< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Ультразвуковий анемометр

Прилад цього типу використовує той факт, що ультразвук поширюється швидше у напрямку, в якому діє вітер. Звичайно ультразвуковий анемометр вимірює три компоненти вітрового вектора у тривимірному просторі (рис.4.5). Вздовж кожної осі розташовано дві пари “передавач-приймач” на відстані 0,1-0.5 м. Передавач посилає безперервні або імпульсні ультразвукові хвилі.

Залежно від напрямків поширення вітру з ультразвуковою хвилею час проходження хвилею відстані d між передавачем та приймачем визначається так:

(4.11)

де υуз швидкість поширення ультразвукової хвилі, м/с; υ1 – швидкість поширення проекції вектора вітру на вісь i, м/с.

Різниця в часі проходження відстані d між передавачем та приймачем двома ультразвуковими хвилями становить:

(4.12)

Орієнтацію перетворювачів відносно напрямку поширення вітру наведено на рис. 4.6.

Ультразвуковий анемометр

Рис. 4.5. Ультразвуковий анемометр

Орієнтація перетворювачів відносно напрямку поширення вітру

Рис. 4.6. Орієнтація перетворювачів відносно напрямку поширення вітру (U – швидкість поширення ультразвукової хвилі; V – швидкість поширення вітру; N – північ; S – південь; W – захід; Е – схід)

Методи дистанційного вимірювання параметрів вітру

Радіозонд

Радіозонд – пристрій, що використовується для вимірювання певних параметрів вітру і передачі інформації приймачем. Крім того, він містить сенсори температури, вологості та атмосферного тиску. Оцінювання горизонтального положення радіозонда відносно тієї точки, з якої він був запущений, здійснюється за допомогою радіолокатора або радара (від англ. RAdio Detection And Ranging – радіовиявлення та визначення дальності) – установки для виявлення і визначення місця розташування об'єктів методом радіолокації. Цей тип техніки дистанційного зондування передбачає використання електромагнітних хвиль в області від 0,1 см до 2 м (що відповідає частотам від 100 МГц до 50000 МГц). Об'єкт дослідження (радіозонд) опромінюється, а відбите випромінювання надає оперативну інформацію щодо координат радіозонда та параметрів вітру. Висота, яку досягає радіозонд, становить 20 км, а тривалість польоту – 90-120 хв.

Содар

Ультразвуковий анемометр, призначений для дистанційного вимірювання параметрів вітру, називають содаром (від англ. SOund Detection And Ranging). В основі роботи цього приладу лежить так званий ефект Допплера: при опромінюванні об'єкта, що рухається зі швидкістю υ, ультразвуковою хвилею певної довжини хвилі Λ відбувається розсіювання хвилі, причому частота (довжина хвилі) розсіяної ультразвукової хвилі залежить від швидкості руху об'єкта. Допплерівський зсув частоти ультразвукової хвилі, розсіяної під кутом Θ об'єктом, що рухається зі швидкістю υ, описується виразом:

(4.13)

де φ – кут між напрямком швидкості υ і напрямком поширення ультразвукової хвилі.

Содар, що розташований на земній поверхні, посилає ультразвукові імпульси угору (рис. 4.7).

Частота відбитих від атмосфери сигналів набуває допплерівського зсуву, величина якого пропорційна швидкості поширення вітру. Застосування содара дає можливість вимірювати параметри вітру через кожний кілометр висоти до 17 км над рівнем моря.

Швидкість вітру, яку вимірюють ультразвукові анемометри, досягає 30 м/с.

Недоліком ультразвукових анемометрів є залежність швидкості поширення ультразвуку від температури, вологості, атмосферного тиску, що потребує відповідного калібрування приладів.

Крім того, електронне обладнання підвищує вартість приладів цього типу.

Лідар

Лідар (від англ. Light Detection And Ranging) на відміну від содара генерує та реєструє лазерні імпульси. Принцип дії лідара під час дистанційного визначення параметрів вітру полягає у розсіюванні лазерного випромінювання на аерозолях повітря (пилу, краплинах води, частинках пилу або забруднень, пилку або кристалах солей), що рухаються зі швидкістю вітру, та подальшою реєстрацією допплерівського зсуву (див. розділ 26.7.3). Такі лазерні системи дозволяють вимірювати та оцінювати швидкість та напрямок руху вітру та турбулентність повітря на значних висотах.

Розроблені впродовж останніх років оптоволоконні лазерні системи характеризуються надзвичайно високою (10-12) чутливістю.

Супутники та ракети

Сучасні радіозонди визначають швидкість і напрямок вітру за допомогою системи глобального позиціонування GPS (англ. Global Positioning System) – сукупності радіоелектронних засобів, що

Содар

Рис. 4.7. Содар

визначають положення та швидкість руху об'єкта на поверхні Землі або в атмосфері.

Параметри повітряних потоків на великих висотах оцінюють за допомогою ракет. Так, у 2012 році Американська космічна агенція (NASA) запустила п'ять ракет з інтервалом 80 с для вивчення високошвидкісних потоків повітря у верхніх шарах атмосфери. Проект отримав назву ATREX (Anomalous Transport Rocket Experiment). Старт відбувся на території випробувального центру на острові Уоллопс у штаті Вірджинія.

На висоті близько 80 км ракети викинули спеціальний реагент (триметилалюміній), який вступає в реакцію з киснем, що супроводжується світінням (продукти такої реакції – оксид алюмінію, вуглекислий газ і водяна пара – нешкідливі). Спостереження за світінням дозволить вченим досліджувати повітряні потоки. Найбільший інтерес для вчених становлять високошвидкісні потоки (сотні кілометрів на годину) на висотах 100-110 км, тобто майже на кордоні з космосом. Традиційними методами вивчати ці потоки складно, оскільки густина повітря на таких висотах досить низька.

Дистанційне зондування вітру за допомогою супутників дозволяє побудувати карту вітрів на земній поверхні, а також вивчати потоки повітря в атмосфері.

Визначення напрямку вітру

Для визначення напрямку вітру використовують флюгери, що мають вигляд металевої пластини, яка обертається навколо вертикальної осі. Для одночасного вимірювання швидкості і напрямку руху повітря використовують анеморумбометр.

Кількість обертань повітряного гвинта цього приладу перетворюється в послідовність електричних імпульсів, частота яких пропорційна швидкості вітру, а фазовий зсув залежить від напрямку. Передача інформації про напрямок вітру в сучасних приладах здійснюється за допомогою потенціометра (рис. 4.8). Зміна положення реохорда в ньому спричиняє відповідну зміну електричного струму, що проходить через статор приймальної системи, викликаючи обертання ротора цієї системи та стрілки індикатора.

Точність визначення напрямку вітру потенціометричною системою становить ±3

Передача інформації щодо напрямку вітру за допомогою потенціометра

Рис. 4.8. Передача інформації щодо напрямку вітру за допомогою потенціометра

Збільшити точність можна, використовуючи сельсинову систему (рис. 4.9). Обертання ротора сельсин-давача викликає появу електрорушійної сили, пропорційної синусу кута обертання, що призводить до появи електричного струму в статорі сельсин- приймача, відповідного магнітного поля, яке примушує обертатися ротор приймача, сполученого з індикатором.

Передача інформації щодо напрямку вітру за допомогою потенціометра

Рис. 4.9. Передача інформації щодо напрямку вітру за допомогою потенціометра

Вітропокажчик (покажчик напрямку вітру) призначений для візуального визначення напрямку вітру. Складається з тканинної панчохи, яка має форму усіченого конуса, формотворного каркаса і кріпильних елементів (рис. 4.10). Встановлюється на щоглі. Вітропокажчики використовуються в аеропортах і на хімічних підприємствах, де є ризик витоку газоподібних речовин.

Для визначення домінуючого напрямку вітру застосовується роза вітрів – векторна діаграма, що характеризує швидкість та напрямок вітру у конкретній місцевості за даними багаторічних спостережень.

Вітропокажчик

Рис. 4.10. Вітропокажчик

Роза вітрів

Рис. 4.11. Роза вітрів

Вона виглядає як багатокутник, у якого довжини променів, що розходяться від центра діаграми в різних напрямках (румбах), пропорційні

повторюваності вітрів цих напрямків (рис. 4.11).

Міжнародна метеорологічна організація вимагає від приладів, призначених для вимірювання напрямку вітру, щоб вони визначали напрямок вітру в інтервалі швидкостей вітру від 0,5 до 50 м/с з роздільною здатністю від ± 20 до ± 5°.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >