ГМИ методичка

чтобы при скорости ветра 1 м/с выходное напряжение было бы равно 10 мВ.

Чувствительность фотоэлектрического анемометраdU/dV определяется также по градуировочному графику U(V), который имеет вид, аналогичный изображенному на рис. 7.3.

Аэродинамическая труба. Для градуировки анемометров используются аэродинамические трубы различной конструкции. В данной работе используется аэродинамическая труба открытого типа со встроенным вентилятором для создания скорости ветра. Создаваемую скорость ветра можно регулировать, изменяя напряжение на моторе вентилятора с помощью ЛАТРа.

Определение пути синхронизации вертушки. При резком изме-

нении скорости ветра вертушка воспринимает новую угловую скорость вращения с некоторым запаздыванием, определяемым конструкцией вертушки. Разность между угловой скоростью вращения вертушки ω и установившейся угловой скоростью Ω в этом случае определяется уравнением:

где ω0 – угловая скорость вращения вертушки в начальный момент времени, V – скорость ветра, L – путь синхронизации вертушки.

Приняв в уравнении (7.7) τ = τс = L/V, имеем:

Следовательно,путьсинхронизациивертушки–этопуть,про- ходимый воздушным потоком, за время, в течение которого разность угловых скоростей между угловой скоростью вращения вертушки и установившейся угловой скоростью уменьшается в е раз

(напомним – основание натуральных логарифмов е = 2,71828…). Соответствующее время τс называется временем синхрониза-

ции. 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. 7.6).

81

Рис. 7.6. График для определения времени синхронизации

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

7.2. Порядок выполнения работы

Для выполнения работы необходимы:

––ЛАТР;

––аэродинамическая труба;

––индукционный анемометр;

––контактный анемометр;

––градуировочный график;

––цифровой вольтметр В7-20 или его аналог;

––секундомер;

––счетчик;

––стрелочный вольтметр.

1. Ознакомимся с расположением приборов на рабочем столе (рис.7.7)иихназначением.Слеваотаэродинамическойтрубынаходится 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

82

Рис. 7.7. Оборудование для исследования ротоанемометров: 1 – ЛАТР; 2 – аэродинамическая труба; 3 – градуировочный график; 4 – цифровой вольтметр

В7-20; 5 – блок электромеханического счетчика; 6 – стрелочный вольтметр; 7 – кнопка электромагнитного стопора

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. Переключатель рода работ цифрового вольтметра В7-20 должен находиться в положении «~V» (переменный ток), а переключатель пределов измерений в положении «10» (предел измерения 10 В). Справа от трубы на стойке помещен контактный анемометр и блок электромеханического счетчика для градуировки контактного анемометра.

Перед включением установки следует повернуть ручку ЛАТРа против часовой стрелки до упора (это положение соответствует нулевому напряжению) и включить установку в сеть.

2.Определите пороговую скорость индукционного анемометра. Медленно вращая ручку ЛАТРа, подайте напряжение на двигатель. Зафиксируйте значение напряжения (на ЛАТРе и цифровом вольтметре), при котором вертушка индукционного анемометра начнет вращаться. Пользуясь градуировочным графиком, переведите значение напряжения U в скорость воздушного потока V.

3.Проградуируйте индукционный анемометр. Постепенно увеличивая напряжение питания двигателя в пределах от порога

83

скорости анемометра до предельной скорости (120–130 В), снимите 7–10 отсчетов. Фиксируйте напряжение по цифровому вольтметру и напряжение питания двигателя по вольтметру ЛАТРа. Учтите, что вращение ротора анемометра несколько неравномерное, в результате этого показание вольтметра может скачкообразно меняться. Осредните по возможности эти флуктуации. Запишите значение этих напряжений в виде табл. 7.1. Переведите значения напряжения питания двигателя в скорость ветра с помощью чертежа перед установкой.

Таблица 7.1

Таблица градуировки индукционного анемометра

4.Определите пороговую скорость контактного анемометра (аналогично п. 2). Обратите внимание, что контактный анемометр не имеет соединения с цифровым вольтметром. Значение напряжения U снимайте только по ЛАТРу.

Проградуируйте контактный анемометр. Поместите анемометр, соединенный с электромеханическим счетчиком в рабочий участок трубы. Установите небольшую скорость ветра и определите количество контактов в секунду с помощью секундомера. Рекомендуется определить количество контактов за промежуток времени 200 с в начале градуировки (при малых скоростях ветра) и 100 с

вконце. Снимите 7–10 показаний в тех же пределах, что и для индукционного анемометра.

5.Определитепутьсинхронизациииндукционногоанемометра. Для этого в настоящей работе применяется следующий способ. Учитывая,чтонапряжение,вырабатываемоеанемометромсвязаносугловой скоростью прямой зависимостью (7.2), последнее и может быть выбрано мерой угловой скорости. Для измерения напряжения вданной 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 покажетустановившеесязначениенапряженияv.Запишитеэтозначение

84

в условных единицах. Затем рассчитайте величину v’= v – v/e – значение, которое должен показать вольтметр в момент времени синхронизации τс.

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 τс, а произведение V τс будет равно значению пути синхронизации L. Полученные данные занесите в табл. 7.2.

Внимание! Учтите, движение стрелки будет очень быстрым! Будьте предельно внимательны при определении момента прохождения стрелкой величины v’.

