В первой половине 16 века итальянский математик Л.Б. Альберти изобрел устройство, при помощи которого фиксируется скорость движения воздуха. Прибор получил название анемометр (с греческого анемо – ветер, метр –мерять). Конструкцию усовершенствовал ирландец Д. Робинсон в 1846 г. А в конце 20 века устройство смогло определять и направление ветра.
Где и как используются анемометры?
В настоящее время с помощью прибора измеряют скорость и направление движения газов и жидкостей. Прибор нашел свое применение в следующих областях жизнедеятельности человека:
- Служба метеорологии. Метеорологические станции фиксируют комплекс физических явлений в атмосфере, определяющих погоду. Одними из них являются сила и направление ветра у земли и на высоте. На основании анализа показателей составляется прогноз погоды.
- Наземная служба аэропортов. Используя анемометр, наземные службы аэропортов получают информацию о фактической и ожидаемой погоде на аэродромах и маршрутах полетов воздушных средств (сила и направление ветра, опасные явления).
- При строительных работах. Используют при проектировании систем вентиляции и кондиционирования в помещениях различного назначения. Приборами оснащают башенные, кабельные и портальные краны для подачи сигнала машинисту, т. к. сильный ветер представляет угрозу для этого вида техники.
- В сельском хозяйстве. Современный анемометр не только определяет силу и направление ветра. Он также определяет разницу температур, коэффициент резкости погоды, точку росы и влажность воздуха. Это главные показатели, влияющие на работу фермера.
- В энергетике. На основе наблюдений за «поведением» воздуха определяют место установки, высоту и модель ветряка при альтернативном использовании ветра. После установки, анализируя данные установленных анемометров, определяют эффективность работы ветряка.
- В горнодобывающей отрасли. На горнодобывающих предприятиях анемометр используют для депрессионных съёмок, мониторинга и определения фактических значений скорости воздушного потока в тоннелях, шахтах и вентиляционных сетях.
- Спорт. Виды спорта, в которых определяющую роль играет сила и направление ветра: парашютный и парусный спорт, хай-дайвинг, кайтсерфенг, серфинг и др.
Общий принцип работы анемометров
Измерение скорости движения воздушных масс, газов и т. д. и трансформация полученной информации в «конкретные единицы» происходит в трех основных частях анемометра:
- измеряющей части, в которой воздушный поток создает «возмущение», направленное на физическую величину, определяющую принцип действия прибора (ультразвук, излучение, охлаждение метала, давление и т. д.);
- преобразующей части, которая данную физическую величину преображает в какую-либо энергию;
- фиксирующей части, которая отображает результат при помощи различных счетчиков, дисплеев, шкал и индикаторов.
Виды и устройство анемометров
Конструкцией и принципом действия прибора определяется вид анемометра. Они бывают механические и электронные.
Механические
К механическим анемометрам относятся:
- Чашечный прибор. Самый простой и наиболее распространённый. Представляет собой ось, на которой крестообразно закреплены четыре полусферы (чашки). Под давлением потока воздуха чашки вращаются вокруг своей оси в вертикальной плоскости. Ось, в свою очередь, соединена с трехшкальным циферблатом, который считает количество вращений чашек за определенный интервал времени. Закрепленный на чашке флажок позволяет узнать направление ветра.
Этот прибор дает возможность измерять силу ветра от 1 до 20 м/с. Устойчивость анемометра к турбулентным потокам позволяет использовать его на открытых поверхностях. - Крыльчатый прибор. Работает аналогично чашечному, но вместо оси с чашками ветер вращает лопастную крыльчатку. Механический счетчик распложен рядом с лопастями, т. к. крыльчатка вращается параллельно воздушному потоку. Этот фактор ограничивает возможность измерения силы ветра от 0,3 до 5 м/с. В отличие от чашечных приборов, лопастный определяет направление ветра, меняя свое положение.
Крыльчатку применяют в проектировании воздуховодных систем зданий и сооружений. Приборы с гибким соединением крыльчатки и механического счетчика отлично подходят для работы в труднодоступных местах.
Электронные
К менее распространённым – электронным – относятся такие приборы:
- Ультразвуковой анемометр (акустический) измеряет силу звука, передаваемого от передатчика к приемнику и определяет скорость ветра, используя зависимость скорости звука от направления воздушных масс.
Конструкция акустического анемометра достаточно сложная. Измерения происходят в двух-, трех- или четырехмерном пространстве. Вдоль каждой оси расположены по две пары принимающих и передающих устройств, которые посылают/принимают ультразвуковые волны. Скорость прохождения ультразвуковой волны от передатчика к приемнику определяет скорость ветра.
Двухмерный ультразвуковой прибор показывает, с какой скоростью движется воздух и в каком направлении. Трехмерный дополнительно – влажность воздуха, четырехмерный – температуру.
Так как у прибора нет подвижных деталей, он может фиксировать скорость ветра до 60 м/с. Приборы этого типа применяют для измерения микроклимата на рабочих местах промышленных предприятий.
- Тепловой анемометр (термический). Фиксирует потери тепла нити из металла, у которого коэффициент сопротивления температуры имеет знак «+», при движении воздушных масс.
Принцип действия следующий: через нить накаливания пропускается ток, движущийся воздушный поток понижает температуру нити, и электронное устройство производит расчет скорости порывов. Термическим анемометром измеряют медленные потоки воздуха.
Данный прибор не используют как самостоятельную единицу. Чаще всего это часть какой-нибудь системы. Например, термопара присутствует в каждом автомобиле и контролирует систему охлаждение двигателя. - Динамометрический анемометр. Сравнивая излишнее внутреннее и наружное давление в Г-образной стеклянной трубке (трубка Пито), прибор определяет скорость движения воздуха. Используется в системах вентиляции и шахтах для определения объема расхода и скорости движения воздушного потока.
- Лазерный доплеровский анемометр. Это сложная оптико-электронная система, измеряющая линейную скорость методом Доплера. Принцип действия системы следующий: пучок лазерного излучения от неподвижного принимающего устройства облучает движущийся объект. Отображенное от объекта излучение регистрируется принимающим устройством. Сравнивают частоту излучения движущегося объекта и принимающего устройства. Значения отличаются на величину, пропорциональную скорости движения объекта относительно принимающего устройства.
Применяют этот тип в аэродинамических трубах при моделировании и проектировании авиационной техники, подводных судов, автомобилей, поездов, а также для определения нагрузки ветра и взрывной волны на сооружения различного назначения.
В этой статье перечислены лишь некоторые сферы жизнедеятельности человека, где используется анемометр. Фактически этот прибор решает более широкий перечень задач. В случае необходимости использования анемометров, нужно четко определить цель применения и условия.
