Что такое анемометр и что им измеряют?

Анемометром (либо же ветромером) именуют прибор, который способен показывать скорость движения воздушных потоков. В современном мире существуют его вариации, также отображающие и температуру движущегося потока. Большинство из них изготавливаются в заводских условиях, но, при желании, простейшую модель возможно изготовить самостоятельно. Область их применения довольно-таки обширна и во многом специфична.

Анемометр – общие сведения

Сегодня анемометрические устройства далеко ушли от своего первоначального назначения – теперь они могут измерять не только скорость ветра, но и скорость движения различных газов. Таким образом, его специализация значительно расширилась и устройство может использоваться не только в научных метеорологических целях, но и иметь прикладное назначение, например, для определения скорости ветра на аэродромах и вертолетных площадках, для определения штормовых порывов в портах, для установления возможности производства строительных работ на высотных зданиях, а также при движении вредных газов в вентиляциях горнодобывающих шахт. Единицы измерения для данных приборов устанавливаются в метрах в секунду.

Если ранее устройство представляло собой исключительно стационарный объект, то сегодня существуют его мобильные варианты, отлично подходящие для транспортировки и использования в труднодоступных местах.

Принцип работы

Замер скоростей передвижения воздушной массы или газов, а также вывод полученных данных, их преобразование в необходимые единицы, осуществляется тремя конструктивными элементами аппарата:

1. Измерительный элемент – посредством возбуждения его датчиков производится непосредственные измерения, что осуществляется с помощью ультразвука, охлаждения металла, перепадов давления, интенсивности излучения;
2. Преобразующий элемент – полученные физические величины трансформируются в какую-либо энергетическую форму;
3. Фиксирующий элемент – состоит из циферблатов, счетчиков и индикаторов, которые наглядно отображают полученные результаты.

Анемометр крыльчатый

Данный прибор способен определить скорость движения воздуха, которая находится в интервале от 0,5 до 45 м/с. Кроме того, данное устройство позволяет измерять температуру, которая находится в пределах от минус 50 до плюс 100 градусов.

Конструкция анемометра такова, что ветер воспринимается лопастной крыльчаткой. Это небольшое легкое колесико, которое от механических воздействий защищается металлическим кольцом. Принцип его работы напоминает вентилятор или мельницу. Под действием ветра крыльчатка начинает вращаться. По системе зубчатых колес ее вращение передается на стрелки счетного механизма.

Анемометр ручной устроен так, что счетный механизм расположен рядом с крыльчаткой. За счет этого создается преграда для ветра, тем самым рабочий диапазон ограничивается. Подобные приборы могут измерять скорость ветра, которая не превышает 5 м/с. Данные устройства подходят для измерения потока воздуха в вентиляционных шахтах, трубопроводах, воздуховодах и так далее.

Анемометр крыльчатый цифровой устроен таким образом, что датчик встроен внутрь прибора или является выносным. Благодаря такой конструкции никакой преграды для ветра нет. Поэтому прибор измеряет поток, скорость которого может достигать 45 м/с.

Разнообразие моделей и их классификация

В зависимости от принципа работы и конструктивных особенностей ветромера, они могут подразделяться на электронные, механические и ультразвуковые:

• Механические – благодаря перемещению воздушных масс в их конструкции происходит вращение отдельных частей (лопастей). К данной категории относятся чашечные и крыльчатые (лопастные) образцы. Между собой они различаются лишь формой элемента захвата поступающего воздуха – это либо лопасть, либо чаша.
• Нагревательные или же тепловые – в них размещается нагревательный датчик, как правило, представляющий собой обычную проволоку накаливания, которая, в процессе воздействия на нее подвижных воздушных масс, остывает. На основании показателей снижения температуры нагрева датчика и производится замер. Относится к электронным вариантам.
• Ультразвуковые – у них производство измерений осуществляется на базе определения скорости движения акустической волны. То есть звук, двигаясь сквозь находящееся в возбужденном состоянии газовое облако (воздух), будет иметь различную скорость. Когда он продвигается навстречу ветру, то его скорость понижается. В противоположном случае скорость звука повышается. На основание этого физического явления и осуществляется замер.

