Anemometr - Anemometer - Wikipedia

Polokulovitý anemometr pohárku typu vynalezeného v roce 1846 autorem John Thomas Romney Robinson.

An anemometr je zařízení používané k měření rychlost větru a směr. Je to také běžné meteorologická stanice nástroj. Termín je odvozen z řeckého slova anemos, což znamená vítr a je používán k popisu jakéhokoli rychloměru používaného v meteorologie. První známý popis anemometru poskytl Leon Battista Alberti v roce 1450.

Dějiny

Anemometr se od svého vývoje v 15. století změnil jen málo. Leon Battista Alberti (1404–1472) údajně vynalezl první mechanický anemometr kolem roku 1450. V následujících stoletích mnoho dalších, včetně Robert Hooke (1635–1703), vyvinuli své vlastní verze, přičemž někteří byli mylně považováni za vynálezce. V roce 1846 John Thomas Romney Robinson (1792–1882) vylepšil design pomocí čtyř polokulovitých kalíšků a mechanických koleček. V roce 1926 kanadský meteorolog John Patterson (3. ledna 1872 - 22. února 1956) vyvinul anemometr se třemi šálky, který v roce 1935 vylepšili Brevoort a Joiner. V roce 1991 Derek Weston přidána možnost měřit směr větru. V roce 1994 Andreas Pflitsch vyvinul sonický anemometr.[1]

Rychlostní anemometry

Pohárkové anemometry

Animace pohárkového anemometru

Jednoduchý typ anemometru vynalezl v roce 1845 Rev Dr John Thomas Romney Robinson, z Observatoř Armagh. Skládalo se ze čtyř polokulovitý poháry namontované na vodorovných ramenech, které byly namontovány na vertikální hřídeli. Proud vzduchu kolem misek v jakémkoli horizontálním směru otáčel hřídel rychlostí, která byla zhruba úměrná rychlosti větru. Počítání otáček hřídele v nastaveném časovém intervalu proto vedlo k hodnotě úměrné průměrné rychlosti větru pro široký rozsah rychlostí. Nazývá se také rotační anemometr.

Na anemometru se čtyřmi kalíšky je dobře vidět, že protože kalíšky jsou uspořádány symetricky na konci paží, vítr má vždy prohlubeň jednoho šálku a fouká na zadní straně šálku na opačném konec kříže. Protože dutá polokoule má součinitel odporu vzduchu 0,38 na kulové straně a 1,42 na duté straně,[2] více síly je generováno na kalíšek, který představuje svou dutou stranu větru. Kvůli této asymetrické síle je točivý moment generován na ose anemometru, což způsobuje jeho rotaci.

Teoreticky by rychlost otáčení anemometru měla být úměrná rychlosti větru, protože síla vytvářená na objekt je úměrná rychlosti kapaliny, která kolem něj proudí. V praxi však na rychlost otáčení mají vliv další faktory, včetně turbulence vyvolané zařízením, zvýšení odporu proti kroutícímu momentu, který je vytvářen kalíšky a podpěrnými rameny, a tření upevňovacího bodu. Když Robinson poprvé navrhl svůj anemometr, tvrdil, že poháry se pohybovaly o třetinu rychlosti větru, aniž by byly ovlivněny velikostí poháru nebo délkou paže. To bylo zřejmě potvrzeno některými časnými nezávislými experimenty, ale bylo to nesprávné. Místo toho poměr rychlosti větru a rychlosti šálků, faktor anemometru, závisí na rozměrech košíčků a paží a může mít hodnotu mezi dvěma a něco málo přes tři. Každý předchozí experiment zahrnující anemometr musel být po objevení chyby opakován.

Anemometr se třemi šálky vyvinutý Kanaďanem John Patterson v roce 1926 a následná vylepšení poháru společností Brevoort & Joiner ze Spojených států v roce 1935 vedla k designu poháněného kola s téměř lineární odezvou a měla chybu menší než 3% až do rychlosti 97 km / h. Patterson zjistil, že každý pohár vytvářel maximální točivý moment, když byl pod úhlem 45 ° k proudu větru. Anemometr se třemi miskami měl také konstantní točivý moment a reagoval rychleji na poryvy než anemometr se čtyřmi miskami.

Anemometr se třemi miskami byl dále upraven australským Dr. Derekem Westonem v roce 1991 pro měření jak směru větru, tak rychlosti větru. Weston přidal značku k jednomu šálku, což způsobí, že se rychlost kolečka zvyšuje a snižuje, jak se značka pohybuje střídavě s a proti větru. Směr větru se počítá z těchto cyklických změn rychlosti poháněného kola, zatímco rychlost větru se určuje z průměrné rychlosti poháněcího kola.

Anemometry se třemi šálky se v současné době používají jako průmyslový standard pro hodnocení větrných zdrojů studie a praxe.

Lopatkové anemometry

Jednou z dalších forem anemometru mechanické rychlosti je lopatkový anemometr. Lze jej popsat jako a větrný mlýn nebo vrtulový anemometr. Na rozdíl od Robinsonova anemometru, jehož osa otáčení je svislá, musí mít lamelový anemometr svou osu rovnoběžnou se směrem větru, a tedy vodorovnou. Kromě toho, protože vítr se mění ve směru a osa musí sledovat jeho změny, a větrná korouhvička nebo musí být použit nějaký jiný lstí ke splnění stejného účelu.

A lopatkový anemometr kombinuje tak vrtuli a ocas na stejné ose pro získání přesných a přesných měření rychlosti a směru větru ze stejného nástroje.[3] Rychlost ventilátoru se měří otáčkoměrem a pomocí elektronického čipu se převádí na rychlost větru. Proto je možné vypočítat objemový průtok, pokud je známá plocha průřezu.

V případech, kdy je směr pohybu vzduchu vždy stejný, jako ve ventilačních šachtách dolů a budov, se používají větrné lopatky známé jako vzduchoměry, které poskytují uspokojivé výsledky.[4]

  • Lopatkové anemometry

  • Lopatkový styl anemometru

  • Helicoid vrtulový anemometr zahrnující a větrná korouhvička pro orientaci

  • Ruční nízkorychlostní lopatkový anemometr

  • Ruční digitální anemometr nebo anometr Byram.

Anemometry s horkým drátem

Senzor horkého drátu

Anemometry s horkým drátem používají jemný drát (řádově několik mikrometrů), který je elektricky zahříván na určitou teplotu nad okolním prostředím. Vzduch proudící kolem drátu drát ochladí. Protože elektrický odpor většiny kovů závisí na teplotě kovu (wolfram je populární volbou pro horké dráty), lze získat vztah mezi odporem drátu a rychlostí proudění.[5] Ve většině případů je nelze použít k měření směru větru, pokud nejsou spojeny s větrnou lopatkou.

Existuje několik způsobů, jak to implementovat, a zařízení hot-wire lze dále klasifikovat jako CCA (konstantní proud anemometr), CVA (konstantní napětí anemometr) a CTA (anemometr s konstantní teplotou). Napěťový výstup z těchto anemometrů je tedy výsledkem nějakého druhu obvodu v zařízení, který se snaží udržovat konstantní specifickou proměnnou (proud, napětí nebo teplota), Ohmův zákon.

Navíc PWM (pulzní šířková modulace ) používají se také anemometry, přičemž rychlost je odvozena z časové délky opakujícího se pulzu proudu, který přivede vodič na specifikovaný odpor a poté se zastaví, dokud není dosaženo prahové hodnoty „floor“, kdy je puls odeslán znovu .

Anemometry s horkým drátem, i když jsou extrémně jemné, mají extrémně vysokou frekvenční odezvu a jemné prostorové rozlišení ve srovnání s jinými metodami měření, a jako takové jsou téměř všeobecně používány pro podrobné studium turbulentních toků nebo jakéhokoli toku, ve kterém jsou rychlé fluktuace rychlosti zájem.

Průmyslovou verzí jemnozrnného anemometru je měřič tepelného toku, který sleduje stejný koncept, ale ke sledování kolísání teploty používá dva kolíky nebo řetězce. Řetězce obsahují jemné dráty, ale zapouzdření vodičů je činí mnohem odolnějšími a schopnými přesně měřit proudění vzduchu, plynu a emisí v potrubích, potrubích a komínech. Průmyslové aplikace často obsahují nečistoty, které poškodí klasický anemometr s horkým drátem.

Výkres laserového anemometru. Laserové světlo je vyzařováno (1) přední čočkou (6) anemometru a je zpětně odraženo od molekul vzduchu (7). Zpětně rozptýlené záření (tečky) znovu vstupuje do zařízení a je odraženo a směrováno do detektoru (12).

Laserové dopplerovské anemometry

v laserová Dopplerova velocimetrie, laserové dopplerovské anemometry používají paprsek světla z a laser která je rozdělena na dva paprsky, přičemž jeden se šíří ven z anemometru. Částice (nebo záměrně zavedený semenný materiál) proudící spolu s molekulami vzduchu poblíž místa, kde paprsek vystupuje, odrážejí nebo zpětně rozptylují světlo zpět do detektoru, kde se měří vzhledem k původnímu laserovému paprsku. Když jsou částice ve velkém pohybu, produkují a Dopplerův posun pro měření rychlosti větru v laserovém světle, které se používá k výpočtu rychlosti částic, a tedy vzduchu kolem anemometru.[6]

2D ultrazvukový anemometr se 3 cestami

Ultrazvukové anemometry

3D ultrazvukový anemometr

Ultrazvukové anemometry, poprvé vyvinuté v 50. letech, používají ultrazvukové zvukové vlny k měření rychlosti větru. Měří rychlost větru na základě doby letu zvukových pulzů mezi páry měniče. Měření z dvojic převodníků lze kombinovat, čímž se získá měření rychlosti v 1, 2 nebo 3-dimenzionálním toku. The prostorové rozlišení je dána délkou dráhy mezi měniči, která je obvykle 10 až 20 cm. Ultrazvukové anemometry mohou provádět měření velmi jemně časové rozlišení, 20 Hz nebo lepší, díky čemuž se na ně dobře hodí turbulence Měření. Nedostatek pohyblivých částí je činí vhodnými pro dlouhodobé použití v exponovaných automatizovaných meteorologických stanicích a meteorologických bójkách, kde je přesnost a spolehlivost tradičních anemometrů typu cup-and-lamele nepříznivě ovlivněna slaným vzduchem nebo prachem. Jejich hlavní nevýhodou je zkreslení proudění vzduchu strukturou nesoucí měniče, což vyžaduje korekci na základě měření v aerodynamickém tunelu, aby se účinek minimalizoval. Mezinárodní standard pro tento proces, ISO 16622 Meteorologie - Ultrazvukové anemometry / teploměry - Metody přejímací zkoušky pro měření středního větru je v obecném oběhu. Další nevýhodou je nižší přesnost v důsledku srážek, kde se mohou srážky lišit rychlost zvuku.

Protože rychlost zvuku se mění s teplotou a je prakticky stabilní při změně tlaku, používají se také ultrazvukové anemometry teploměry.

Dvourozměrné (rychlost a směr větru) sonické anemometry se používají v aplikacích, jako jsou meteorologické stanice, lodní navigace, letectví, počasí bóje a větrné turbíny. Monitorování větrných turbín obvykle vyžaduje obnovovací frekvenci měření rychlosti větru 3 Hz,[7] snadno dosažitelné sonickými anemometry. Trojrozměrné zvukové anemometry se široce používají k měření emisí plynů a toků ekosystémů pomocí vířivá kovariance metoda při použití s ​​rychlou odezvou infračervené analyzátory plynů nebo laser - analyzátory na bázi.

Dvourozměrné snímače větru jsou dvou typů:

  • Dvě cesty ultrazvuku: Tyto senzory mají čtyři ramena. Nevýhodou tohoto typu senzoru je, že když vítr přichází ve směru cesty ultrazvuku, ramena narušují proudění vzduchu, což snižuje přesnost výsledného měření.
  • Tři cesty ultrazvuku: Tyto senzory mají tři ramena. Poskytují jednu cestu redundance měření, která zlepšuje přesnost snímače a snižuje aerodynamické turbulence.

Akustické rezonanční anemometry

Akustický rezonanční anemometr

Akustické rezonanční anemometry jsou novější variantou sonického anemometru. Tato technologie byla vynalezena Savvasem Kapartisem a patentována v roce 1999.[8] Zatímco konvenční sonické anemometry se spoléhají na měření času letu, senzory akustické rezonance používají k provádění svého měření rezonující akustické (ultrazvukové) vlny v malé účelové dutině.

Princip akustické rezonance

V dutině je zabudována řada ultrazvukových měničů, které se používají k vytváření samostatných vzorů stojatých vln na ultrazvukových frekvencích. Jak vítr prochází dutinou, dochází ke změně vlastnosti vlny (fázový posun). Měřením množství fázového posuvu v přijatých signálech každým měničem a následným matematickým zpracováním dat je senzor schopen poskytovat přesné horizontální měření rychlosti a směru větru.

Technologie akustické rezonance umožňuje měření v malé dutině, proto mají senzory obvykle menší velikost než jiné ultrazvukové senzory. Díky malé velikosti anemometrů akustické rezonance jsou fyzicky silné a snadno se zahřívají, a proto jsou odolné vůči námraze. Tato kombinace funkcí znamená, že dosahují vysoké úrovně dostupnosti dat a jsou vhodné pro řízení větrných turbín a pro další použití, které vyžadují malé robustní senzory, jako je meteorologie bojiště. Jedním z problémů tohoto typu snímače je přesnost měření ve srovnání s kalibrovaným mechanickým snímačem. U mnoha koncových použití je tato slabost kompenzována životností senzoru a skutečností, že po instalaci nevyžaduje opětovnou kalibraci.

Anemometry s pingpongovými míčky

Běžný anemometr pro základní použití je sestaven z a pingpongová koule připojený k provázku. Když vítr fouká vodorovně, tlačí na a pohybuje míčem; protože pingpongové míčky jsou velmi lehké, snadno se pohybují ve slabém větru. Měření úhlu mezi přístrojem s kuličkami a svislicí poskytuje odhad rychlosti větru.

Tento typ anemometru se většinou používá pro výuku na střední škole, kterou si většina studentů vyrábí sama, ale podobné zařízení bylo také letecky převezeno na Phoenix Mars Lander.[9]

Tlakové anemometry

Britannia Yacht Club prohlídka klubovny, burgee a měřidlo větru na střeše

První návrhy anemometrů, které měří tlak, byly rozděleny do tříd desek a trubek.

Deskové anemometry

Jedná se o první moderní anemometry. Skládají se z ploché desky zavěšené nahoře, takže ji vítr vychýlí. V roce 1450 vynalezl italský umělecký architekt Leon Battista Alberti první mechanický anemometr; v roce 1664 jej znovu vynalezl Robert Hooke (který je často mylně považován za vynálezce prvního anemometru). Pozdější verze této formy sestávala z ploché desky, buď čtvercové nebo kruhové, která je udržována kolmo k větru pomocí větrné lopatky. Tlak větru na jeho tvář je vyvážen pružinou. Stlačení pružiny určuje skutečnou sílu, kterou vítr působí na desku, a to se odečte na vhodném měřidle nebo na zapisovači. Přístroje tohoto druhu nereagují na slabý vítr, jsou nepřesné pro vysoké hodnoty větru a reagují pomalu na proměnlivé větry. Deskové anemometry byly použity ke spuštění alarmů silného větru na mostech.

Trubkové anemometry

Trubkový anemometr vynalezl William Henry Dines. Pohyblivá část (vpravo) je namontována na pevnou část (vlevo).
Nástroje na Mount Washington Observatory. Statický anemometr s Pitotovou trubicí je vpravo.
Špičatá hlava je port Pitot. Malé otvory jsou připojeny ke statickému portu.

James Lind Anemometr z roku 1775 sestával ze skleněné U trubice obsahující kapalinu manometr (tlakoměr), s jedním koncem ohnutým ve vodorovném směru směrem k větru a druhým svislým koncem zůstává rovnoběžný s proudem větru. Ačkoli Lind nebyl první, byl to nejpraktičtější a nejznámější anemometr tohoto typu. Pokud vítr fouká do ústí trubice, způsobí to zvýšení tlaku na jedné straně manometru. Vítr přes otevřený konec vertikální trubice způsobuje malou změnu tlaku na druhé straně manometru. Výsledný výškový rozdíl ve dvou ramenech trubice U je údajem o rychlosti větru. Přesné měření však vyžaduje, aby rychlost větru byla přímo do otevřeného konce trubice; malé odchylky od skutečného směru větru způsobují velké odchylky ve čtení.

Úspěšný anemometr s kovovou tlakovou trubicí od Williama Henryho Dinesa v roce 1892 využil stejný tlakový rozdíl mezi otevřeným ústí rovné trubky obrácené k větru a prstencem malých otvorů ve svislé trubce, která je na horním konci uzavřena. Oba jsou namontovány ve stejné výšce. Rozdíly tlaků, na kterých akce závisí, jsou velmi malé a pro jejich registraci jsou zapotřebí speciální prostředky. Zapisovač se skládá z plováku v uzavřené komoře částečně naplněné vodou. Trubka z přímé trubky je připojena k horní části uzavřené komory a trubka z malých trubek je směrována do dna uvnitř plováku. Jelikož tlakový rozdíl určuje svislou polohu plováku, jedná se o míru rychlosti větru.[10]

Velká výhoda trubicového anemometru spočívá ve skutečnosti, že exponovaná část může být namontována na vysoký pól a nevyžaduje po celá léta žádné mazání ani pozornost; a registrační část lze umístit do jakékoli vhodné polohy. Jsou vyžadovány dvě spojovací trubky. Na první pohled by to mohlo vypadat, jako by jedno připojení posloužilo, ale rozdíly v tlaku, na kterých tyto nástroje závisí, jsou tak malé, že je třeba vzít v úvahu tlak vzduchu v místnosti, kde je umístěna záznamová část. Pokud tedy přístroj závisí pouze na tlaku nebo sacím účinku a tento tlak nebo sání se měří proti tlaku vzduchu v běžné místnosti, ve které jsou pečlivě zavřeny dveře a okna a komín je spálen novinami, je to účinek může být produkován ve větru 16 mi / h; a otevření okna za nepříznivého počasí nebo otevření dveří může úplně změnit registraci.

Zatímco anemometr Dines měl chybu pouze 1% při rychlosti 10 km / h (16 km / h), nereagoval příliš dobře na slabý vítr kvůli špatné odezvě lopatky s plochou deskou potřebnou k otočení hlavy do větru. V roce 1918 tento problém překonala aerodynamická lopatka s osminásobným točivým momentem ploché desky.

Statické anemometry Pitotovy trubice

Moderní trubkové anemometry používají stejný princip jako v anemometru Dines, ale používají jiný design. Implementace používá a pitot-statická trubice což je Pitotova trubice se dvěma porty, pitotovým a statickým, která se běžně používá k měření rychlosti letu letadel. Port Pitot měří dynamický tlak otevřeného ústí trubice se špičatým větrem směřujícím k hlavě a statický port měří statický tlak z malých otvorů podél strany na této trubce. Pitotova trubice je spojena s ocasem tak, aby vždy vedla trubici k větru. Trubka je navíc předehřátá jinovatka tvorba na trubici.[11] Od trubice dolů k zařízením jsou dvě potrubí pro měření rozdílu v tlaku těchto dvou vedení. Měřicí zařízení mohou být manometry, převodníky tlaku nebo analog zapisovače grafů.[12]

Vliv hustoty na měření

V trubicovém anemometru se ve skutečnosti měří dynamický tlak, ačkoli stupnice je obvykle odstupňována jako stupnice rychlosti. Pokud se skutečná hustota vzduchu liší od kalibrační hodnoty, je kvůli rozdílné teplotě, nadmořské výšce nebo barometrickému tlaku nutná korekce pro získání skutečné rychlosti větru. Přibližně 1,5% (1,6% nad 6 000 stop) by mělo být přidáno k rychlosti zaznamenané trubicovým anemometrem na každých 1000 stop (5% na každý kilometr) nad hladinou moře.

Účinek námrazy

Na letištích je nezbytné mít přesné údaje o větru za všech podmínek, včetně mrznoucích srážek. Anemometrie je také vyžadována při monitorování a řízení provozu větrných turbín, které jsou v chladném prostředí náchylné k tvorbě námrazy v oblacích. Námraza mění aerodynamiku anemometru a může jej zcela zablokovat. Proto musí být anemometry používané v těchto aplikacích vnitřně vyhřívané.[13] Oba anemometry a sonické anemometry jsou v současné době k dispozici s vyhřívanou verzí.

Umístění nástroje

Aby byla rychlost větru srovnatelná od místa k místu, je třeba vzít v úvahu vliv terénu, zejména s ohledem na výšku. Další úvahy jsou přítomnost stromů, a to jak přírodních kaňonů, tak umělých kaňonů (městské budovy). Standardní výška anemometru v otevřeném venkovském terénu je 10 metrů.[14]

Viz také

Poznámky

  1. ^ „Historie anemometru“. Logická energie. 18. 06. 2012.
  2. ^ Dynamický odpor kapaliny Sigharda Hoernera, 1965, s. 3–17, obrázek 32. (str. 60 z 455)
  3. ^ Světová meteorologická organizace. "Lopatkový anemometr". Eumetcal. Archivovány od originál dne 8. dubna 2014. Citováno 6. dubna 2014.
  4. ^ Různé (01.01.2018). Encyclopaedia Britannica, 11. vydání, svazek 2, část 1, řez 1. Prabhat Prakashan.
  5. ^ „Vysvětlení anemometru horkým drátem“. eFunda. Archivováno z původního dne 10. října 2006. Citováno 18. září 2006.
  6. ^ Iten, Paul D. (29. června 1976). „Laserový Dopplerův anemometr“. Úřad pro patenty a ochranné známky Spojených států. Citováno 18. září 2006.
  7. ^ Giebhardt, Jochen (20. prosince 2010). „Kapitola 11: Systémy a techniky pro sledování stavu větrných turbín“. In Dalsgaard Sørensen, John; N Sørensen, Jens (eds.). Systémy větrné energie: Optimalizace designu a konstrukce pro bezpečný a spolehlivý provoz. Elsevier. 329–349. ISBN  9780857090638.
  8. ^ Kapartis, Savvas (1999) „Anemometr využívající stojatou vlnu od normálního k proudění tekutiny a pohyblivou vlnu od normálního k stojatému vlnění“ US patent 5 877 416
  9. ^ „Projekt Telltale.“ Archivováno 20. února 2012 v Wayback Machine
  10. ^ Dines, W. H. (1892). „Srovnání anemometru“. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 18 (83): 168. Bibcode:1892QJRMS..18..165D. doi:10,1002 / qj.4970188303. Citováno 14. července 2014.
  11. ^ „Instrumentation: Pitot Tube Static Anemometer, Part 1“. Mt. Washingtonská observatoř. Archivovány od originál dne 14. července 2014. Citováno 14. července 2014.
  12. ^ „Instrumentation: Pitot Tube Static Anemometer, Part 2“. Mt. Washingtonská observatoř. Archivovány od originál dne 14. července 2014. Citováno 14. července 2014.
  13. ^ Makkonen, Lasse; Lehtonen, Pertti; Helle, Lauri (2001). „Anemometrie v podmínkách námrazy“. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 18 (9): 1457. Bibcode:2001JAtOT..18.1457M. doi:10.1175 / 1520-0426 (2001) 018 <1457: AIIC> 2.0.CO; 2. Zdarma ke čtení
  14. ^ Oke, Tim R. (2006). „3.5 Rychlost a směr větru“ (PDF). Počáteční pokyny k získání reprezentativních meteorologických pozorování na městských lokalitách. Přístroje a metody pozorování. 81. Světová meteorologická organizace. 19–26. Citováno 4. února 2013.

Reference

  • Meteorologické přístroje, W.E. Knowles Middleton a Athelstan F. Spilhaus, třetí vydání revidováno, University of Toronto Press, Toronto, 1953
  • Vynález meteorologických nástrojů, W. E. Knowles Middleton, The Johns Hopkins Press, Baltimore, 1969

externí odkazy