Повна версія

Головна arrow Екологія arrow Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ВІТРУ

Анемометри

Прилади, що визначають швидкість руху повітряних потоків, називаються анемометрами. Принцип дії полягає в перетворенні енергії поступального руху повітря в механічне обертання різноманітних вертушок, вітрових коліс або гвинтів [Посудін, 2011; Posudin, 2011].

Найпоширенішими є анемометри чашечкового та пропелерного типів.

Анемометр чашечкового типу складається з трьох-чотирьох півсферичних чашок, що обертаються навколо осі, перпендикулярній напрямку вітру (рис. 4.1).

Анемометр чашечкового типу

Рис. 4.1. Анемометр чашечкового типу

Якщо та є коефіцієнтами зчеплення з повітрям увігнутої та опуклої поверхонь чашок відповідно, то сили, що діють на діаметрально протилежні чашки (рис. 4.2), визначаються за виразом [Guyot, 1998]:

(4.1)

(4.2)

де υ – швидкість вітру, м/с; υt тангенціальна швидкість чашки, що обертається, м/с; р – густина повітря, кг/м3; S – площа поперечного перерізу чашки, м, індекси ''у” і “о” відповідають увігнутій та опуклій поверхням чашок відповідно.

Обертальна швидкість системи, що знаходиться у рівновазі з повітряним потоком, передбачає рівність сил та , звідки:

(4.3)

Розв'язання останнього рівняння відносно υ, призводить до виразу:

(4.4)

Сили, що діють на чашки анемометра

Рис. 4.2. Сили, що діють на чашки анемометра

Для перетворення механічних обертань у сигнал, що інформує відносно швидкості вітру, використовують електричні генератори, оптоелектричні або ємнісні перетворювачі. Перевагою чашечкових анемометрів є лінійна залежність швидкості υ, від швидкості вітру о, за умову, що коефіцієнти зчеплення є сталими (для анемометрів чашечкового типу ця умова виконується). Порогова чутливість чашечкового анемометра становить від 90 мм/с до 2,24 м/с. Анемометри цього типу прості та чутливі.

Анемометр пропелерного типу містить три- чотирилопатевий пропелер, вісь якого показує напрямок вітру (рис. 4.3).

Залежність швидкості обертання лопаті υ, від швидкості вітру ό має вигляд:

(4.5)

де – кут нахилу лопаті пропелера відносно осі обертання; k – коефіцієнт, що залежить від конструкції пропелера ().

Якщо вибрати кут нахилу лопаті , то і тангенціальна швидкість руху лопаті приблизно дорівнює швидкості руху вітру. Гранична чутливість пропелерного анемометра становить 1,1 м/с. Ці прилади використовують для вимірювання швидкості вітру до 90 м/с. Перевагою анемометра пропелерного типу порівняно з чашечковим є його мала вага (пропелер може бути виготовлений з пластмаси), у три рази більша швидкість обертання і здатність вимірювань слабких повітряних потоків.

Анемометр пропелерного типу

Рис. 4.3. Анемометр пропелерного типу

Термоанемометр

Прилад оснований на реєстрації впливу повітряного потоку на температуру нагрітої тонкої вольфрамової або платинової нитки товщиною близько кількох мікрометрів. Принцип дії приладів цього типу описується законом Юнга: тепловий потік, яким обмінюється циліндр, нагрітий до температури, що перевищує температуру навколишнього повітря, з повітряним потоком, який рухається зі швидкістю υ, дорівнює [King, 1914]:

(4.6)

де – різниця температур циліндра та повітря, К; а і b – константи, що залежать від розмірів циліндра; п – коефіцієнт, близький до одиниці.

Розглянемо провідник опором , що перебуває при температурі навколишнього повітря. Внаслідок нагрівання провідника до температури опір провідника становить . Згідно з законом Джоуля-Ленца кількість теплоти, що виділяється провідником за одиницю часу, дорівнює:

(4.7)

де І – електричний струм.

Поєднуючи вирази (4.6 ) та ( 4.7 ), отримуємо:

(4.8)

На практиці частіше використовують рівняння, що враховує зміну опорів, а не температур. Дійсно, використовуючи співвідношення:

(4.9)

де α і β – температурні коефіцієнти опору.

Нехтуючи членами другого порядку, отримуємо:

(4.10)

де і – нові константи.

Анемометри цього типу чутливі до зміни як швидкості вітру, так і температури. Типову схему термоанемометра наведено на рис. 4.4.

Типова схема термоанемометра

Рис. 4.4. Типова схема термоанемометра

 
<<   ЗМІСТ   >>