Существующая классификация

Помимо прочего, модели анемометров могут быть классифицированы по типу датчика, ответственного за взаимодействие с воздушным потоком. По данному основанию они подразделяются на:

• Вращающиеся – при взаимодействии с ветром определенные части конструкции начинают вращаться в зависимости от силы последнего;
• Акустические – способные замерять звуковую скорость;
• Термические – работающие в пределах разницы температур измерительного элемента;
• Оптические — сложные устройства, требующие присутствия в движущемся потоке специального объекта, от которого будет отражаться лазерный луч, на основании чего и производится измерение;
• Динамические – основан на действии принципа трубки Пито-Прандтля, где скорость замеряется на основании разницы в давлении между входящим и выходящим потоками.

ВАЖНО! Последние два принципа работы реально используются лишь в научных исследованиях и имеют слабое прикладное значение, так как получаемые ими высокоточные результаты в повседневной жизни не будут иметь большого значения.

Классификация

Прибор для измерения скорости ветра в своей структуре имеет датчик, который контактирует непосредственно с воздушным потоком. В зависимости от вида данного датчика выделяют следующие типы анемометров:

• Вращающиеся, в которых отдельные элементы конструкции начинают вращаться под воздействием скорости ветра.

• Ультразвуковые, которые по-другому называют акустическими.

• Нагревательные, их еще называют термическими.

• Оптические, которые в свою очередь делятся на лазерные и допплеровские.

• Динамические, чей принцип работы основан на базе трубки Пито-Прандтля.

• Поплавковые.

• Вихревые.

Это список приборов, которые можно встретить в настоящее время.

Популярные варианты ветромеров

Крыльчатые

Этот вид прибора является наиболее распространенным и способен выдавать результаты достаточной точности, которые подойдут и для бытового и для промышленного предназначения. Наиболее широко данные модели используются в следующих отраслях:

• На метеорологических станциях (в целях осуществления наблюдений за изменениями погодных явлений);
• На аэродромах (для определения возможности осуществления полетов);
• В системах вентиляции горнодобывающей промышленности (для определения уровня надлежащей выходной воздушной тяги);
• В строительной отрасли (для измерения силы воздушного потока при работе на высоте, например, в целях определения допустимости производства работ на башенных кранах);
• В сельскохозяйственной отрасли (для определения возможности обработки посевов защитными химикатами и удобрениями с воздуха).

ВАЖНО! Большинство крыльчатых (лопастных) устройств способны измерять скорость ветра в различных плоскостях, одновременно замеряя температуру воздуха.

Устройство лопастных моделей включает в себя три основных блока:

1. Модуль, ответственный за замеры скорости ветра в состоянии, так называемого, покоя. Проще говоря, модуль улавливает степень возмущения воздушной массы при прохождении ее через лопасти.
2. Модуль, ответственный за преобразование, – именно он служит «переводчиком» полученных данных в физические единицы.
3. Модуль, ответственный за регистрацию, – полученные данные от преобразователя визуально регистрируются для удобства считывания оператором.

Чашечные

Данные ветромеры приспособлены осуществлять измерения лишь в той плоскости, которая прямо перпендикулярна вращательной оси чашей. Традиционно, прибор имеет четыре чаши, выполненные в полусферической форме, расположенные на крестообразной роторной спице и имеющие симметричные габариты. Чашечные ручные устройства способны сосчитать количество оборотов крестовины, совершенных за определенный временной промежуток. Их улучшенные версии также оснащаются еще и тахометрами различных типов, дабы улучшить качество получаемых результатов. Замеры производятся мгновенно в режиме реального времени, и точность измерения оставляет от 0,2 до 30 метров в секунду.

