Анемометр

АнемометрАНЕМОМЕТР, прибор для измерения скорости ветра, служит также для измерения скорости движения газов в трубопроводах. Скорость ветра м. б. рассматриваема как вектор в пространстве. Обычно вместо географически ориентированных координат (х, у, z) вектора принято определять горизонтальные составляющие (направление) скорости или давления (силы) ветра и вертикальные составляющие их, или наклонение (см. Анемоклинограф) ветра к горизонтали. Для большинства целей практики достаточно определить скорость и силу ветра.

1. Определение скорости посредством измерения проходимого ветром пути производят: а) По числу оборотов или окружной скорости ветряного колеса, вроде ветряной мельницы или пропеллера; приборы такого устройства дают верные результаты только для воздушных потоков, направленных параллельно оси ветряного колеса, б) По числу оборотов или окружной скорости в шаровых анемометров Робинсона (фиг. 1 и 2): 4 легких полушара укреплены на концах горизонтального креста, середина которого вращается около вертикальной оси, вследствие того , что давление ветра на вогнутую сторону полушара больше, чем давление на выпуклую. В приборах названных двух типов определяют пройденный путь в м или скорость в м/сек независимо от плотности воздуха, в) По горизонтальной составляющей пути, проходимого шаром-пилотом во время свободного полета (на аэродромах повсеместно принят этот способ измерения скорости ветра на разных высотах).

Скорость подъема аэростата - величина постоянная и заранее известна для шаров-пилотов различных объемов и определенных степеней наполнения. Для определения азимутов и высот полета шара вполне достаточно визировать его при помощи теодолита через каждую минуту. Вычисление направления и скорости ветра по результатам наблюдений производят при помощи таблиц ctg, часто графически, при помощи упрощающего вычисления специального прибора Лудольфа. Этот способ определения скорости ветра, дает также данные для грубого определения величины наклонения ветра к горизонтали, которая на земле, где имеют место только горизонтальные воздушные течения, равна 0, а по мере поднятия на высоту значительно растет по величине, часто меняя знак.

Действие ветра на шаровой анемометр Робинсона

г) По изменению сопротивления короткой тонкой проволоки, нагретой электрическим током и подверженной действию ветра (прибор Сименса и Гальске). Быстрые колебания температуры, которые свойственны такому проводнику, делают этот способ особенно пригодным для измерения порывистого ветра с быстро меняющимися значениями величин.

Шаровой анемометр Робинсона

Вращательное движение главного валика в приборах с ветряным колесом передается при помощи зубчатой передачи счетчику. Вычитая показания счетчика анемометра в начале наблюдения из показания в конце наблюдения, получают пройденный ветром путь за определенный промежуток времени, а деля путь на время, получают среднюю скорость ветра. Газовые и т. п. счетчики построены по такому же принципу измерения пройденного пути.

2. Определение давления (силы) ветра (в кг/м2 или в баллах по шкале ветров Бофорта) производят приборами, в которых: а) ветряному колесу или кресту Робинсона не дает вращаться прикрепленная к их главному валику пружина; растяжения ее пропорциональны давлению ветра, которое указывается стрелкой, соединенной с валиком непосредственно или через зубчатки; б) подверженные действию ветра шар или пластина качаются в некоторой вертикальной плоскости, которая должна совпадать с направлением ветра (фиг. 3, прибор Вильда);

Анемометр Вильда

или установленная перпендикулярно к направлению ветра пластинка определенных размеров воспринимает давление ветра и сжимает имеющуюся позади нее спиральную пружину (фиг. 4, прибор Ослера);

Анемометр Ослера

в) ветер, действуя на обращенный к нему открытый конец изогнут, под прямым углом трубки, повышает в ней давление [прибор Линда (фиг. 5), трубки Pitot и др.];

Прибор Линда

в трубке, направление которой перпендикулярно к направлению ветра, им вызывается уменьшение давления (разрежение) [Вентуриевы трубки; фиг. 6, мультипликатор Бурдона и др.].

Мультипликатор Бурдона

Во всех приборах для определения силы ветра измеряется давление ветра в кг/м2; оно равно zM1FV2, где V - скорость ветра, F - поперечное сечение тела, подверженного действию ветра, М1 - плотность воздуха и z-коэффициент пропорциональности, зависящий от формы тела. Произведение zM1F есть не что иное, как М/2 в выражении живой силы MV2/2. Т. о. давление ветра пропорционально плотности воздуха, то есть, массе единицы объема его, что для высоких и низких местностей дает заметные отклонения по сравнению с давлениями ветра при так наз. нормальных условиях атмосферы (760 мм, 0°C). Многие приборы, построенные по принципу измерения давления ветра, тарированы на скорость ветра, причем в большинстве из них отсутствуют поправки на плотность воздуха, что для грубых измерений вполне допустимо.

