Измерительная техника – Центральный научно-исследовательский институт «Волна»
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью (Источник определения – Википедия).
Но есть физические величины, у которых неоднозначно определяются их значения. Наши инженеры с повышенным интересом занимаются разработкой методов и, на их основе, приборов по нахождению данной количественной информации о заданных объектах измерения. Мы называем эти величины «виртуальными».
Мы занимаемся разработкой электроники и методом нахождения границ тумана, мы определяем интегральную оценку векторных величин слабо управляемых физических состояний (например, воздушной среды)… Нас интересуют и другие, не измеряемые прямым методом физические величины. Совершенствование теоретических основ наших приборов проводят ученые, отдавшие решению данных проблем более четверти века …
Совместно с нашими партнерами из МГГУ (кафедрой электротехники и информатики под руководством профессора С.
З. Шкундина) мы довели до серийного производства Анемометр АПА-1 — первый в нашей стране промышленный прибор отвечающий требованиям Приказа от 2011 г. N 1034 Минздравсоцразвития в части граничных параметров по обеспечению безопасных условий работы и охраны труда. Не многие центры Росстандарта способны поверить границу в 0,05 м/с воздушного потока измеряемую нашим прибором. Наш же прибор индицирует показания и до 0,01 м/с с переходом через нулевое значение на противоположное. В настоящий момент проводятся работы по разработки ИНТЕГРАЛЬНОГО АНЕМОМЕТРА (ИНТАН) позволяющего сократить ручной контроль на шахтах.
С конкретными характеристиками разработанных приборов можно ознакомиться в разделе «Продукция» ˃ «Измерительная техника».
Мы разрабатываем третье поколение электронных приборов для регистраторов нижней границы облачности и вертикальной видимости, которые используются Лыткаринским заводом оптического стекла для комплексов РВО-3, РВО-5, РВО-7… Они не только измеряют до 3-х слоев облаков одновременно, но и передают полученную информацию на расстояние не менее 10 км по обычным кабелям (свойства которых не отвечают современным требованиям, но еще находятся в эксплуатации в небольших, средних аэропортах).
При создании этих и других приборов мы изучаем и объединяем разные физические величины: световые потоки и электро-магнитные импульсы, от воздействия которых и деревья качаются, и точки привязки их корней к звездам (здесь можно ознакомиться с подразделом «Навигационное оборудование» в разделе «Продукция» ).
Наши приборы могут использоваться в широком спектре климатических условий по большинству групп жесткости (под условия заказчика). Их пригодность для эксплуатации в российском климате подтверждена специалистами из всех регионов страны. Помимо этого, наши приборы обладают высокой точностью измерений. Что касается внешнего оформления прибора, то он выполнен в современном стиле с учетом требований эргономики с удобным и понятным интерфейсом. Сочетание этих преимуществ делает наши модели одними из самых популярных…
В своих разработках мы не упускаем возможность создать приборы для школ и институтов, которые должны иметь повышенную защиту по электробезопасности.
С конкретными характеристиками разработанных приборов можно ознакомиться в разделе «Продукция» ˃ «Измерительная техника».
P.S.
На предприятии работает коллектив, который приобрел опыт работы на Московском заводе измерительной аппаратуры, на котором, до его закрытия, выпускались многие стандартные приборы. Есть заказ – сделаем…
Анемометр – 3D Mesh
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
Анемо́метр, ветроме́р[1][2] (от др.-греч. ἄνεμος — ветер и μετρέω — измеряю) — прибор для измерения скорости движения газов, воздуха в системах, например, вентиляции. В метеорологии применяется для измерения скорости ветра.
По принципу действия различают механические анемометры, в которых движение газа приводит во вращение чашечное колесо или крыльчатку (подобие воздушного винта), тепловые анемометры, принцип действия которых основан на измерении снижения температуры нагретого тела, обычно накаливаемой проволоки, от движения газа, ультразвуковые анемометры, основаны на измерении скорости звука в газе в зависимости от движения его, так, навстречу ветру скорость звука ниже, чем в неподвижном воздухе, по ветру — наоборот, выше.
Содержание
- 1 Механические анемометры
- 1.1 Чашечный анемометр
- 1.2 Крыльчатые анемометры
- 2 Тепловой анемометр
- 3 Ультразвуковой анемометр
- 4 См. также
- 5 Примечания
- 6 Литература
Механические анемометры
Чашечный анемометр
Наиболее распространённый тип анемометра — это чашечный анемометр. Изобретён доктором Джоном Томасом Ромни Робинсоном, работавшем в обсерватории Армы, в 1846 году. Состоит из четырёх полусферических чашек, симметрично насаженных на крестообразные спицы ротора, вращающегося на вертикальной оси.
Ветер любого направления вращает ротор со скоростью, пропорциональной скорости ветра.
Робинсон предполагал, что для такого анемометра линейная скорость кругового вращения чашек составляет одну треть от скорости ветра, и не зависит от размера чашек и длины спиц. Проделанные в то время эксперименты это подтверждали.
Трёхчашечный ротор, предложенный канадцем Джоном Паттерсоном в 1926 году, и последующие усовершенствования формы чашек Бревортом и Джойнером в 1935-м году сделали чашечный анемометр линейным в диапазоне до 100 км/ч (27 м/с) с погрешностью около 3 %. Паттерсон обнаружил, что каждая чашка даёт максимальный вращающий момент, будучи повёрнутой на 45° к направлению ветра. Трёхчашечный анемометр отличается бóльшим вращающим моментом и быстрее отрабатывает порывы, чем четырёхчашечный.
Оригинальное усовершенствование чашечной конструкции, предложенное австралийцем Дереком Вестоном (в 1991 г.), позволяет с помощью того же ротора определять не только скорость, но и направление ветра. Оно заключается в установке на одну из чашек флажка, из-за которого скорость ротора неравномерна в течение одного оборота (половину оборота флажок движется по ветру, половину оборота — против).
Определив круговой сектор относительно метеостанции, в котором скорость увеличивается или уменьшается, определяется направление ветра.
Вращение ротора в простейших анемометрах передаётся на механический счётчик числа оборотов. Скорость подсчитывается по числу оборотов за заданное время, например, минуту, таковы ручные анемометры.
В более совершенных анемометрах ротор связан с тахогенератором, выходной сигнал которого (напряжение) подаётся на вторичный измерительный прибор (вольтметр), или используются тахометры, основанные на иных принципах. Такие анемометры сразу показывают мгновенную скорость ветра, без дополнительных вычислений, и позволяют следить за изменениями скорости ветра в реальном времени.
Самые распространённые модели современности среди чашечных анемометров это МС 13, М 95ЦМ, анемометр АРЭ
Помимо метеорологических измерений, чашечные анемометры применяются и на башенных подъёмных кранах, для сигнализации об опасном превышении скорости ветра.
Крыльчатые анемометры
В таких анемометрах поток воздуха вращает миниатюрное лёгкое ветровое колесо (крыльчатку), ограждённую металлическим кольцом для защиты от механических повреждений.
Ручные крыльчатые анемометры применяются для измерения скорости направленного воздушного потока в трубопроводах и коробах вентиляционных устройств для вычисления расхода вентиляционного воздуха в вентиляционных отверстиях, воздуховодах жилых и производственных зданий.
Наиболее распространённые анемометры с крыльчаткой-зондом — это Testo 416, анемометр ИСП-МГ4, анемометр АПР-2 и другие.
Тепловой анемометр
Принцип работы таких анемометров, часто называемых термоанемометрами, основан на увеличении теплопотерь нагретого тела при увеличении скорости обдувающего более холодного газа — изменение числа Нуссельта.
Это явление всем знакомо, известно, что при холодной ветреной погоде ощущение холода сильнее, при равных температурах воздуха.
Конструктивно представляет собой открытую тонкую металлическую проволоку (нить накаливания), нагреваемую выше температуры среды электрическим током.
Проволока изготавливается из металла с положительным температурным коэффициентом сопротивления — из вольфрама, нихрома, платины, серебра и т. п.)
Сопротивление нити изменяется от изменений температуры, таким образом по сопротивлению можно измерить температуру. Температура определённым образом зависит от скорости ветра, плотности воздуха, его влажности.
Проволока термодатчика включается в электронную схему. В зависимости от метода включения датчика различают приборы с стабилизацией тока проволоки нить, стабилизацией напряжением и с термостатированием проволоки. в первых двух методах характеристикой скорости является температура проволоки, в последнем — мощность потребная для термостабилизации.
Термоанемометры широко используется практически во всех современных автомобилях в качестве датчика массового расхода воздуха (ДМРВ).
Недостатки термоанемометров — низкая механическая прочность, так как применяемая проволока очень тонкая, другой недостаток — нарушение калибровки из-за загрязнения и окисления горячей проволоки, но, так как они практически безынерционны, широко применяются в аэродинамических экспериментах для измерения локальной турбулентности и пульсаций потока.
Ультразвуковой анемометр
Принцип действия анемометров ультразвукового типа основан на измерении скорости звука, которая изменяется в зависимости от ориентации вектора движения воздуха (направления ветра) относительно пути распространения звука.
Существуют двухкомпонентные ультразвуковые анемометры — измеряют помимо скорости и направление ветра по частям света — направление горизонтального ветра и трёхкомпонентные ультразвуковые анемометры — измерители всех трёх компонент вектора скорости воздуха.
Скорость звука в таких анемометрах измеряется по времени прохода ультразвуковых импульсов между фиксированным расстоянием от излучателя до ультразвукового микрофона, затем измеренные времена пересчитываются в две или три компоненты скорости движения воздуха.