Термические

Их принцип работы заключается в измерении электрического сопротивления на проволочном датчике. Этот показатель изменяется в зависимости от температуры его нагрева, которая понижается в условиях слишком быстрого воздушного потока. Конструктивно представляет собой металлическую нитку накаливания, выполненную из вольфрама, серебра, нихрома или платины (либо иного металла). Данная нитка подогревается посредством электротока до температуры, которая должна превысить текущую температуру окружающей среды. Основный недостаток ветромеров данного типа – их очень слабая устойчивость перед сильными механическими воздействиями.

Ультразвуковые

Их принцип работы основан на замере скорости передвижения звука в неспокойном газовом потоке, что осуществляется на основе законов физической акустики. Таким образом, если звук распространяется в одном направлении с воздушной массой, то скорость его движения увеличивается, и наоборот, когда он противопоставлен направлению движения воздуха – его скорость уменьшается. На основании полученной разницы и замеряется временной промежуток отклика импульса ультразвука.

Данное устройство является наиболее современным и, как правило, оснащается электронными контроллерами вывода получаемых результатов. Сам датчик способен выполнять несколько функций (в зависимости от своего вида):

• Двухмерный датчик – выдает данные о направлении и скорости ветрового потока;
• Трехмерный датчик – сможет определить все три элемента скорости ветра;
• Четырехмерный датчик – дополнительно к вышеуказанному функционалу может установить еще и температуру воздушного потока.

Ультразвуковые модели способны выдержать скорость ветра до 60 метров в секунду.

Какие бывают анемометры?

В зависимости от механизма действия аппарататы относят к классу:

• вращающихся;
• термических;
• акустических;
• лазерных.

Разница данных приборов состоит в технологии измерения скорости воздушных потоков.

1. Представители вращающейся группы бывают:
   С чашечной конструкцией – вид старинных механических аппаратов, которые и на сегодня не потеряли свою актуальность. Имеют лопасти с полусферическими лепестками, напоминающие чашу. Этот прибор, благодаря тому, что, по сути, не требует установки лопастей по направлению ветра, позволяет измерять скорость потоков с минимальной неточностью. Движение масс должно быть направлено в полость полусферических лепестков, но не в область обтекаемого дна.
2. Принцип работы основан на подсчете оборотов лопастей. Их количество необходимо скорректировать с помощью коэффициента, зависящего от числа и площади поверхности лопастных чашек. Величина коэффициента колеблется в пределах 2 и 3. В случае использования механических моделей нужно снимать замеры в течение конкретного отрезка времени. Электронное оснащено программой для определения текущих порывов практически с нескольких поворотов.
3. Большая часть аппаратов этого типа реагирует на порывистый ветер со скоростью выше одного метра в секунду. К тому же классической моделью с подобной конструкцией нельзя определить, в каком направлении происходит движение воздушных масс.
4. С крыльчатой конструкцией – такие анемометры схожи по функциональным принципам с предыдущим видом, но имеют меньшие габариты и способны измерять потоковые параметры при скорости выше 0,1 м за секунду. Их лопасти вращаются под действием порывистого ветра либо перемещения газов, это напоминает пропеллеры вентиляторов либо летательных аппаратов. Темп движения ветра определяется, как и в предыдущей ситуации, с помощью числа оборотов и приборного коэффициента. Благодаря диффузору, выставленному по ходу перемещения воздушных масс, можно получить более точные результаты измерений. Часто такой анемометр комплектуется флюгером незначительных размеров для определения направления ветра.
5. К термической группе относят так называемые термоанемометры, в которых предусмотрено наличие термопары. Устройство позволяет фиксировать потери тепла вследствие обдува. Все знают, что в одинаковых температурных условиях, когда на улице ветрено, ощущение холода сильнее, нежели при отсутствии ветра. Тепловое имеет нить накала, по которой проходит электричество. В итоге сильного обдувания степень нагревания нити изменяется, что оказывает влияние на способность металла проводить ток. На этом основана работа приборной электроники при определении скорости воздушного потока. Подобное оборудование зачастую выступает в качестве интегрированного элемента других систем. Автомобили имеют , которые определяют соотношение приготовления горючего жидкого вещества, используемого двигателями внутреннего сгорания. Датчики этих приборов являются термоанемометрами.
6. Представители акустической группы имеют еще одно название – ультразвуковые анемометры. Оборудование воспроизводит ультразвуковые сигналы. Затем определяют скорость перемещения звука, на величину которой воздействует движущиеся воздушные массы. Результат с помощью приборной электроники трансформируется в скорость. Устройство из данной группы зачастую используют для определения скорости газовых потоков. Данного плана анемометр является сложной системой, которая производит расчеты с учетом временных затрат на прохождение волн ультразвука дистанции между передаваемым и принимаемым устройством, а также влияние внешних факторов. К ним относят прежде всего такие параметры воздуха, как температура и уровень влажности.
7. Лазерная группа представлена измерительными устройствами нового поколения, которые только набирают популярность. Такой прибор компактных размеров часто применяют поклонники экстремальных видов отдыха. Он имеет еще одно название – доплеровский (в честь автора изобретения). Изобретателем был предложен принцип зависимости частоты излучения от того, с какой скоростью перемещаются источник с приемником. Это послужило основой для создания сложного оптически-электронного измерительного комплекса – лазерного анемометра. Действует по принципу, предполагающему перемещение объекта в потоке воздуха либо газа под воздействием лазерного излучения, которое создает фиксированный источник. Приборный датчик регистрирует результат процесса – отражение световой волны от поверхности объекта. Дальше идет вычисление разницы между излучаемыми частотами света (исходного и отраженного). С учетом этих показателей проводится вычисление скорости ветра и перемещения газового потока.

Существует еще одна классификация, по которой анемометры подразделяются на 2 вида:

• Электронные – аппараты, где электроника делает все необходимые расчетные манипуляции. Они обладают высокой чувствительностью. Эти устройства (в первую очередь представители вращающейся группы) могут быть с выносным измерительным элементом, который имеет вид зонда. Ими удобно проводить измерения, поскольку результат сразу отображается на приборном экране. Зонд присоединен к аппарату с помощью эластичного провода. Устройства могут быть оснащены собственной памятью, в которой хранятся результаты измерений. При отображении данных могут быть указаны дата и время их фиксации. Наличие дополнительного функционала зависит от модели.
• Механические – приборы, где нужно самостоятельно вести учет оборотов и рассчитывать показатели с помощью формул.

Данной измерительной техникой фиксируются:

• скорость текущая;
• сильнейшие всплески порывов ветра;
• средние значения.

Отличия между разными типами устройств

Самым главным отличием механического устройства от электронного является то, что для первого потребуется вручную фиксировать обороты, производимые датчиками замера, а затем самостоятельно произвести расчеты по соответствующей формуле. Для электронных анемометров это действие выполнять нет необходимости, т.к. все расчеты производит электронный контроллер. Тем более, электронные варианты обладают повышенной чувствительностью и могут одновременно фиксировать три параметра:

• Текущую скорость воздушной массы;
• Ее максимальные порывы в заданный промежуток времени;
• Осуществить вычисление средних показателей.

Отдельно стоит упомянуть анемометры, чья измерительная часть выполнена в качестве специального зонда и, условно говоря, вынесена за пределы основного корпуса. Подобными аппаратами пользоваться оператору намного комфортнее, ибо непосредственно во время производства замеров можно отслеживать динамику изменения показателей. Данная технология чаще всего применяется на вращающихся моделях и измерительный модуль присоединен к основному корпусу с помощью кабеля. Дополнительное оснащение анемометра электронным контроллером с собственной памятью будет не лишним, когда требуется постоянное сохранение результатов, включая время, место и полученные показатели измерения.

ВАЖНО! Стоит отметить, что любой анемометр является предметом измерения, поэтому на территории Российской Федерации требуется соблюдение условий их сертификации и соответствия государственным стандартам!

Проблемы выбора

Всегда в процессе приобретения нового анемометра следует определиться, в каких условиях он будет применяться и для каких целей. Оптимально стоит обратить внимание на следующие моменты:

• Технические параметры (в каком диапазоне потребуется производство замеров скорости движения воздушных масс – высокоскоростной или же движение будет происходить на малых или средних скоростях);
• Точностные характеристики (для производства сверхточных измерений в лабораторных условиях предпочтительнее использовать динамические или лазерные модели);
• Потенциальная вероятность возникновения гарантийных случаев (например, при превышении скоростных возможностей);
• Конструкция и прочность корпуса;
• Качество измерительных датчиков;
• Дополнительная комплектация.

Наличие дополнительного опциона всегда будет играть в пользу оператора, ибо не потребуется приобретение дополнительного оборудования, например, датчиков влажности, температуры или тахометра. Отдельно нужно обратить внимание на единицы измерения – для образцов иностранного производства они могут быть в другой системе, не только отличной от метрической, но и измерения могут производиться по другим физическим шкалам, не принятым в РФ.

Ценовой вопрос

Текущий российский сегмент рынка способен предложить дешевые модели ветромеров, которые обойдутся для пользователя в районе 1 500 – 2 000 рублей. Это устройства с традиционной конструкцией, обладающие высокой степенью погрешности вкупе с небольшим опционным функционалом. Наиболее предпочтительным приобретением считаются аппараты со стоимостью в 8 000 – 10 000 рублей. Они, как правило, выдают достаточно высокую точность результатов, имеют защитные оболочки на своих корпусах, что делает возможным их применение в условиях агрессивных сред. Профессиональные устройства, со стоимостью от 20 000 рублей и более, востребованы в промышленных отраслях (строительство и сельское хозяйство), ибо обладают крайне широким функционалом, имеют минимальные отклонения от фактических измерений, в комплекте с ними стандартно поставляются дополнительные устройства.

Несколько советов по применению

До начала работы с устройством нужно тщательно исследовать его элементы управления. У большинства устройств сам принцип функционирования может быть стандартным, но вот обозначения на его регистрирующих модулях и вид конечных предоставляемых результатов может быть различным.

Стоит также ознакомиться с рекомендуемыми производителем условиями эксплуатации – это необходимо в целях исключения рисков преждевременного выхода прибора из строя. К примеру, некоторые изготовители прямо запрещают пользоваться своим продуктом под прямыми лучами ультрафиолета. Всегда необходимо помнить, что ветромер является точным измерительным прибором, и любое внешнее воздействие на него вполне может отразиться на точности выдаваемых результатов. То же можно сказать и про присутствие в замеряемых воздушных массах чрезмерного количества грязи и пыли – данное обстоятельство особо актуально для механических устройств. Таким образом, механический ветромер, до начала производства измерений, должен находиться в состоянии идеальной чистоты.

Одновременно, не следует подвергать анемометры длительным рабочим нагрузкам. И перед началом любого исследования, ветромер следует подвергнуть поверке:

• Осмотреть его на предмет наличия внешних повреждений;
• Проверить корректность получаемых данных в щадящих условиях;
• Протестировать узлы, ответственные за вывод получаемых результатов.

Тепловые приборы

Принцип работы подобных анемометров заключается в определении электрического сопротивления проволоки. Данное значение изменяется в зависимости от температуры, которая снижается за счет движущегося потока воздуха. Это подобно тому, как в солнечный жаркий день ветерок холодит кожу.

Конструкция анемометра представляет собой металлическую нить накаливания (из платины, нихрома, серебра, вольфрама и других металлов), которая разогревается электрическим током до температуры, превышающей температуру окружающей среды.

Вместо эпилога

Проведенным исследованием рынка установлено, что нижний сегмент полностью завоеван товарами азиатского производства, которые при малой цене обладают такой же малой точностью. Достаточно отрадно, что средний ценовой сегмент представлен российскими продуктами, которые по своей результативности не уступают западным зарубежным образцам, при этом имея достаточно адекватную стоимость. В то же время, азиатский производитель отметился в премиум-классе среди сверхточных приборов, а его цена установилась на уровне европейской. Все же, для проведения научных исследований подходят больше модели от западных брендов с качественной электронной начинкой и вариативными тепловыми датчиками.