга называется южным ветром.

Настройка

Настраивать анемометр лучше по показаниям стандартного. Но за неимением такового можно применить следующий способ. Укрепив прибор к деревянной ручке при движении автомобиля в штиль сверить показания устройства со спидометром машины. Подобрав значение радиуса колеса в миллиметрах, настраиваем прибор.

Таблица для определения скорости ветра с помощью флюгера Вильда.