Так как скорость звука в воздухе зависит ещё от температуры (возрастает пропорционально корню квадратному из абсолютной температуры), в ультразвуковых анемометрах обязательно есть термометр, по показаниям которого вносятся поправки в вычисления скорости ветра.
Многие современные модели электронных анемометров позволяют измерять не только скорость ветра (это основное предназначение прибора), но и снабжены дополнительными удобными сервисными функциями — вычисления объёмного расхода воздуха, измерения температуры воздуха (термоанемометр), влажность воздуха (термоанемометр с функцией измерения влажности).
Российскими предприятиями также выпускаются многофункциональные приборы, которые содержат в себе функции как термоанемометра, так и гигрометра (измерение влажности) и манометра (измерение дифференциального давления в воздуховоде). Например, метеометр МЭС200, дифманометр ДМЦ01М. Такие приборы используются при создании, обследовании, ремонте, поверке вентиляционных шахт в зданиях любого типа.
Как правило, все выпускаемые на территории РФ анемометры подлежат обязательной сертификации и государственной поверке, так как являются средствами измерения.
Некоторые народные умельцы делают самодельные анемометры для собственных бытовых нужд, например, для сада-огорода.
См. также
- Анеморумбограф
- Шкала Бофорта
This article uses material from the Wikipedia article “Анемометр”, which is released under the Creative Commons Attribution-Share-Alike License 3.0. There is a list of all authors in Wikipedia
анемометр — Викисловарь
Содержание
- 1 Английский
- 1.1 Альтернативные формы
- 1.2 Этимология
- 1.3 Произношение
- 1.4 Существительное
- 1.4.1 Синонимы
- 1.4.2 Производные термины
- 1.4.3 Связанные термины
- 1.4.4 Переводы
- 1.4.5 Дополнительная литература
- 1.5 Анаграммы
- 2 голландский
- 2.1 Этимология
- 2.2 Произношение
- 2.3 Существительное
- 3 Норвежский букмол
- 3.1 Существительное
- 3.2 Каталожные номера
- 4 Норвежский нюнорск
- 4.
1 Существительное - 4.2 Каталожные номера
- 4.
1 СуществительноеАнглийский[править]
Анемометр.Альтернативные формы
- анемометр (нестандартный)
Этимология
Произношение[править]
- (Полученное произношение) IPA (ключ) : /ænɪˈmɒmətə/, /ænɪˈmɒmɪtə/
- (США) IPA (ключ) : /ænɪˈmɑːmətɚ/
Audio (US) (файл)
Существительное [Прайти]
( PLURAL
- (метеорология) Прибор для измерения и регистрации скорости ветра, анемометр.
Синонимы[править]
- анемометр
- анемометр
Производные термины[править]
- чашечный анемометр
Родственные термины[править]
Переводы[править]
прибор для измерения и регистрации скорости ветра
|
Дополнительная литература[править]
- анемометр в Википедии. Википедия
ВикипедияАнаграммы
- анемометр
Этимология
Эта этимология неполная. Вы можете помочь Викисловарю, уточнив происхождение этого термина.Произношение
| Аудио | (файл) |
Noun[edit]
anemometer m ( plural anemometers , diminutive anemometertje n )
- (метеорология) анемометр, анемометр [с конца 18 в.]
Норвежский букмол0005
Wikipedia no
Noun[edit]
anemometer n ( definite singular anemometeret or anemometret , indefinite plural anemometer or anemometre , определенное множественное число анемометра или анемометрен )
- (метеорология) анемометр
Ссылки[править]
- «анемометр» в Словарь букмола .
Norwegian Nynorsk[edit]
Norwegian Nynorsk Wikipedia has an article on:
vindmålar
Wikipedia nn
Noun[edit]
anemometer n ( definite singular анемометр , неопределенное множественное число анемометр , определенное множественное число анемометра )
- (метеорология) анемометр
Список литературы
Анемометр и лидар – ZfP
Даниэль Вебер, Зимний семестр 2016/2017
Поскольку ветер влияет практически на каждую наружную конструкцию или объект, измерение скорости и направления ветра долгое время было проблемой для человечества. . Это привело к появлению нескольких различных методов измерения и устройств, подходящих для различных измерительных сред.
Одним из современных приложений для измерения ветра является ветроэнергетика, где измерение скорости ветра влияет на каждый этап проекта. На возможном участке ветроэнергетики ветроэкспертиза позволяет оценить прибыльность до начала строительства. Для работающих ветряных турбин скорость и направление ветра являются важными входными данными для систем управления. Ротор должен быть направлен в направлении ветра, когда доступна скорость ветра для включения, а скорость ветра для отключения важна для безопасности строительства. В следующей статье представлены две измерительные системы, анемометрия и LIDAR, с акцентом на измерение ветра для приложений ветроэнергетики. 9Рис. 1: Чашечный анемометр.
