В метеорологии анемометр (от древнегреческого άνεμος ( ánemos ) «ветер» и μέτρον ( métron ) «мера») — это устройство, измеряющее скорость и направление ветра . Это распространённый прибор, используемый на метеостанциях . Самое раннее известное описание анемометра было сделано итальянским архитектором и писателем Леоном Баттистой Альберти (1404–1472) в 1450 году.
Анемометр мало изменился с момента его разработки в 15 веке. Говорят, что Альберти изобрел его около 1450 года. В последующие столетия многие другие, включая Роберта Гука (1635–1703), разработали свои собственные версии, причем некоторые ошибочно приписывались как его изобретатель. В 1846 году Томас Ромни Робинсон (1792–1882) улучшил конструкцию, используя четыре полусферические чашки и механические колеса. В 1926 году канадский метеоролог Джон Паттерсон (1872–1956) разработал анемометр с тремя чашками, который был усовершенствован Бревуртом и Джойнером в 1935 году. В 1991 году Дерек Уэстон добавил возможность измерения направления ветра. В 1994 году Андреас Пфлич разработал звуковой анемометр. [1]
Простой тип анемометра был изобретен в 1845 году преподобным доктором Джоном Томасом Ромни Робинсоном из обсерватории Арма . Он состоял из четырех полусферических чашек на горизонтальных рычагах, установленных на вертикальном валу. Поток воздуха, проходящий мимо чашек в любом горизонтальном направлении, вращал вал со скоростью, примерно пропорциональной скорости ветра. Таким образом, подсчет оборотов вала за установленный интервал времени давал значение, пропорциональное средней скорости ветра для широкого диапазона скоростей. Этот тип прибора также называется ротационным анемометром.
В случае четырехчашечного анемометра ветер всегда имеет полость одной чашки, представленную ему, и дует на заднюю часть противоположной чашки. Поскольку полая полусфера имеет коэффициент сопротивления .38 на сферической стороне и 1.42 на полой стороне, [2] на чашке создается больше силы, чем на полой стороне, представленной ветру. Из-за этой асимметричной силы на оси анемометра создается крутящий момент , заставляющий его вращаться.
Теоретически скорость вращения анемометра должна быть пропорциональна скорости ветра, поскольку сила, действующая на объект, пропорциональна скорости газа или жидкости, протекающей мимо него. Однако на практике на скорость вращения влияют и другие факторы, включая турбулентность, создаваемую аппаратом, увеличивающее сопротивление в противовес крутящему моменту, создаваемому чашками и опорными рычагами, и трение в точке крепления. Когда Робинсон впервые спроектировал свой анемометр, он утверждал, что чашки двигались со скоростью, составляющей одну треть скорости ветра, независимо от размера чашки или длины рычага. Это, по-видимому, было подтверждено некоторыми ранними независимыми экспериментами, но это было неверно. Вместо этого отношение скорости ветра к скорости чашек, фактор анемометра , зависит от размеров чашек и рычагов и может иметь значение от двух до чуть более трех. После того, как ошибка была обнаружена, все предыдущие эксперименты с анемометрами пришлось повторить.
Трехчашечный анемометр, разработанный канадцем Джоном Паттерсоном в 1926 году, и последующие усовершенствования чашек, произведенные Brevoort & Joiner из США в 1935 году, привели к конструкции чашечного колеса с почти линейным откликом и погрешностью менее 3% до 60 миль в час (97 км/ч). Паттерсон обнаружил, что каждая чашка создавала максимальный крутящий момент, когда она находилась под углом 45° к потоку ветра. Трехчашечный анемометр также имел более постоянный крутящий момент и быстрее реагировал на порывы ветра, чем четырехчашечный анемометр.
Трехчашечный анемометр был дополнительно модифицирован австралийским доктором Дереком Уэстоном в 1991 году, чтобы также измерять направление ветра. Он добавил метку к одной чашке, заставляя скорость вращения чаши увеличиваться и уменьшаться, когда метка двигалась попеременно по ветру и против него. Направление ветра рассчитывается по этим циклическим изменениям скорости, в то время как скорость ветра определяется по средней скорости вращения чаши.
В настоящее время трехчашечные анемометры являются отраслевым стандартом для исследований и практики оценки ветровых ресурсов .
Одной из других форм механического скоростного анемометра является крыльчатый анемометр . Его можно описать как ветряную мельницу или пропеллерный анемометр. В отличие от анемометра Робинсона, ось вращения которого вертикальна, крыльчатый анемометр должен иметь свою ось, параллельную направлению ветра, и, следовательно, горизонтальную. Кроме того, поскольку направление ветра меняется, а ось должна следовать за его изменениями, необходимо использовать флюгер или какое-либо другое приспособление для выполнения той же цели.
