(044) 221-93-73 (068) 867-43-47 (099) 423-46-53 (073) 041-80-26

Анемометр – прилад для визначення швидкості та напрямку руху потоку

АНЕМОМЕТРце прилад для вимірювання швидкості потоків та напрямку руху повітря, газів та рідин. Це стосується як обмежених потоків, наприклад руху повітря в повітропроводах, так і необмежених потоків, наприклад атмосферного вітру. Анемометри мають перш за все метеорологічне призначення, адже зміни таких параметрів як швидкість та напрям вітру вказують на зміни погодних умов, попереджають про наближення грози, шторму, інших небезпечних природних явищ, що є дуже важливим для пілотів, моряків, інженерів, та і для всіх нас. Як правило, це легкі портативні прилади, зручні у користуванні навіть в складних польових умовах.

Принцип роботи анемометра полягає у виявленні зміни деякої фізичної властивості потоку, або у дії потоку на механічний пристрій, розміщений в потоці. При цьому анемометр може вимірювати повну величину швидкості, величину швидкості в площині та компоненту швидкості в певному напрямку. Крім того, сучасні анемометри в залежності від моделі можуть вимірювати напрям вітру, об’ємну витрату повітря, вологість, температуру, тиск. Таким чином, анемометри перетворюються на портативні метеостанції. 

Типи анемометрів

В залежності від способу вимірювання та типу приймального пристрою анемометри поділяють на ряд типів: [5]:

  • Обертальні (крильчатні, чашкові)
  • Теплові
  • Вихрові
  • Динамометричні (з трубками Піто)
  • Ультразвукові (акустичні)
  • Оптичні (лазерні допплерівські)

Найбільш поширеними є обертальні анемометри, що відрізняються типом приймаючого пристрою (чашка чи крильчатка).

 

В чашкових анемометрах чутливим елементом є хрестовина з чотирма металевими чашками напівсферичної форми, що закріплені на осі. Якщо цей пристрій потрапляє в потік, то тиск повітря на внутрішню поверхню чашки перевищує тиск на її зовнішню поверхню, внаслідок чого виникає обертання лопаті. Вісь лопаті приєднана до вимірювального механізму, який підраховує кількість обертів за певний проміжок часу. Таким чином, чашкові анемометри проводять вимірювання швидкості потоку в площині, перпендикулярній до осі обертання чашок, миттєву, або усереднену в деякому проміжку часу. Чашкові анемометри в основному використовується в метеорології для вимірювань на відкритих ділянках, оскільки характеризуються певною стійкістю до турбулентних потоків. Діапазон вимірювання чашкових анемометрів складає від 1 до 50 м/с.

Крильчатні анемометри використовують для вимірювання швидкостей потоків в трубах, вентиляційних шахтах і каналах, в системах кондиціювання, тобто у випадках, коли маємо справу з постійним напрямком руху потоку. Ці анемометри є більш чутливими і здатні вимірювати швидкості від 0,1 м/с. Приймаючий пристрій має вигляд крильчатки, яка приводиться в рух потоком газу. Крильчатка прикріплена до трубчастої осі, що в свою чергу приєднана до механізму підрахунку обертів за певний проміжок часу. В більш простих моделях крильчатка жорстко приєднана до вимірювального блоку, в інших – за допомогою гнучкого з’єднання для вимірювань у важкодоступних місцях.

Менш поширені, проте дуже високоточні теплові анемометри. В основному, вони використовуються для вимірювання швидкостей повільних потоків, характеризуються низькою інерційністю, проте потребують постійного калібрування. Принцип роботи теплового анемометра полягає у вимірюванні температури пластини чи нитки розжарювання, на яку дме вітер. В залежності від швидкості вітру, необхідна різна енергія для того, щоб підтримувати температуру сталою. Тобто за температурою пластини можна визначити швидкість вітру.

Вимірювання швидкості потоку повітря можна проводити також шляхом визначення тиску повітря всередині скляної Г-подібної трубки, закритої з одного кінця. Вона називається трубкою Піто, за ім’ям її винахідника. Швидкість руху повітря обчислюється шляхом порівняння надлишкового тиску повітря всередині трубки та зовні. Застосовується для визначення відносної швидкості і об'ємної витрати в газоходах і вентиляційних системах. Це так звані динамометричні анемометри.

Принцип роботи ультразвукового анемометра ґрунтується на вимірюванні швидкості звуку між передавачем та приймачем в залежності від швидкості вітру. Це високоточні сучасні анемометри, призначені також для вимірювань напрямку вітру. Розрізняють двомірні та тримірні ультразвукові анемометри. Двомірний анемометр може вимірювати швидкість і напрямок тільки горизонтальних потоків повітря. Тримірний анемометр здатний проводити вимірювання трьох компонент напрямку руху потоку. Крім того, ультразвуковий анемометр має можливість вимірювати ще й температуру повітря ультразвуковим методом.

Інженери Aerospace і фізики часто використовують лазерні доплерівські анемометри. Цей тип анемометрів працює за принципом залежності частоти світла, відбитого чи розсіяного рухомим об’єктом (ефект Доплера), від швидкості цього об’єкта. Це метод безконтактного вимірювання швидкості потоку газоподібних, рідких і твердих середовищ, що містять світлорозсіюючі неоднорідності, тобто швидкість вимірюється без збурення потоку. Коло задач для цього методу дуже широке, від вимірювань повільних направлених рухів в капілярах і живих клітинах, до дистанційних вимірювань турбулентної швидкості потоків газу в надзвукових трубах та швидкості вітру в атмосфері. Величини швидкостей можуть мати значення від мкм/с до км/с. Лазерні анемометри допомагають розрахувати швидкість вітру навколо автомобілів, літаків і космічних апаратів. Такі дослідження дають можливість інженерам зробити транспортні засоби більш аеродинамічними.

Порівняльні характеристики анемометрів

Найпростіша модель анемометра TM-740 має шестилопатеву крильчатку діаметром 30 мм, яка жорстко з’єднана з вимірювальним блоком. Призначена для вимірювання швидкості потоку повітря в діапазоні 0,4-25 м/с. (Інші одиниці вимірювання: км/год, миль/год, вузли, фут/хв). Роздільна здатність на рівні 0,1 м/с та похибка ±2 % дозволяє проводити достатньо прецизійні вимірювання, а набір додаткових функцій, таких як утримання даних, розрахунок максимального, мінімального та середнього значення, автоматичного відключення роблять процес використання комфортним. Крім того є можливість вимірювання температури в діапазоні -20~50 ºC (-4~122 ºF).

Анемометри ET-935 та TA-1100 можна віднести до середнього класу за параметрами ціна-якість. Це термоанемометри, оснащені крильчаткою на гнучкому шнурі, що відкриває більш широкі можливості для вимірювань у важкодоступних місцях, таких як вентиляційні шахти, повітропроводи тощо. Діапазон вимірювання швидкості потоку таких термоанемометрів від десятих м/с до 30 м/с, що дозволяє працювати в різних умовах. Присутні і додаткові можливості, такі як утримання даних та розрахунок максимального значення в моделі TA-1100, розрахунок середнього значення в моделі ET-935, а також індикація низького заряду та автовимкнення. Інші одиниці вимірювання км/год, миль/год, морські милі/год, фут/хв. Ці моделі термоанемометрів оснащені датчиком з діапазоном вимірювання температури від -10 до 60ºС (ET-935 від -20 до 60ºС).

До висококласних моделей віднесемо термоанемометр HD 2303.0 від одного з провідних виробників контрольно-вимірювального обладнання DELTA OHM, Італія.

Цей термоанемометр призначений для вимірювання швидкості повітряного потоку, витрати і температури повітря всередині трубопроводів і вентиляційних отворів та шахт. Цілий ряд крильчаток різного діаметру, які сумісні з вимірювальним блоком, забезпечать прецизійний результат в різних умовах та для різних середовищ. Температура вимірюється зондами занурення, проникнення або контакту. Температурний діапазон експлуатації термоанемометра від -5 до +50 ºC, корпус має ступінь захисту від вологи та пилу ІР 67.
Окремо слід відзначити мультифункціональні анемометри, що разом з власне анемометром, поєднують в собі інші функціональні можливості. Наприклад, Модель ET-965 являє собою унікальний прилад (5 в 1), спеціально створений для комплексного екологічного контролю стану середовища в закритих приміщеннях. Дозволяє вимірювати такі параметри як: освітленість (люксметр), температура (термометр), швидкість повітря (анемометр), відносна вологість повітря (гігрометр), шум (шумомір). Характеризується високою точністю роздільною здатністю для всіх вимірювальних параметрів, має додаткові функції розрахунку максимуму/мінімуму, індикація про низький заряд та перевищення вимірювального діапазону. Призначений для застосування в навчальних закладах, офісних приміщеннях, складських приміщеннях, торгівельних залах тощо.
Анемометри AZ-96792 та AZ-8919 (AZ Instrument, Тайвань) також є мультифункціональними. Вони прості та зручні в користуванні, забезпечують високоточні результати вимірювань, мають ряд додаткових можливостей для зручності користувача, все це у поєднанні з помірною ціною як для приладів такого класу.
Модель AZ-96792 обладнана телескопічним зондом з крильчаткою 18мм для вимірювань швидкості потоку повітря у важкодоступних місцях, працює в ручному та автоматичному режимі, забезпечує вимірювання/запис наступних параметрів: швидкість руху повітря, об’ємна витрата повітря, вологість, температура, точка роси та температура мокрого термометра. Цей анемометр фактично э портативною метеостанцією! Має можливість підключення до ПК для збору подальшого аналізу отриманих результатів вимірювань

Анемометр-аналізатор AZ-8919 крім можливостей попередньої моделі, додатково контролює рівень вуглекислого газу в повітрі, для чого обладнаний високоточним недисперсійним інфрачервоним датчиком (NDIR).Зонд крильчатого типу діаметром 10 см та конус для забору повітряного потоку дозволяють вимірювати швидкість потоку в межах від 0,2 до 30 м/с. Вимірює також об’ємну витрату повітря, вологість, температуру, точку роси, температуру мокрого термометра. Має функції максимального та мінімального значення, необмежену кількість точок для розрахунку середнього значення, підсвічування.

Як визначити об’ємну витрату потоку повітря, знаючи його лінійну швидкість

В процесі вимірювання часто виникає потреба розрахувати об’ємну витрату повітря, знаючи його лінійну швидкість. Зробити це насправді надзвичайно просто. Для цього необхідно лише виміряти поперечний переріз отвору, через який протікає потік (повітря, будь якого іншого газу чи рідини). Далі скористаємось формулою:

Q = V * S
де Q – об’ємна витрата в м3/с,
V – швидкість потоку в перерізі в м/с (вимірюємо за допомогою анемометра),
S – площа поперечного перерізу отвору в м2 (вимірюємо рулеткою).

Як вибрати анемометр

Для оптимального вибору вимірювального приладу, перш за все визначтесь, в якому діапазоні швидкостей Вам необхідно працювати, проаналізуйте технічні вимоги до точності та роздільної здатності. Це є визначальним при виборі типу анемометра (тепловий, крильчатий, оптичний, тощо)

Підбирайте розмір крильчатки в залежності від того, де саме Вам потрібно проводити вимірювання. Наприклад, для вимірювань безпосередньо на вентиляційних решітках підійдуть анемометри з більшим діаметром крильчатки (6-10 см). В такому випадку розміри лопатей співрозмірні з діаметром вентиляційних каналів. Тоді як для вимірювань безпосередньо у вентиляційному каналі краще використовувати крильчатки з меншим діаметром (1,5-2,5 см). Для вимірювань потоків газів високої температури потрібно використовувати термостійкі крильчатки.

Зверніть увагу на спосіб візуалізації отриманих результатів та форму його подачі. Сучасні анемометри як правило оснащені для цього РК екраном. Вимірювання швидкості потоку для зручності може проводитись в різних одиницях (милі/год, км/год, фути/хв, м/с, вузли і т. д.). Більш дорогі моделі мають можливості підключення до ПК з метою обробки результатів, побудови графіків та подальшого аналізу.

Проаналізуйте необхідність додаткових функцій. Наприклад, гігро- та термоанемометри включають риси термоанемометра і датчик вологості, що забезпечують користувача повною метеорологічною інформацією. Можливості розрахунку максимального, мінімального та усередненого значення спрощують статистичний аналіз, автоматичного відключення економить заряд батареї, підсвітка дозволяє працювати при обмеженій освітленості.

Якщо вам все ж таки важко визначитися з моделлю, зверніться за консультацією до спеціалістів Маркету вимірювальних приладів SIMVOLT.

Таким чином, анемометри та термоанемометри знайшли широке застосування всюди, де є необхідність вимірювання швидкості потоків. Такі прилади встановлюються в житлових та виробничих приміщеннях, обладнаних системами вентиляції, опалення та кондиціювання для контролю роботи цих систем, у витяжних шафах, в науково-дослідних лабораторіях, у гірничій справі для контролю повітряного режиму шахти або кар’єру, на будівництві, під час розробки протипожежних систем, та для інших потреб.

Література:

  1. http://education.nationalgeographic.com/education/encyclopedia/anemometer/?ar_a=1
  2. http://www.omega.com/prodinfo/anemometers.html
  3. http://www.анероид.рф/info/articles/anemometr.htm
  4. http://ecounit.com.ua/artikle_102.html
  5. http://www.paygid.ru/articles/chto-takoe-anemometr-vidi-anemometrov/?q=726&n=1251
  6. http://www.paygid.ru/articles/kak-vibrat-anemometr/?q=726&n=1254
  7. http://www.google.com.ua/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&ved=0CEoQFjAD&url=http%3A%2F%2Fphys.sunmarket.com%2Fwww%2Fmedphys%2Fpract%2Fdopler.doc&ei=e2gMU9SnLOHqygPt-oHYCA&usg=AFQjCNGCK5lBGt1W2UXOigTTKPMinhjBwA&sig2=uXbYA_AKXxyZoKriCwfApQ&bvm=bv.61725948,d.bGQ

 

Гнатюк Олена,
к.ф.-м. наук,
науковий консультант SIMVOLT