Источник: Штефан Кюн https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Anemometer.jpg
Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Неперенесенная лицензия
Анемометрия
прибор для измерения скорости ветра. Его название происходит от греческого слова anemos, означающего ветер, с добавлением суффикса -метр, обозначающего измерительное устройство.
Анемометры относятся к старейшим приборам для измерения ветра. В настоящее время существуют как базовые механические, так и высокотехнологичные устройства. Измерения скорости ветра обычно делятся на стандартные метеорологические и микрометеорологические наблюдения. Первые измеряются в масштабах от нескольких минут и выше, а вторые — в гораздо меньших масштабах вплоть до мгновенного измерения. В настоящее время доступно множество различных типов анемометров . Механический, пропеллерный или чашечный 9Анемометры 0454 в основном используются для стандартных измерений. Они отличаются высокой надежностью, большими габаритами и замедленным действием, обусловленным моментом инерции. Для кратковременных измерений, т.е. турбулентность атмосферы, акустические Анемометры являются наиболее распространенными прецизионными приборами в ветроэнергетике. [1] Другими методами являются тепловые анемометры или лазерная доплеровская анемометрия , которые далее в этой статье не рассматриваются.
Вращающийся анемометр
Существует два типа вращающихся анемометров : чашечный анемометр с тремя или четырьмя чашечными колесами и пропеллерный анемометр с лопастями пропеллера, прикрепленными к оси вращения. В то время как чашечный анемометр имеет вертикальную ось, следовательно, он не зависит от направления ветра, анемометр с пропеллером имеет горизонтальную ось, поэтому он должен быть ориентирован по направлению ветра. Обычно это делается флюгером. 9Рис. 2. Анимация чашечного анемометра.
Источник: Ян Барани https://en.wikipedia.org/wiki/File:Cup-Anemometer-Animation.gif
Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Неперенесенная лицензия
Принцип измерения
Скорость ветра измерение основано на пропорциональности скорости ветра скорости вращения чашечного или пропеллерного ротора. [2] Существуют различные типы вращающихся анемометров , в следующих примерах кратко представлены два типа: генераторный и механический.
Классический тип генератора имеет чашку или ось пропеллера, непосредственно соединенную с осью генератора. Вращающаяся ось генерирует напряжение, пропорциональное скорости вращения и тем самым пропорциональное скорости ветра. Другой конфигурацией является генератор импульсов, который поставляется в различных конфигурациях. [3] A механический 9Анемометр 0455 основан на подсчете количества оборотов чашки. Через шестерни, соединенные с осью вращения, счетчик показывает количество оборотов чашки. В самом простом варианте число оборотов приходится считывать вручную, что обеспечивает бесшумную работу. Тем не менее, эта установка является необычной в настоящее время. [4]
Учет ошибок
Важным параметром для измерения скорости ветра с помощью вращающихся анемометров является характеристика отклика. Для чашек анемометров на него влияют сила трения и момент инерции. Поскольку оба параметра не могут быть сведены к нулю, они вызывают запаздывающую реакцию на изменение скорости ветра, что приводит к ошибкам в измерении скорости ветра.
Поскольку реакция на увеличение скорости ветра быстрее, чем на уменьшение, измеренная средняя скорость ветра выше истинного среднего значения. [5] Для пропеллерных анемометров реакция крыльчатки вызывает задержку отклика при ориентации, что приводит к ошибкам измерения. [4] Другим аспектом ошибки является горизонтальный характер измерения вращающихся анемометров . На практике необходимо учитывать влияние вертикальной составляющей ветра на скорость вращения. [5]
Рис. Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Prop_vane_anemometer.jpg Любезно предоставлено: Программа измерения атмосферного излучения Министерства энергетики США |
Применение
Вращающиеся анемометры , особенно трехчашечные анемометры , широко используются в качестве обычных приборов для измерения скорости ветра, обеспечивая простоту установки и надежность в эксплуатации.
Он широко используется в аэропортах, на метеостанциях и вокруг ветряных турбин. Из-за ограниченного временного разрешения вращающиеся анемометры в основном используются для измерения средней скорости ветра. Обычный интервал для будет 10 минут, где вращение анемометры идеально подходят при условии надлежащей калибровки.
Преимущества
- Сравнительно простые
- надежные, с небольшим временем простоя
- Доказаны для средних значений
Недостатки
- Поведение с задержкой
- Недостаточное для мгновенного измерения
- . измерения вертикальная составляющая ветра может повлиять на результат
Анемометры Sonic
Анемометры Sonic используют ультразвуковые звуковые волны для измерения скорости ветра путем оценки времени работы между двумя преобразователями. В то время как ультразвуковые волны распространяются со скоростью около 330 м/с в безветренных условиях, скорость звука незначительно меняется при ветре.
Ветер, движущийся в том же направлении, что и звук, увеличивает скорость звука, тем самым сокращая время работы, в то время как обратное верно для встречного ветра. [5]
Для заданной длины пути L между двумя датчиками измеряется время прохождения ультразвукового сигнала от датчика 1 до датчика 2 (время прохождения t_1) и наоборот (время в пути т_2). Для одного направления ультразвукового сигнала составляющая ветра, параллельная пути, действует как попутный ветер, в то время как для противоположного направления она действует как встречный ветер, так что результирующая величина вектора потока V и скорость звука C выражаются следующим образом: 9{-1})
На основании измерений двух или более противоположных пар датчиков, ориентированных в разных направлениях, результирующий вектор потока может быть рассчитан по его компонентам V.
Рисунок 4: 2D-ультразвуковой анемометр с 3 путями, центральный шип не работает, но защищает от панировки птиц.
Источник: Noar 91 https://en.wikipedia.org/wiki/File:Ultrasonic_Windsensor.png
Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Неперенесенная лицензия
Учет ошибки
Основным недостатком является влияние несущей конструкции преобразователя на ветровой поток. Это вызывает аэродинамическую турбулентность, поэтому прибор требует тщательной калибровки. Еще один недостаток — метеозависимость. Анемометр Sonic обеспечивает меньшую точность измерения осадков, когда капли дождя ухудшают скорость звука. [5]
Приложение
Этот метод обеспечивает очень высокое временное разрешение (20 Гц или лучше), поэтому он подходит для измерений турбулентности. Еще одним преимуществом является отсутствие движущихся частей, что делает их более пригодными для длительного использования в открытых местах, где соленый воздух или большое количество пыли могут ухудшить работу традиционных вращающихся анемометров .
В зависимости от конфигурации измерения могут выполняться 1-, 2- или 3-мерными. Для ветровых установок 2D-sonic 9Анемометр 0454 является наиболее распространенной конфигурацией. Для них необходимо различать устройства с двумя ультразвуковыми путями, имеющими четыре плеча, и устройства с тремя ультразвуковыми путями, имеющими три плеча. Первый способен измерять горизонтальный вектор ветра, однако ошибка измерения увеличивается для ветра в направлении одного ультразвукового пути из-за влияния несущей конструкции. Трехлучевая установка технически более сложна, но она предлагает один ультразвуковой путь в качестве резерва, что обеспечивает более высокую точность и меньшую аэродинамическую турбулентность. [7]
Методы с использованием теплового излучения
Другой тип анемометров – это термоанемометры , также называемые тепловыми анемометрами . Они основаны на принципе теплового излучения, но представлены лишь кратко, поскольку не имеют общего применения в энергии ветра.
Скорость ветра рассчитывается путем электрического нагрева очень тонкой проволоки до температуры выше температуры окружающей среды и последующего измерения конвективных потерь тепла в окружающую жидкость. Воздух, обтекающий провод, оказывает охлаждающее действие, величина которого зависит от скорости ветра. Для большинства металлов электрическое сопротивление является функцией температуры (для тепловых анемометры , по этой причине широко используется вольфрам), следовательно, охлаждение проволоки можно измерить по разности тока и напряжения. [7] Тепловая анемометрия является наиболее распространенным методом измерения мгновенной скорости ветра из-за его высокочастотного разрешения. Тем не менее, тепловая анемометрия чрезвычайно деликатна, поэтому ее нельзя использовать на открытом воздухе на ветровых электростанциях.
Литература Анемометрия
- Краус, Х.: Die Atmosphäre der Erde. Springer Berlin Heidelberg (2004), с. 34 – 37.
- Кристенсен, Л. Метеорология пограничного слоя (2002) 103: 163.
- Педерсен, Б.М. и др.: Рекомендуемая практика испытаний и оценки ветряных турбин. 11. Измерение скорости ветра и применение чашечной анемометрии, то есть ветра (2003), с.1 – 48.
- Соловьев Ю.П., Коровушкин А.И. & Толокнов Ю.Н. Physical Oceanography (2004) 14: 173.
- Шривастава, Г.П.: Приземные метеорологические приборы и практика измерений. Atlantic Publishers & Dist (2009 г.)), стр. 180 – 233.
- Уокер, И. Дж.: Физические и логистические аспекты использования ультразвуковых анемометров в исследовании переноса эоловых отложений. Геоморфология (2005) 68:1–2, с. 57-76.
Интернет-ресурсы
- Университет Западной Австралии — CITS4419 Мобильные и беспроводные вычисления: датчик скорости ветра
/Wind%20Speed%20Sensor.pdf
- Японское метеорологическое агентство: Глава 4 Измерение приземного ветра
http://www.jma.go.
jp/jma/jma-eng/jma-center/ric/material/1_Lecture_Notes/CP4-Wind.pdf
Список литературы Анемометрия
- Соловьев Ю.П., Коровушкин , А.И. & Толокнов Ю.Н. Physical Oceanography (2004) 14: 173.
- Kraus, H.: Die Atmosphäre der Erde. Springer Berlin Heidelberg (2004), с. 34 – 37.
- Шривастава, Г. П.: Приземные метеорологические приборы и практика измерений. Atlantic Publishers & Dist (2009), стр. 180–233.
- Японское метеорологическое агентство: Глава 4 Измерение приземного ветра
- Педерсен, Б. М. и др.: Рекомендуемая практика испытаний и оценки ветряных турбин. 11. Измерение скорости ветра и использование чашечной анемометрии, то есть ветра (2003 г.), стр. 1–48.
- Уокер, И. Дж.: Физические и логистические аспекты использования ультразвуковых анемометров в исследовании переноса эоловых отложений. Геоморфология (2005) 68:1–2, с. 57-76.
- Университет Западной Австралии: CITS4419 Мобильные и беспроводные вычисления: Датчик скорости ветра
LIDAR
LIDAR — это дистанционный метод неразрушающих измерений, использующий свойства рассеяния и распространения света газами, жидкостями и твердыми телами для определения некоторых их физических характеристик.
Лидар работает аналогично радару, но главное отличие заключается в использовании лазерных лучей вместо радиоволн. Его применения многочисленны, LIDAR может базироваться на земле, самолете или в космосе и использоваться в нескольких областях, например. океанография, топография или измерение свойств атмосферы. [1] Рассматриваются два разных этимологических происхождения LIDAR . В то время как некоторые источники трактуют его как аббревиатуру от Li ght D etection a nd R anging или, альтернативно, L aser D etection a nd a nd a nd nd nd nd чемодан li ght и ra dar . Эта этимология поддерживается Оксфордским словарем английского языка.
В то время как физическая основа, описанная в этой статье, в целом верна для LIDAR , основное внимание в этой статье уделяется измерению свойств атмосферы, таких как: плотность воздуха, скорость и направление ветра, температура воздуха и т.
д. Наземный лидарный сканер HDS-3000 с горизонтально вращающейся головкой и вертикально поворачивающимся зеркалом.
Источник: Дэвид Моннио https://en.wikipedia.org/wiki/File:Lidar_P1270901.jpg
Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Неперенесенная лицензия 98 м/с (в воздухе)
время работы туда-обратно ∆t [с]
Фактор 2 возникает из-за времени выполнения, измеряемого для кругового пути от источника к цели и обратно к источнику, что эквивалентно удвоенному расстоянию от источника до цели. Для заданного расстояния время работы можно рассчитать по формуле:
∆t=(2*l)/c \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (уравнение 2)
Основой измерения скорости с использованием технологии LIDAR является эффект Доплера. Основан Кристианом Допплером (1803-1853) для акустических волн, LIDAR использует принцип оптического эффекта Доплера, описывая частотный сдвиг из-за относительного движения источника относительно приемника волн.
Еще одним приложением, использующим эффект Доплера в неразрушающем измерении, является Laser_Vibrometry. Воспринимаемая частота
f_1 выражается как:
f_1=f_0*(1+v⁄c) \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (ур. 3)
С:
Исходная длина волны: λ_0 [м]
исходная частота: f_0 [Гц] = c/λ_0 98 м/с (в воздухе)
относительная скорость по линии прямой видимости: v [м/с]
Доплеровский сдвиг: v/c [-]
Второй доплеровский сдвиг f1 приводит к:
f_2=f_1*(1+v⁄c) \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (ур. 4)
Полный сдвиг можно определить, объединив оба уравнения, пренебрегая квадратичным членом для v << c (обычно верно для работы LIDAR ):
∆f=f_2-f_0=2*f_0*v⁄c \qquad \qquad \qquad \qquad (уравнение 5)
Соответственно полный сдвиг длины волны ∆λ от длины волны излучения λ_0 можно получить:
∆λ=2*λ_0*v⁄c \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (ур. 6)
Технические основы LIDAR
[3] Расстояние до места рассеяния рассчитывается по времени выполнения измерение по уравнению 1.
При таком подходе лидар может быть наведен на определенное расстояние путем оценки записанного сигнала обратного рассеяния света после соответствующего времени работы (уравнение 2). Лидар , используемый для определения параметров атмосферы, основан на взаимодействии излучаемого света (лазера) с атмосферными компонентами (например, аэрозолями) и измеряет доплеровский сдвиг путем сравнения частоты исходного и обратно рассеянного света. Это позволяет наблюдать за такими параметрами, как температура, давление, влажность и концентрация газов. Сначала LIDAR является излучателем света, который обратно рассеивается атмосферными составляющими. Относительное движение 9Система 0454 LIDAR по отношению к отражающей частице приводит к первому доплеровскому сдвигу (уравнение 3). На втором этапе лидар становится наблюдателем обратно рассеянного света, вызывая второй доплеровский сдвиг из-за того же относительного движения (уравнение 4). В конце концов, полный сдвиг описывается уравнением.
5.
Из-за незначительной скорости падения аэрозольные частицы особенно подходят для отслеживания движения воздуха. [4] В ветроэнергетике, LIDAR 9Системы 0455 в основном используются для измерения скорости ветра. Сканирование происходит в нескольких точках по 2 осям, сканирование обычно выполняется в горизонтальном, коническом или вертикальном сечениях. Лазерный луч направляется внутренним вращающимся зеркалом, упрощенное сканирование вдоль одной оси показано на рисунке 7. Поскольку измеряется только осевая скорость ветра, общий вектор скорости ветра должен быть рассчитан как минимум по трем точкам измерения.
| Рис. 6: Работа лидара – излучаемая волна с частотой f0 рассеивается обратно аэрозольными частицами, доплеровский сдвиг приводит к новой частоте f1. | Рис. 7: Многоточечное сканирование по горизонтальной оси. Нажмите Изображение, чтобы начать анимацию. Источник: Mike1024 https://en.wikipedia.org/wiki/File:LIDAR-scanned-SICK-LMS-animation.gif Загружено создателем как: «Я, правообладатель этого произведения, выпускаю это произведение в общественное достояние. Это применимо во всем мире. В некоторых странах это может быть юридически невозможно, если да: я предоставляю любому право использовать это произведение в любых целях без каких-либо условий, если только такие условия не требуются по закону». |
Различные типы лидарных измерений
[3]Когерентное или прямое обнаружение
При когерентном обнаружении доплеровский сдвиг измеряется путем сравнения частоты исходного и обратно рассеянного света. В системах прямого обнаружения оптический анализатор частоты, обычно интерферометр, используется для получения информации о частоте обратного сигнала.
Инфракрасный (ИК) или ультрафиолетовый (УФ) диапазон волн
Излучается ли инфракрасный или ультрафиолетовый свет, зависит от используемого лазерного источника.
ИК-свет отражается аэрозолями (мелкими частицами, пылью, солью, каплями воды и т. д.), тогда как УФ-свет отражается молекулами воздуха.
Импульсный или непрерывный сигнал
[5] Импульсный Системы LIDAR позволяют выполнять одновременные измерения на разных расстояниях, определяя изменения сигнала обратного рассеяния с течением времени относительно различных расстояний. Это делается путем измерения времени выполнения с учетом постоянной скорости света. (уравнение 2). Системы с непрерывным колебанием (CW), напротив, измеряют скорость ветра в определенном месте, фокусируя лазерный луч в этом месте. Поскольку преломление происходит по всему лазерному лучу, все значения скорости ветра интегрируются в соответствии с весовой функцией диапазона W(R), где R обозначает диапазон, на котором выполняется фокусировка. Благодаря этому подавляются части сигнала, рассеянного назад перед и за желаемым диапазоном. Можно регулировать разные фокусные расстояния, однако по мере увеличения фокусного расстояния происходит пространственное усреднение по большей длине луча.
Типичные фокусные расстояния для CW LIDAR менее 200 м.
Точность и пределы
Пример необходимой точности в технологии излучателя и приемника приведен в таблице 1. Рассчитаны доплеровские сдвиги длины волны (уравнение 6) и частоты (уравнение 5) для УФ- и ИК-излучения. – лазер, при относительной скорости 1 м/с. Соотношение между сдвигом частоты и исходной частотой составляет 6,67E-9, что указывает на необходимую точность получателя для получения точных результатов.
f_0 [Гц] | λ_0 [м] | ∆f [Гц] | ∆λ [м] | ∆f/f_0 |
|---|---|---|---|---|
| 844,5E12 | 0,355E-6 | 5,63E6 | 2,37E-15 | 6,67E-9 |
| 149,9E12 | 2,0E- 6 | 1,0E6 | 1,3E-14 | 6,67E-9 |
при относительной скорости 1 м/с.
На практике трудно дать значения точности и предельные значения, так как на результат влияют состав атмосферы, погода и наиболее важные факторы, зависящие от производителя. [4] дает следующие значения для 2-микронного доплеровского лидара LIDAR (2004 г.) компании Lockheed Martin Coherent Technologies, расположенной в Технологическом институте Карлсруэ (KIT). Тестовое измерение, проведенное 5 октября 2004 г., показало точность измерения скорости менее 0,1 м/с на расстоянии до 2 км. Точность скорости 0,2 м/с достигается на расстоянии до 3,5 км. Только при дальнейшем удалении точность значительно снижается. В той же статье приведены результаты измерения ультразвуковым анемометром для сравнения Результаты лидара с эталонным измерением. В целом оба измерения показывают хорошее соответствие с разницей, как правило, менее ±1 м/с. Это расхождение можно объяснить точностью измерений обоих приборов. Лишь позже, при изменении направления ветра, возникающие расхождения становятся больше.
Это связано с разными принципами измерения обоих устройств, в частности с различиями в измеряемом объеме. В то время как анемометр имеет измерительный объем 1 дм³, лидар измеряет цилиндрический объем 362 дм³. Таким образом, локальные воздействия, такие как мачта, на которой установлен анемометр, оказывают большее влияние на измерение анемометра, в то время как измерение LIDAR менее чувствительно.
Преимущества
- Бесконтактное измерение на большом расстоянии
- Анализ на месте
- На земле, в самолете или в космосе (стационарное или мобильное использование)
- Нечувствительность к звуковым помехам
- Многоточечное измерение
- Быстрое измерение в заданный объем
- Применение в нескольких областях
- В зависимости от конфигурации лидара возможно множество целевых элементов (газ, жидкость, твердое тело)
Недостатки
- LIDAR необходимы передатчики и приемники с точностью до пикометра
- Необходимо учитывать безопасность для глаз лазерного излучения
- Обратное рассеяние зависит от концентрации аэрозоля
- Воздух дает очень слабые отраженные сигналы, что предъявляет высокие требования к лазерным источникам и приемники
- Точность, зависящая от состава атмосферы/погодной ситуации
Перспективы ветроэнергетики
[3] Основное применение на сегодняшний день Измерения LIDAR в ветроэнергетике заключаются в оценке площадки перед строительством ветряных установок.
Дальнейший потенциал в оптимизации производства энергии и снижении нагрузки на конструкцию заключается в системах LIDAR на основе гондолы. Это позволяет улучшить работу ветряных турбин благодаря тому, что предварительная информация о событиях ветра и турбулентности более благоприятна по сравнению с современным управлением с обратной связью, реагирующим только после того, как событие произошло.
Приложения
- Analysis of atmospheric properties
- Speed control in traffic
- Industrial production
- Meteorology
- Wind hazard detection, for instance on airports
- Site assessment for wind energy projects
Literature LIDAR
- Dunne, F., Симли Э., Пао Л.Ю.: Анализ измерения скорости ветра лидаром и управление шагом лопастей с прямой связью для снижения нагрузки в ветряных турбинах. Январь 2010 г. – январь 2011 г., Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, США (2011 г. ), с. 8 – 17.
- Хендерсон, С. В.: Обзор основных характеристик доплеровских приемников когерентного и прямого обнаружения и их значение для проектирования системы лидара ветра. Beyond Photonics, США (2013), с. 1 – 5.
- Леблан, Т., Трикл, Т., Фогельманн, Х.: Глава 7. Лидар, в: Кемпфер, Н.: Мониторинг атмосферного водяного пара. Наземное дистанционное зондирование и методы на месте. Спрингер Нью-Йорк (2013), с. 113 – 158.
- Маркштайнер, У.: Наблюдения за ветром с борта лидара для проверки прибора ADM-Aeolus. Dissertation Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt, Technische Universität München (2013), p. 5 – 14.
- Миккельсен Т.: Измерения профиля среднего ветра и турбулентности с помощью наземных ветровых лидаров: ограничения во временном и пространственном разрешении с системами непрерывных и импульсных лидаров – обзор. Технический университет Дании – DTU (2009 г.), с. 1 – 10.
- Schlipf, D.: Концепции управления с помощью LIDAR для ветряных турбин. Verlag Dr. Hut, Мюнхен (2015), с. 23 – 25.
- Werner, C.: Доплеровский лидар ветра, в: Weitkamp, C.: LIDAR. Оптическое дистанционное зондирование атмосферы с разрешением по дальности. Спрингер Нью-Йорк (2005), с. 325-354.
- Wieser, A., Träumner, K., Arnold, K.: Windmessungen mit Doppler-LIDAR in der atmosphärischen Grenzschicht. Измерения ветра с помощью доплеровского лидара в пограничном слое атмосферы. Fachtagung «Лазерметоден в строительной технике», Карлсруэ (2008), с. 1 – 8.
), с. 8 – 17.
Hut, Мюнхен (2015), с. 23 – 25.Ссылки LIDAR
- Leblanc, T., Trickl, T., Vogelmann, H: Chapter 7. LIDAR, in: Kämpfer, N.: Monitoring Atmospheric Water Pour. Наземное дистанционное зондирование и методы на месте. Спрингер Нью-Йорк (2013), с. 113 – 158.
- Маркштайнер, У.: «Лидарные наблюдения за ветром с воздуха для проверки прибора ADM-Aeolus». Dissertation Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt, Technische Universität München (2013), p. 5 – 14.
- Schlipf, D.: «Концепции управления с помощью LIDAR для ветряных турбин».
