Лабораторная работа №7 по дисциплине " Методы и средства гидрометеорологических измерений". Исследование анемометров

“Методы и средства гидрометеорологических измерений”.

Лабораторная работа составлена на основе типовой программы дисциплины, читаемой студентам метеорологического факультета.

Работа содержит теоретические сведения, описание и порядок работы с используемыми приборами и перечень операций, выполняемых студентами. Кратко описаны три типа ротоанемометров, а также аэродинамическая труба, используемая в работе для их градуировки.

Издание отредактировано в 2013 году для размещения в сети Интернет.

 Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), 2013.

Теория действия ротоанемометров подробно изложена в книге [1]. Перед выполнением работы студентам необходимо ознакомиться с соответствующими разделами этой книги, или с содержанием лекций 10-11 "Конспекта лекций" [2]. В данном описании ограничимся лишь разбором особенностей каждого типа анемометров и кратким перечнем сведений, необходимых для выполнения работы.

При вращении магнита возникает переменное магнитное поле, индуктирующее в катушках переменную ЭДС. Если, как это обычно бывает, катушки соединены последовательно, то наведенная в них ЭДС равна:

Где n - число катушек, μ - магнитная проницаемость сердечника катушки, μ₀- магнитная постоянная, H_max- напряженность магнитного поля в катушке при прохождении над ней одного из полюсов магнита, S - суммарная площадь витков в одной катушке, ω - угловая скорость вращения вертушки.

Из уравнения (1) следует, что амплитуда и частота изменения наведенной ЭДС зависят от угловой скорости вращения вертушки, то есть от скорости ветра. Следовательно, скорость ветра может быть измерена двумя способами.



Первый способ предполагает измерение силы тока в цепи, на которую нагружен генератор. Для выпрямления тока в цепь включают двухполупериодный выпрямитель (на рис.1 в качестве такого выпрямителя использован диодный мост VD₁ -VD₄) c RC- фильтром. Измерить ток можно, например, с помощью стрелочного гальванометра. Можно показать, что значение переменного тока в этом случае будет равно:
Здесь R_Σ - суммарное сопротивление всей цепи, включающей в себя

несколько соединенных последовательно сопротивлений:

R_Σ = R_кат + R_каб + R + R_г , (3)

где R_кат - сопротивление катушек,

R_каб -сопротивление кабеля (который может быть достаточно длинным, т.к. индукционные катушки вместе с вертушкой находятся вне помещения),

R - балластное сопротивление (см. рис. 1),

R_г - сопротивление гальванометра.

Одним из источников погрешности анемометра является влияние температуры наружного воздуха. При ее изменении изменяется сопротивление катушек R_кат и в меньшей степени - сопротивление кабеля R_каб, а следовательно, и измеряемый ток і. Для исключения этой погрешности ставят балластное сопротивление R, выбирая его значение R >> R_кат+ R_каб. Тогда суммарное сопротивление всей цепи определяется, главным образом, значением балластного сопротивления, а влияние сопротивления катушек и связанной с ним температурной погрешности практически исчезает. Этот известный в технике принцип носит шуточное название "принцип мухи и слона".

Чувствительность индукционного анемометра при таком способе измерения есть изменение тока в цепи при изменении скорости ветра на единицу, то есть:

Если в индукционном анемометре используется стандартный гальванометр, то для удобства определения скорости ветра обычно строят градуировочный график анемометра, т.е. график зависимости измеряемого тока от скорости ветра i (v). Этот график имеет вид прямой линии, начинающейся, однако, не от начала координат, а от некоторой точки на оси абсцисс V₀. Это связано с тем, что при малой скорости ветра сила, действующая на вертушку, меньше силы трения на оси вертушки в узлах крепления. Из-за этого зависимость угловой скорости вращения от скорости ветра выражается уравнением:

V = a + b·ω (5)
Величина а в формуле (5) имеет размерность скорости и называется порогом скорости анемометра, т.е. минимальной скоростью, которую может измерить анемометр.

По градуировочному графику легко определить чувствительность индукционного анемометра методом графического дифференцирования:

устройство имеет те недостатки, что контакты со временем изнашиваются за счет трения и искрения при размыкании; кроме того, искрение при контактах тормозит вертушку. В современных анемометрах этого типа используются герконы или более сложные устройства, дающие один импульс в течение оборота. Иногда для уменьшения частоты контактов применяется редуктор (например, с червячной передачей). На рис. 2 показана схема контактного анемометра с герконом. Здесь (1) - чашечная

вертушка, (2) - ось вращения, (3) - магнит, вращающийся вместе с вертушкой, (4) - геркон, контакты которого замыкаются при приближении одного из полюсов магнита.

В данной работе используется анемометр с механическим контактом, снабженный редуктором с большим коэффициентом передачи. Таким образом, один контакт соответствует не одному, а многим оборотам вертушки.

Для подсчета контактов применяют различные электрические схемы, работающие по принципу частотомера. Может применяться и электромеханический счетчик. Его действие заключается в том, что при подаче электрического импульса на обмотку электромагнита якорь притягивается к сердечнику и двигает зубчатое колесо, на торцевой стороне которого нанесены цифры. Десять импульсов соответствуют полному обороту колеса, в то же время другое колесо, расположенное рядом, поворачивается на 1/10 оборота. Таким образом, первое колесо (крайнее правое) отсчитывает единицы контактов, второе - десятки, третье - сотни и т.д.

Скорость ветра определяется по количеству контактов в одну секунду. Для увеличения точности отсчета следует применять длительный промежуток времени,, в течение которого подсчитываются контакты - например, 100 секунд (можно 200 или 300 с.). Затем определяется количество контактов в одну секунду (N). Разумеется, N может быть любым дробным или целым числом, в том числе и меньшим единицы.

Градуировочный график контактного анемометра имеет вид, схожий с графиком для индукционного анемометра, только по оси ординат откладывается значение N. Чувствительность анемометра - изменение количества контактов в секунду при изменении скорости ветра на единицу (dN/dV) - определяется также путем графического дифференцирования по градуировочному графику (см.рис.3).

Над диском (3) укреплен источник света - электрическая лампочка или светодиод (VD1 на рис.5).

Под диском помещен фотодиод VD2. При вращении вертушки световой поток от лампочки поступает на фотодиод через отверстия в перфорации диска. В момент освещения фотодиода VD2 его сопротивление падает. При этом напряжение на базе транзистора повышается, он открывается и напряжение его коллектора падает. После прекращения светового потока напряжение на базе транзистора понижается и он закрывается. Напряжение на его коллекторе растет. Таким образом происходит создание электрических импульсов, частота следования которых пропорциональна угловой скорости вращения вертушки.

Далее электрические импульсы поступают на логическую микросхему, которая включает в себя триггер Шмитта и каскады усиления (А). Триггер осуществляет преобразование электрических импульсов неправильной формы в прямоугольные, которые затем усиливаются по амплитуде. Кроме того, триггер Шмитта стабилизирует длительность импульсов, что необходимо для работы частотомера.

Затем положительные электрические импульсы через конденсатор С1 поступают на управляющий электрод тиристора VS, при этом тиристор открывается на время импульса. Конденсаторы Сд и Си оказываются соединенными последовательно (через открытый тиристор), причем нижняя обкладка Си соединена с землей (в данном случае это отрицательный полюс источника питания), а верхняя обкладка Сд - с положительным полюсом источника питания +9 в. Начинается зарядка конденсаторов Сд и Си. Емкость конденсатора Сд << Си, поэтому конденсатор Сд заряжается до большого напряжения (≈ 9 в), а Си - до очень малого при равном количестве заряда на конденсаторах. По окончании импульса тиристор закрывается и оба конденсатора разряжаются на сопротивления R3 и R4. Однако, большая емкость Си не дает ему возможность быстро разрядиться, кроме того резистор R4 >> R3, поэтому конденсатор Сд разряжается полностью к началу следующего импульса, а Си - теряет только небольшую часть заряда. Новый импульс вызывает новую зарядку конденсаторов, причем полностью разряженный конденсатор Сд заряжается снова, а конденсатор Си получает добавочный заряд к накопленному ранее. Постепенно напряжение на конденсаторе Си растет, а значит, растет и разрядный ток в промежутке между импульсами. Рост напряжения на Си замедляется, а затем и полностью прекращается. Устанавливается равновесие - конденсатор Си получает в течение импульса то же количество заряда, которое он теряет в промежутках между импульсами. Легко понять, что это напряжение зависит от частоты следования импульсов - если частота мала (а значит, промежутки между импульсами достаточно длительные), то напряжение на Си в установившемся состоянии также будет мало. Значит, измерив напряжение на Си, можно узнать частоту следования импульсов, а следовательно, скорость ветра.

Конденсатор Сд дозирует количество заряда в течение цикла, поэтому он называется дозирующим. Конденсатор Си накапливает заряд до установившегося состояния, поэтому он называется измерительным или накапливающим. Сопротивление R4 подобрано так, чтобы при скорости ветра 1м/с выходное напряжение было бы равно 10 мв.

Чувствительность фотоэлектрического анемометра dU/dV определяется также по градуировочному графику U(V), который имеет вид, аналогичный изображенному на рис. 3.

Перед включением установки следует повернуть ручку ЛАТРа против часовой стрелки до упора (это положение соответствует нулевому напряжению) и включить установку в сеть. Затем, вращая ручку ЛАТРа, установить небольшую (чуть выше порога скорости анемометра) скорость ветра и определить ее по градуировочному графику зависимости скорости ветра от напряжения, подаваемого на мотор. Напряжение определяется по стрелочному вольтметру. Далее снять показания исследуемого анемометра. Записать значение напряжения на ЛАТРе (по вольтметру), скорость ветра, определенную по графику и показания исследуемого анемометра. Затем установить новую скорость ветра и повторить измерения, и так 8-10 раз.

Градуировочный график зависимости скорости ветра от напряжения, измеренного по стрелочному вольтметру, помещен на чертеже перед установкой.

Рекомендуется сразу же после занесения данных в рабочую тетрадь построить на миллиметровой бумаге график зависимости показаний исследуемого анемометра от скорости ветра.

Соответствующее время τ_с называется временем синхронизации. Причем, если путь синхронизации является константой для данной вертушки, то время синхронизации зависит от скорости ветра - при увеличении скорости ветра оно уменьшается, и наоборот. Если известна зависимость ω(τ), то время синхронизации легко определить - для этого нужно разность (ω­₀ - Ω) уменьшить в е раз, вычесть новую разность (ω­₀ - Ω)/e от величины Ω и по графику определить время синхронизации (рис. 6).

Если известна скорость ветра, то путь синхронизации вертушки определяется как произведение L = V· τ_с. Задача, таким образом, сводится к определению времени синхронизации.

В данной работе требуется определить путь синхронизации индукционного анемометра. Для этого в настоящей работе применяется следующий способ. Учитывая, что напряжение, вырабатываемое анемометром связано с угловой скоростью прямой зависимостью (2), последнее и может быть выбрано мерой угловой скорости. Для измерения напряжения в данной работе применен стрелочный вольтметр. Винт ротоанемометра помещен внутрь

трубы вместе с генератором и электромагнитным стопором, кнопка управления которым размещена на рабочем столе.

Подсоедините вольтметр к клеммам индукционного анемометра, они находятся на блоке управления стопором. Затем подайте на мотор вентилятора аэродинамической трубы напряжение порядка 100-130 В. Определите по графику значение соответствующей скорости ветра V. Через несколько секунд стрелочный указатель покажет установившееся значение напряжения v. Запишите это значение в условных единицах. Затем рассчитайте величину v' = v - v/e - значение, которое должен показать вольтметр в момент времени синхронизации τ_с.

Теперь, нажав кнопку стопора, остановите винт анемометра. Выждав несколько секунд для установления нулевого положения стрелки указателя, резко отпустите кнопку стопора, одновременно пустите секундомер. Анемометр начнет раскручиваться, стрелка указателя будет двигаться по шкале. В момент достижения стрелкой значения v’ остановите секундомер. Измеренное время и будет временем синхронизации τ_с, а произведение V· τ_с будет равно значению пути синхронизации L.

Для получения более надежных результатов повторите опыт 2-3 раза при неизменной скорости ветра и осредните полученные значения t.

Определите путь синхронизации еще для 2-3 значений скорости ветра.

Полученные данные (при домашней обработке) сведите в таблицу:

2. Ознакомимся с расположением приборов на рабочем столе и их назначением.

Слева от аэродинамической трубы находится лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), снабженный вольтметром для измерения напряжения. С помощью градуировочного графика, помещенного на стене перед установкой, это напряжение переводится в значение скорости ветра, измеряемое индукционным анемометром, вмонтированным в трубу. Непосредственно перед трубой на рабочем столе находится цифровой вольтметр В7-20, черная кнопка электромагнитного стопора индукционного анемометра и клеммы вывода сигнала от индукционного анемометра. Справа от трубы на стойке помещен контактный анемометр и блок электромеханического счетчика для градуировки контактного анемометра.

3. Проградуируйте индукционный анемометр. Соедините клеммы индукционного анемометра с цифровым вольтметром В7 20. Переключатель рода работ вольтметра должен находится в положении " ~V " (переменный ток), а переключатель пределов измерений в положении "10" (предел измерения 10 вольт).

Включите установку в сеть. Медленно вращая ручку ЛАТРа, подайте напряжение на двигатель. Фиксируйте напряжение по цифровому вольтметру В7-20 и напряжение питания двигателя по вольтметру ЛАТРа. Запишите значение этих напряжений в виде таблицы:

Переведите значения напряжения питания двигателя в скорость ветра с помощью чертежа перед установкой. Постройте градуировочный график анемометра U (V), где U - напряжение по цифровому вольтметру, V- скорость ветра. Определите порог скорости и чувствительность анемометра.

4. Проградуируйте контактный анемометр. Поместите его в рабочий участок трубы и соедините с электромеханическим счетчиком. Установите небольшую скорость ветра и определите количество контактов в секунду с помощью секундомера. Рекомендуется определить количество контактов за промежуток времени 200 сек. в начале градуировки (при малых скоростях ветра) и 100 сек. в конце. На градуировочном графике должна быть изображена зависимость N(V), где N - количество контактов в секунду, V - скорость ветра. Снимите 7 - 10 показаний в тех же пределах, что и для индукционного анемометра. Определить порог скорости и чувствительность анемометра.

5. Определите путь синхронизации индукционного анемометра. Порядок определения пути синхронизации см. раздел VI.

6. После окончания работы отключите все приборы от сети. Уберите свое рабочее место.

8. ОТЧЕТ ДОЛЖЕН СОДЕРЖАТЬ:

1. 
   Краткое описание хода работы.
   
2. 
   Таблицы числовых значений, полученные при градуировки каждого анемометра с соответствующими пояснениями.
   
3. 
   Градуировочные графики для индукционного и контактного анемометров. Значение чувствительности этих анемометров, определенные с помощью графиков (в тексте должны быть приведены формулы и пояснения к определению чувствительности). Значение порога скорости для каждого анемометра.
   
4. 
   Значение времени и пути синхронизации индукционного анемометра с пояснениями в тексте. Следует указать все промежуточные числовые значения для определения времени и пути синхронизации (скорость ветра, значения v и т.п.). Т.к. время и путь синхронизации определяются несколько раз, следует проанализировать возможную разницу в показаниях, указать причины расхождений.
   

2. Какие силы действуют на чашечную вертушку? Каково соотношение этих сил? Как они изменяются при раскручивании вертушки?

3. Какова зависимость угловой скорости вращения вертушки от скорости ветра? Напишите уравнение и нарисуйте график этой зависимости.

4. Что такое пороговая скорость ротоанемометра? Как уменьшить пороговую скорость?

5. Какие типы ротоанемометров Вы знаете?

6. Поясните принцип действия ручного механического анемометра. Каков порядок измерения скорости ветра с его помощью?

7. Нарисуйте рисунок, поясняющий принцип действия и устройство контактного анемометра.

8. Что такое геркон? Каковы преимущества геркона при использовании его в контактном анемометре?

9. Дайте определение понятия чувствительности контактного анемометра.

10.Нарисуйте градуировочный график контактного анемометра. Как по этому графику определить его чувствительность и пороговую скорость?

11.Каков порядок градуировки контактного анемометра?

12.Каким образом Вы будете регулировать скорость воздушного потока в аэродинамической трубе и определять ее значение?

13.Поясните устройство индукционного анемометра.

14.Нарисуйте схему индукционного анемометра и поясните ее работу.

15.Как зависит от скорости амплитуда и частота выходного сигнала индукционного анемометра?

16.Поясните принцип работы мостовой диодной схемы двухполупериодного выпрямителя.

17.Какие функции выполняет сопротивление нагрузки в схеме индукционного анемометра?

18.Какие функции выполняет конденсатор в схеме индукционного анемометра? Как изменится выходной сигнал в отсутствие конденсатора?

19.Перечислите погрешности индукционного анемометра и способы их устранения.

20.Нарисуйте градуировочный график для индукционного анемометра. Как по этому графику определить чувствительность и пороговую скорость?

21.Какие способы Вы рекомендуете для увеличения чувствительности индукционного анемометра?

22.Каков порядок градуировки индукционного анемометра?

23.Поясните устройство фотоэлектрического анемометра.

24.Какие способы измерения частоты импульсного сигнала фотоэлектрического анемометра Вам известны?

25.Нарисуйте схему частотомера с тиристором и поясните принцип ее действия.

26.Какую роль играет триггер Шмитта в схеме фотоэлектрического анемометра?

27.Нарисуйте градуировочный график фотоэлектрического анемометра. Как по этому графику определить чувствительность и пороговую скорость?

28.Коков порядок градуировки фотоэлектрического анемометра?

29.Напишите уравнение для разности ω-Ω и поясните, что такое путь синхронизации чашечной вертушки.

30.Нарисуйте график зависимости угловой скорости вертушки от времени ω(τ) и проиллюстрируйте понятие времени синхронизации.

31.Что является постоянной величиной для вертушки - путь синхронизации или время синхронизации?

32.От каких параметров вертушки зависит путь синхронизации?

33.Нарисуйте график зависимости ω(τ) при разной величине установившейся угловой скорости Ω. Проиллюстрируйте на графике зависимость времени синхронизации от скорости ветра.

34.Поясните формулой зависимость времени синхронизации от скорости ветра.

35.Как Вы нарисуете график изменения показаний ротоанемометра при прямоугольных флуктуациях скорости ветра?

36.Какую ошибку совершает метеонаблюдатель при осреднении показаний ротоанемометра? Поясните происхождение этой ошибки.

37.Поясните, как определить время синхронизации индукционного анемометра, пользуясь стрелочным прибором.

38.Какие расчеты Вам необходимо сделать при определении времени синхронизации? Поясните на графике ω(τ) , какие величины Вы будете рассчитывать.

39.Какие графики Вы должны построить при домашней обработке результатов?

43.Как рассчитать путь синхронизации по результатам Ваших измерений?

2. Руководство к лабораторным работам по экспериментальной физике атмосферы. Под ред. Качурина Л.Г. и Мержеевского А.И. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 510 с.

Редактор И.Г. Максимова

ЛР №020309 от 30.12.96

Подписано в печать 26.03.2001г. Формат 60×90 1/16

Бумага кн.-жур.

Печ.л.1,2