Таким образом, крыльчатый анемометр объединяет пропеллер и хвост на одной оси для получения точных и точных измерений скорости и направления ветра с помощью одного и того же прибора. [3] Скорость вентилятора измеряется счетчиком оборотов и преобразуется в скорость ветра с помощью электронного чипа. Таким образом, объемный расход может быть рассчитан, если известна площадь поперечного сечения.
В случаях, когда направление движения воздуха всегда одинаково, как в вентиляционных шахтах и зданиях, применяются флюгеры, известные как воздухомеры, и дают удовлетворительные результаты. [4]
Анемометры с горячей проволокой используют тонкую проволоку (порядка нескольких микрометров), электрически нагретую до некоторой температуры выше окружающей среды. Воздух, проходящий мимо проволоки, охлаждает ее. Поскольку электрическое сопротивление большинства металлов зависит от температуры металла ( вольфрам является популярным выбором для горячей проволоки), можно получить соотношение между сопротивлением проволоки и скоростью воздуха. [5] В большинстве случаев их нельзя использовать для измерения направления воздушного потока, если только они не соединены с флюгером.
Существует несколько способов реализации этого, и устройства с горячей проволокой можно дополнительно классифицировать как CCA ( анемометр постоянного тока ), CVA ( анемометр постоянного напряжения ) и CTA (анемометр постоянной температуры). Таким образом, выходное напряжение этих анемометров является результатом некоторой схемы внутри устройства, пытающейся поддерживать определенную переменную (ток, напряжение или температуру) постоянной, следуя закону Ома .
Кроме того, используются также анемометры с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ ), в которых скорость определяется по длительности повторяющегося импульса тока, который доводит провод до определенного сопротивления, а затем останавливается до достижения порогового «пола», после чего импульс посылается снова.
Анемометры с нагреваемой проволокой, хотя и чрезвычайно чувствительны, обладают чрезвычайно высокой частотной характеристикой и прекрасным пространственным разрешением по сравнению с другими методами измерения, и поэтому практически повсеместно используются для детального изучения турбулентных потоков или любых потоков, в которых представляют интерес быстрые колебания скорости.
Промышленная версия тонкопроволочного анемометра — это тепловой расходомер , который следует той же концепции, но использует два штифта или струны для контроля изменения температуры. Струны содержат тонкие проволоки, но помещение проводов в оболочку делает их намного более долговечными и способными точно измерять поток воздуха, газа и выбросов в трубах, воздуховодах и дымовых трубах. Промышленные приложения часто содержат грязь, которая может повредить классический термопроволочный анемометр.
В лазерной доплеровской велосиметрии лазерные доплеровские анемометры используют луч света от лазера , который делится на два луча, один из которых распространяется из анемометра. Частицы (или преднамеренно введенный посевной материал), текущие вместе с молекулами воздуха вблизи места выхода луча, отражают или рассеивают свет обратно в детектор, где он измеряется относительно исходного лазерного луча. Когда частицы находятся в большом движении, они производят доплеровский сдвиг для измерения скорости ветра в лазерном свете, который используется для расчета скорости частиц и, следовательно, воздуха вокруг анемометра. [6]
Ультразвуковые анемометры, впервые разработанные в 1950-х годах, используют ультразвуковые волны для измерения скорости ветра. Они измеряют скорость ветра на основе времени пролета звуковых импульсов между парами преобразователей . [7]
Время, необходимое звуковому импульсу для прохождения от одного преобразователя до его пары, обратно пропорционально скорости звука в воздухе плюс скорости ветра в том же направлении: где - время полета, - расстояние между преобразователями, - скорость звука в воздухе, - скорость ветра. Другими словами, чем быстрее дует ветер, тем быстрее распространяется звуковой импульс. Чтобы скорректировать скорость звука в воздухе (которая меняется в зависимости от температуры, давления и влажности), звуковые импульсы посылаются в обоих направлениях, а скорость ветра рассчитывается с использованием прямого и обратного времени полета: где - прямое время полета и обратное время полета.
Поскольку ультразвуковые аненометры не имеют подвижных частей, они не требуют особого обслуживания и могут использоваться в суровых условиях. Они работают в широком диапазоне скоростей ветра. Они могут измерять быстрые изменения скорости и направления ветра, выполняя множество измерений в секунду, и поэтому полезны для измерения турбулентных схем воздушного потока.