Для эмпирического определения значений коэффициента пропорциональности, т. н. постоянных величин приборов, пользуются весьма разнообразными способами, например: наблюдением над истечениями определенного объема газа (воздуха), сравнением на достаточной высоте при равномерном ветре при помощи привязанных аэростатов, сравнением с приборами-эталонами на ветру, и т. п. Самый распространенный, простой и надежный способ – сравнение в условиях аэродинамической трубы.

3. Определение направления ветра производят при помощи флюгера (фиг. 7). Флюгер применяют также и для правильной установки анемометра по ветру. К числу недостатков флюгеров устаревшей системы следует отнести образование порывистых вихрей, влияющих на точность измерений; этот недостаток устранен во флюгерах новейшей конструкции.

Определение направления ветра производят при помощи флюгера

Приспособления для отсчета наблюдений: в приборах с пропеллером и шаровых анемометрах устроены счетчики в виде часового механизма с десятичной шкалой, показывающие пройденный путь. Для наблюдения скорости ветра: в м/сек - в метеорологии, в км/ч - в авиации или, для большего удобства, в общеизвестных баллах по шкале Beaufort’а (в Германии - в «donis» = 2 м/сек) - использована центробежная сила вращения в механизме, подобном центробежному регулятору в паровых машинах, который автоматически отмечает изменения скорости во вращательном движении соответствующими перемещениями стрелки вдоль шкалы линейных скоростей. Масса грузиков центробежного прибора усиливает и без того значительную нечувствительность таких приборов к быстрым колебаниям скорости ветра. Вместо простой стрелки часто применяют зубчатую передачу с циферблатом. Из приборов для определения давления ветра первые два типа снабжены простыми стрелками, а в третьем типе таких приборов берут отсчет по высоте столба жидкости в сообщающихся сосудах; в приборе для определения направления ветра роль стрелки исполняет сам флюгер, положение которого определяется относительно расположенного под ним ориентированного по странам света неподвижного креста.

Самопишущие приборы (анемографы) в большинстве приборов с пропеллером и шаровых анемометрах состоят из зубчатки на главном валике в зацеплении с червячным колесом, один оборот которого равен определенной длине (в м) проходимого ветром пути. На валике червячного колеса закреплен центробежный механизм, к поступательно движущемуся звену которого прикреплено пишущее перо; часовой механизм тянет бумажную ленту мимо пишущего пера и дает абсциссы времени, а перо чертит непрерывную кривую скоростей ветра. В приборах со сверхдавлением или разрежением воздуха для анемографа использованы либо деформации объема тонкостенного пустотелого сосуда, как в анероиде, либо вертикальные перемещения поплавка на поверхности столба жидкости в сообщающихся сосудах. Направление ветра регистрируют обычно повторными через равные промежутки времени наколами на протягиваемой часовым механизмом бумажной ленте острием стрелки, закрепленной на флюгере, причем в момент накола специальная система рычагов от часового механизма прижимает ленту к острию. Иногда направление ветра регистрируют при помощи червячной передачи с пишущим прибором. Существуют также приборы, регистрирующие на расстоянии электрическим током.

Недостатки приборов. Приборы с пропеллером и шаровые обладают заметной масс вращающихся частей, т. е. достаточно гибко следовать за изменениями скорости ветра, их не отмечают быстрых колебаний инерцией не могут быстрыми счетчики проходимого ветром пути; масса вращающихся частей этих приборов поэтому д. б. как можно меньше. Слабые воздушные течения не в состоянии преодолеть силы трения в зубчатых передачах этих приборов.

Анемометр фирмы Р. Фюс

Фирма Р. Фюс сконструировала для измерения ветра весьма незначительной скорости ветряное колесо (фиг. 8 и 9), приводимое в движение тонкой струей воздуха, действующей в направлении, противоположном направлению ветра.

Анемометр фирмы Р. Фюс

Вращающееся ветряное колесо реагирует на вызываемый ветром вращающий момент противоположного знака тем, что теряет часть скорости вращения; т. о. этот прибор дает возможность производить измерения, совершенно избегая влияния сил трения в зубчатых передачах. Метод определения скорости ветра шаром-пилотом дает значения определяемых величин только для тех высот, которые были им достигнуты через промежутки в 1 минуту. Приборы, основанные на изменении сопротивлений проводника электрического тока, для удовлетворительной работы требуют ток постоянной силы. В приборах для определения давления ветра собственные колебания системы (вибрации) могут дать ошибочные результаты. Флюгера прежних конструкций страдают неудовлетворительной обтекаемостью форм.

Существует множество разнообразных конструкций анемометров, изготовленных и представленных в научных обсерваториях лишь в одном экземпляре. Литература об анемометрах (обычно об этих единственных экземплярах не упоминающая) весьма обширна.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 1 - 1927 г.

Еще по теме: