Анемометры – это инструменты, разработанные для определения скорости движения воздуха. Они — незаменимая часть климатологического и метеорологического оборудования, и нашли применение во многих отраслях. История их развития насчитывает не одну сотню лет и уходит корнями в доисторические времена. Рассмотрим их подробнее, начиная с момента изобретения, и узнаем, что такое анемометр, какие его области применения, разновидности, а также функционал .
Время чтения: 13 минут
История создания
С раннего этапа своего развития, людям потребовалось измерять скорость, а также силу ветра. Цели были различны: военное дело, судоходство, метеорологические прогнозы. Однако первые попытки оценки ветра были далеки от современных технологий. Сначала в качестве датчиков силы ветра и его направления использовали элементы природы (деревья, трава), затем примитивные конструкции: мельницы, веретена и флаги.
В 1450 году итальянский ученый Леонардо да Винчи предложил свой вариант анемометра, который основывался на вращении горизонтального круга с прикрепленными к нему лентами или перьями. Этот дизайн послужил основой для многих последующих изобретений.
С появлением научных метрологических методов и технического прогресса в XIX веке, стали разрабатываться более надежные и точные конструкции. Один из первых известных анемометров был создан в 1846 году английским инженером Джоном Томасом Робинсоном. Он использовал систему из вращающихся чашечек для измерения скорости ветра. С течением времени приборы измерения скорости и направления ветра стали более совершенными и эффективными, это помогло получить от них более точные данные замеров.
Назначение
Анемометр — это прибор для измерения скорости ветра , а также других характеристик воздушного потока. Другое их название – ветромеры, и они получили большое распространение во многих сферах, включая промышленности отрасли:
- В метеорологии их используют для сбора данных о погоде, что помогает при прогнозировании погодных явлений и мониторинге климатических изменений.
- На аэродромах их устанавливают для контроля безопасности полетов и навигации авиации.
- На судах и морских станциях они служат для контроля погодных условий, делая безопаснее навигацию и управление кораблями.
- В строительной индустрии их применяются для оценки ветровых нагрузок на строительные конструкции, такие как небоскребы, мосты, а также антенные комплексы и башни.
- В энергетике, на ветряных электрических станциях они необходимы для определения того, насколько эффективно используется ветер для генерации электроэнергии.
- В сельском хозяйстве помогают фермерам оптимизировать условия полива, контролировать распыление удобрений и защищать культуры от вредителей.
Виды и принцип работы
Существует несколько видов ветромеров, каждый из них отличается конструктивно, принципом регистрации, а также областью применения. Выделяют: механические, тепловые, лазерные, ультразвуковые, а также акустическо-резонансные версии.
Механические
Они одни из самых распространённых, имеют высокую надежность, а также простую конструкцию. К механическим анемометрам относят чашечные, а также крыльчатые типы приборов.
Чашечные
Это классические устройства, состоящие из трех или четырех полусфер, или конусов «чашек», установленных на вращающейся оси. Она соединена с регистрирующим устройством, преобразующим момент вращения вала в доступный к восприятию сигнал, выраженный в определенных единицах.
Принцип работы анемометра базируется на оценке угловой скорости вращения вала, которая создается потоком воздуха, попадающим на чашки устройства. Интенсивность ветра и вращения пропорциональны, что позволяет проводить замеры с точностью до 3%.
К недостаткам такой конструкции относятся высокий момент трогания, большая инертность, а также массивность всей конструкции. Однако это компенсируется высочайшей надежностью, прочностью, а также способностью к замерам больших ветровых нагрузок.
Крыльчатые
Лопастные или крыльчатке конструкции не менее популярны. Рабочая часть в них состоит из нескольких лопастей, так же как у вентилятора.
Принцип работы крыльчатого анемометра аналогичен «чашечному». На лопасти воздействует движущийся воздух — благодаря своей наклонной форме они не только создают определенное сопротивление, но, проворачиваясь, пропускают воздух через себя. Возникающее вращение передается на механический или электрический преобразователь, распознается и индицируется на приборе.
Корректируя форму лопасти, её наклон, а также площадь поверхности, конструкторы могут изменять чувствительность устройства.
В этих моделях сочетаются: компактность, малый момент страгивания, высокая чувствительность, позволяющая измерять неоднородный поток. Ключевой недостаток — необходимость точно направлять прибор по направлению воздушного потока.
Способы преобразования вращения в информацию
Довольно длительное время использовались механические преобразователи. Одним из простейших решений было использование механических счетчиков, а также стрелочных индикаторов. При их помощи учитывалась скорость совершаемых оборотов, а механический преобразователь обеспечивал вывод информации.
В настоящее время для наглядного представления об измеренном параметре используются жидкокристаллические или электронные экраны. Для преобразования интенсивности вращения лопастей в электрический сигнал используют электромашины (генераторы), а ещё — оптические или магнитные датчики. Это позволило не только сделать измерения гораздо точнее, но также выполнять расчеты, анализ, регистрацию получаемой информации.
Ультразвуковые
Этот вид устройств использует ультразвук (УЗ) как средство оценки направления и скорости распространения ветра. Они работают на различии в скорости прохождения ультразвука в подвижной среде. Прибор имеет четное число ультразвуковых сенсоров, непрерывно посылающих сигналы в прямом и обратном направлениях. В зависимости от требуемой точности используют две или три пары сенсоров. Контроллер автоматически регистрирует все различия в интенсивности прохождения ультразвука от комплекса детекторов, анализирует их и рассчитывает направление ветра.
Ультразвуковые анемометры отличаются высокой точностью измерений, надежностью, а также длительным сроком службы. Из недостатков стоит отметить только большие габариты, что не позволяет сооружать компактные автономные устройства.
Тепловые
В конструкции термоанемометров задействованы нагревательный элемент в сочетании с термодатчиком. Нагревание осуществляется нитями из металлов с положительным температурным коэффициентом сопротивления — серебра или нихрома, однако чаще их производят из вольфрама.
Работает такой тепловой анемометр на оценке термических конвективных потерь охлаждаемого потоком воздуха нагревательного элемента. Скорость охлаждения напрямую зависит от интенсивности ветра, его плотности, а также влажности.
Термоанемометры – это устройства с низкой инерционностью, что позволяет применять их для оценки турбулентных потоков. Однако они отличаются низкой механической прочностью нагреваемой нити, чувствительностью к образующихся на ней окислах, а также иным загрязнениям. Также такие модели не способны определять направление ветра.
Лазерные
Это специализированные устройства, использующие доплеровский эффект. Так как воздушные массы прозрачны лазерному излучению, то для эффективного измерения нужно вносить дополнительные мелкодисперсионные вещества, обладающие высокой отражающей способностью.
Среди преимуществ таких моделей нужно отметить выполнение высокоточных замеров дистанционно, а также возможность детального анализа плотности потока и распределения в нем частиц. К недостаткам относят громоздкость, высокое энергопотребление, а также необходимость внесения светоотражающих материалов.
Дополнительный функционал
Ветромеры, помимо основной функции измерения скорости ветра, имеют дополнительный функционал, который расширяет их применимость, делает их более удобными для выполнения конкретных задач. Вот некоторые из доступных функций:
Измерение направления ветра
Некоторые приборы (называемые ветроуказывающими ветромерами) измеряют не только скорость, но также и направление потока воздуха. Это полезно, так как помогает при полном анализе атмосферных условий.
Измерение дополнительных параметров
Сюда входят замеры дополнительных атмосферных характеристик: температуры и влажности. Оценка таких параметров полезно во многих отраслях: от строительства до сельского хозяйства.
Хранение данных
Многие современные ветромеры оснащены встроенной памятью для архивации результатов. Они могут сохранять выполненные замеры за определенные временные интервалы или при возникновении некоторых событий, таких как внезапное увеличение скорости. Это удобно для последующего анализа.
Передача данных на ПК
Продвинутые модели способы передавать выполненные замеры по проводам или беспроводному подключению на компьютеры или смартфоны. Это позволяет операторам мониторить и анализировать данные в реальном времени даже на расстоянии.
Анализ данных
Часть ветромеров могут анализировать данные на месте, предоставляя дополнительные параметры об измеренном потоке: например, максимальное и минимальное значение скорости ветра, перерасчет между различными единицами измерения, определение направление потока, а также другие.
Устойчивость к экстремальным условиям
В определенных решениях, таких как ветряные турбины и метеорологические станции на высоте, ветромеры сооружаются с повышенной стойкостью к экстремальным погодным условиям, таким как ледяной дождь или сильные ветры.
Компактность
Для автономных, а также полевых исследований используют компактные анемометры, которые удобно переносить, а также использовать в труднодоступных местах.
Интерфейс пользователя
Приборы нередко имеют удобный пользовательский интерфейс с жидкокристаллическим дисплеем, который отображает текущие данные, а также позволяют настраивать параметры отображаемых измерений и при необходимости конвертировать их. Для жителей разных стран скорость движения воздуха измеряется в различных величинах. Так, в России и странах СНГ распространены метрические: км/ч, м/с. При этом Америка, а также ряд западноевропейских стран используют имперские: ft/s (фут в секунду), MPH (мили в час).
Защита от пыли и воды
В условиях с переменными погодными условиями ветромеры конструируются со степенью защиты от влаги и пыли в соответствии с международными стандартами, например, IP65.
Выбор дополнительных функций зависит от конкретных потребностей и задач, которые планируется решать с использованием ветромера.
Как выбрать анемометр
Ветромеры — это важные инструменты для оценки параметров воздуха, и их выбор может существенно повлиять на качество и точность замеров. Вот ключевые факторы, которые следует учесть при выборе ветромера:
- Цель использования. Первый шаг – это определить, зачем будет использоваться устройство. Разные отрасли и задачи требуют различных характеристик и спецификаций. Например, для нужд метеорологии важна высокая точность, а также способность работать при низких скоростях ветра. Для промышленных задач, таких как контроль ветрогенераторов или турбин, требуется долгосрочная надежность.
- Тип ветромеров. Существует несколько различных видов ветромеров, и выбор зависит от текущих целей и поставленных задач. Чашечные ветромеры просты в использовании и надежны, подходят для общих метеорологических наблюдений. Ультразвуковые модели точны и могут работать при различных условиях ветра. Лазерные работают на больших расстояниях, что оптимально для удаленных измерений. Термоанемометры предназначены для высокоточных замеров, а также использования в научных и инженерных исследованиях.
- Диапазон измерений. Так как разные модели имеют отличающиеся ограничения по спектру скоростей, то нужно сразу определить ожидаемый диапазон движения воздушных масс, которые придётся измерять. Убедитесь, что выбранный ветромер способен измерять ветровую нагрузку и полностью отвечает вашим требованиям.
- Точность. Она играет критическую роль во многих задачах. Удостоверьтесь, что ветромер достаточно точен, чтобы подходить для ваших целей. Также нужно обратить внимание на указанные в спецификациях показатели погрешности и сравнить их с необходимыми требованиями.
- Устойчивость к окружающей среде. Рабочие условия, в зависимости от области эксплуатации, могут сильно изменяться. Если нужно измерять ветер в агрессивной среде (например, на морском судне или в арктических условиях), то убедитесь, что прибор способен выдерживать эти условия.
- Надежность и долговечность. Долгосрочная надежность особенно важна при решении промышленных, а также научных задач. Оцените репутацию производителя, прочтите отзывы пользователей, чтобы узнать о надежности модели.
- Бюджет. Анемометры имеют большой диапазон цен, и нужно найти баланс между стоимостью и качеством. Помните, что инвестиция в более дорогое и надежное устройство может сэкономить деньги в будущем, поможет избежать необходимости замены.
При выборе ветромера учитывается цель его применения, тип, диапазон измерений, точность, устойчивость к окружающей среде, надежность, а также бюджет. Верно подобранный анемометр поможет вам получить точные и надежные измерения скорости ветра, что важно для многих решаемых задач.