Их главный недостаток — искажение воздушного потока конструкцией, поддерживающей преобразователи, что требует коррекции на основе измерений в аэродинамической трубе для минимизации эффекта. Капли дождя или лед на преобразователях также могут вызывать неточности.
Поскольку скорость звука изменяется в зависимости от температуры и практически не меняется при изменении давления, ультразвуковые анемометры также используются в качестве термометров .
Измерения от пар преобразователей можно объединить для получения измерения скорости в 1-, 2- или 3-мерном потоке. Двумерные (скорость и направление ветра) звуковые анемометры используются в таких приложениях, как метеостанции , судовая навигация, авиация, метеорологические буи и ветряные турбины. Мониторинг ветряных турбин обычно требует частоты обновления измерений скорости ветра 3 Гц, [8] что легко достигается звуковыми анемометрами. Трехмерные звуковые анемометры широко используются для измерения выбросов газа и потоков экосистемы с использованием метода вихревой ковариации при использовании с быстродействующими инфракрасными газоанализаторами или лазерными анализаторами.
Акустические резонансные анемометры являются более поздним вариантом звукового анемометра. Технология была изобретена Саввасом Капартисом и запатентована в 1999 году. [9] В то время как обычные звуковые анемометры полагаются на измерение времени пролета, акустические резонансные датчики используют резонирующие акустические (ультразвуковые) волны внутри небольшой специально созданной полости для выполнения своих измерений.
В полость встроен массив ультразвуковых преобразователей, которые используются для создания отдельных моделей стоячих волн на ультразвуковых частотах. Когда ветер проходит через полость, происходит изменение свойств волны (фазовый сдвиг). Измеряя величину фазового сдвига в полученных сигналах каждым преобразователем, а затем математически обрабатывая данные, датчик способен обеспечить точное горизонтальное измерение скорости и направления ветра.
Поскольку технология акустического резонанса позволяет проводить измерения в небольшой полости, датчики, как правило, меньше по размеру, чем другие ультразвуковые датчики. Небольшой размер анемометров акустического резонанса делает их физически прочными и легко нагреваемыми, а следовательно, устойчивыми к обледенению. Такое сочетание характеристик означает, что они достигают высокого уровня доступности данных и хорошо подходят для управления ветряными турбинами и для других применений, требующих небольших надежных датчиков, таких как метеорология на поле боя. Одной из проблем с этим типом датчика является точность измерения по сравнению с калиброванным механическим датчиком. Для многих конечных применений этот недостаток компенсируется долговечностью датчика и тем фактом, что он не требует повторной калибровки после установки.
Первые конструкции анемометров, измеряющих давление, делились на пластинчатые и трубчатые.
Это первые современные анемометры. Они состоят из плоской пластины, подвешенной сверху так, что ветер отклоняет пластину. В 1450 году итальянский архитектор Леон Баттиста Альберти изобрел первый такой механический анемометр; [10] в 1663 году он был заново изобретен Робертом Гуком. [11] [12] Более поздние версии этой формы состояли из плоской пластины, квадратной или круглой, которая удерживалась перпендикулярно ветру флюгером. Давление ветра на ее поверхность уравновешивалось пружиной. Сжатие пружины определяет фактическую силу, которую ветер оказывает на пластину, и это считывается либо на подходящем манометре, либо на самописце. Приборы такого типа не реагируют на слабый ветер, неточны для показаний сильного ветра и медленно реагируют на переменный ветер. Пластинчатые анемометры использовались для включения сигнализации сильного ветра на мостах.
Анемометр Джеймса Линда 1775 года состоял из вертикально установленной стеклянной U-образной трубки, содержащей жидкостный манометр (манометр), один конец которой был согнут в горизонтальном направлении, чтобы встретиться с потоком ветра, а другой вертикальный конец был закрыт крышкой. Хотя Линд не был первым, это был самый практичный и известный анемометр этого типа. Если ветер дует в устье трубки, он вызывает увеличение давления на одной стороне манометра. Ветер над открытым концом вертикальной трубки вызывает небольшое изменение давления на другой стороне манометра. Результирующая разница высот в двух коленах U-образной трубки является показателем скорости ветра. Однако для точного измерения необходимо, чтобы скорость ветра была прямо в открытом конце трубки; небольшие отклонения от истинного направления ветра вызывают большие колебания в показаниях.
Успешный анемометр с металлической трубкой давления Уильяма Генри Дайнса в 1892 году использовал ту же разницу давления между открытым устьем прямой трубки, обращенной к ветру, и кольцом маленьких отверстий в вертикальной трубке, которая закрыта на верхнем конце. Оба установлены на одной высоте. Разница давления, от которой зависит действие, очень мала, и для ее регистрации требуются специальные средства. Регистратор состоит из поплавка в герметичной камере, частично заполненной водой. Трубка от прямой трубки соединена с верхней частью герметичной камеры, а трубка от маленьких трубок направлена в нижнюю часть внутри поплавка. Поскольку разница давления определяет вертикальное положение поплавка, это является мерой скорости ветра. [13]
Большое преимущество трубчатого анемометра заключается в том, что открытая часть может быть установлена на высоком шесте и не требует смазки или внимания в течение многих лет; а регистрирующая часть может быть размещена в любом удобном положении. Требуются две соединительные трубки. На первый взгляд может показаться, что одного соединения будет достаточно, но разница в давлении, от которой зависят эти приборы, настолько мала, что необходимо учитывать давление воздуха в помещении, где находится регистрирующая часть. Таким образом, если прибор зависит только от давления или эффекта всасывания, и это давление или всасывание измеряется относительно давления воздуха в обычной комнате, в которой двери и окна тщательно закрыты, а затем в дымоходе сжигается газета, может быть получен эффект, равный ветру со скоростью 10 миль/ч (16 км/ч); а открытие окна в непогоду или открытие двери может полностью изменить регистрацию.
Хотя анемометр Дайнса имел погрешность всего в 1% при 10 милях в час (16 км/ч), он не очень хорошо реагировал на слабый ветер из-за плохой реакции плоской пластины-крыльчатки, необходимой для поворота головы по ветру. В 1918 году аэродинамическая пластина с крутящим моментом в восемь раз больше, чем у плоской пластины, преодолела эту проблему.
Современные трубчатые анемометры используют тот же принцип, что и анемометр Дайнса, но с использованием другой конструкции. Реализация использует трубку Пито-статическую , которая представляет собой трубку Пито с двумя портами, Пито и статическим, которая обычно используется для измерения скорости полета самолета. Порт Пито измеряет динамическое давление открытого устья трубки с заостренной головкой, обращенной к ветру, а статический порт измеряет статическое давление из небольших отверстий вдоль стороны этой трубки. Трубка Пито соединена с хвостом так, что она всегда делает головку трубки обращенной к ветру. Кроме того, трубка нагревается, чтобы предотвратить образование инея на трубке. [14] От трубки вниз к устройствам идут две линии для измерения разницы давления двух линий. Измерительными устройствами могут быть манометры , датчики давления или аналоговые самописцы . [15]
Обычный анемометр для базового использования сконструирован из шарика для пинг-понга , прикрепленного к веревке. Когда ветер дует горизонтально, он давит на шарик и двигает его; поскольку шарики для пинг-понга очень легкие, они легко двигаются при слабом ветре. Измерение угла между устройством «шар-струна» и вертикалью дает оценку скорости ветра.
Этот тип анемометра в основном используется для обучения на уровне средней школы, и большинство учеников изготавливают его самостоятельно, но похожее устройство также использовалось на марсоходе Phoenix Mars Lander . [16]
В трубчатом анемометре динамическое давление фактически измеряется, хотя шкала обычно градуируется как шкала скорости. Если фактическая плотность воздуха отличается от калибровочного значения из-за разницы в температуре, высоте или барометрическом давлении, требуется поправка для получения фактической скорости ветра. Примерно 1,5% (1,6% выше 6000 футов) следует добавлять к скорости, зарегистрированной трубчатым анемометром, на каждые 1000 футов (5% на каждый километр) над уровнем моря.
В аэропортах важно иметь точные данные о ветре при любых условиях, включая замерзающие осадки. Анемометрия также необходима для мониторинга и управления работой ветряных турбин, которые в холодных условиях подвержены обледенению в облаках. Обледенение изменяет аэродинамику анемометра и может полностью блокировать его работу. Поэтому анемометры, используемые в этих приложениях, должны иметь внутренний подогрев. [17] В настоящее время доступны как чашечные анемометры, так и звуковые анемометры с подогревом.
Для того, чтобы скорости ветра были сопоставимы от места к месту, необходимо учитывать влияние рельефа местности, особенно в отношении высоты. Другими соображениями являются наличие деревьев, а также как естественных, так и искусственных каньонов (городских зданий). Стандартная высота анемометра на открытой сельской местности составляет 10 метров. [18]
Королевское общество поощряло привычку регулярно и систематически проводить наблюдения за погодой, и уже в 1663 году Гук представил обществу свою работу под названием «Метод создания истории погоды».