Таблица 7.2

Для получения более надежных результатов повторите опыт 2–3 раза при неизменной скорости ветра и осредните полученные значения τс. Определите путь синхронизации еще для 2–3 значений скорости ветра.

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

7.3.Требования к отчету

1.Краткое описание хода работы.

2.Таблицы числовых значений, полученные при градуировке каждого анемометра с соответствующими пояснениями. Значение порога скорости для каждого анемометра.

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).

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

85

синхронизации определяются несколько раз, следует проанализировать возможную разницу в показаниях, указать причины расхождений.

7.4.Контрольные вопросы

1.Что такое ротоанемометры?

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.Чтотакоегеркон?Каковыпреимуществагерконаприиспользовании 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.Пояснитепринципработымостовойдиоднойсхемыдвухполупериодного выпрямителя.

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

86

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.Нарисуйтеградуировочныйграфикдляиндукционногоанемометра. 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.Каков порядок градуировки фотоэлектрического анемо­

метра?

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 синхрони­ зации.

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

32.От каких параметров вертушки зависит путь синхрони­

зации?

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?

87

36.Какуюошибкусовершаетметеонаблюдательприосреднении 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?

40.Как рассчитать путь синхронизации по результатам Ваших

измерений?

7.5.Литература

1.Григоров Н.О., Саенко А.Г., Восканян К.Л. Методы и сред-

ства метеорологических измерений. Метеорологические приборы. Учебник по курсу. 2012. С. 99–117.

2.Григоров Н.О. Презентации курса лекций «Гидрометеоро-

логические измерения». http://gmi.rshu.ru. Тема 3.1–3.3.

8. Исследование актинометрических приборов. Лабораторная работа № 8

Цель работы – исследовать актинометрические приборы. Научиться проводить актинометрические измерения с помощью актинометра, пиранометра, балансомера.

8.1. Измерение актинометрических величин

В актинометрии практически значимой является радиация

вспектральном диапазоне длин волн от 0,3 до 100 мкм. При этом

взависимости от спектрального состава различаются следующие

виды радиации.

1.Коротковолноваярадиация–спектральнаяобласть0,3–4,5мкм (к ней относятся прямая солнечная, суммарная, рассеянная, отраженная коротковолновая радиация).

88

2.Длинноволноваярадиация–спектральнаяобласть4,5–100мкм (к ней относится излучение земной поверхности и атмосферы, отраженная длинноволновая радиация, длинноволновый радиационный баланс).

3.Интегральная радиация – спектральная область 0,3–100 мкм (к ней относится радиационный баланс).

Указанные границы спектра коротковолновой радиации соответствуют спектру коротковолнового излучения, достигающего земной поверхности, а длинноволновой радиации – спектру теплового излучения земной поверхности и атмосферы.

Для регистрации и измерения перечисленных видов излучения применяется установка УАР (установка актинометрическая реги-

стрирующая). УАР включает в себя актинометрические преобра-

зователи, комплект оборудования на метеоплощадке, регистратор сигналов актинометрических преобразователей, интегратор для получения суммы излучения за определенный отрезок времени, комплект кабелей и блок питания. Функциональная схема УАР представлена на рис. 8.1. Все датчики УАР укрепляются на специальной актинометрической стойке М-13.

Приведенная схема является наиболее полной схемой актинометрической установки. Практически при станционных наблюдениях используют упрощенную схему – в нее включен лишь актинометр, пиранометр и балансомер, укрепленные на стойке М-13, а регистрирующими приборами служат два гальванометра. Такая установка не дает возможности проводить непрерывные наблюдения с записью показаний, она используется для регулярных наблюдений в установленные сроки.

Рис. 8.1. Структурная схема установки УАР

89

ТермоэлектрическийактинометрМ-3(АТ-500).Дляизмерения прямой солнечной радиации используется один из двух приборов – компенсационный пиргелиометр или термоэлектрический актинометр.Компенсационныйпиргелиометр(подробноеописаниеприведено в книге [1]) является абсолютным прибором, т. е. основанным на сравнении двух значений одной физической величины. Нагрев черной пластины, вызванный солнечной радиацией, сравнивается с нагревом точно такой же пластины, вызванным электрическим током. Регулируя значение электрического тока, наблюдатель добивается выравнивания температур обеих пластин, после чего значение радиации однозначно связано с протекающим по пластине током и легко может быть определено расчетным путем. Достоинство абсолютных приборов состоит в том, что они не требуют градуировки. В практических измерениях пиргелиометр употребляется редко – процесс измерений слишком длительный, поэтому его используют лишь для градуировки относительных приборов, одним из которых является термоэлектрический актинометр М-3.

В относительных приборах измеряемая величина преобразуется в другую физическую величину, измерение которой не представляет трудностей – например, в электрический ток. В отличие от абсолютных, относительные приборы требуют предварительной градуировки. Их достоинством является оперативность процесса измерения. Принцип действия термоэлектрического актинометра основан на поглощении прямой солнечной радиации зачерненным диском, соединенным с нечетными спаями термобатареи. Четные спаи термобатареи соединены с медным кольцом, находящимся в тени. Медное кольцо имеет температуру окружающего воздуха, а черный диск нагрет до несколько большей температуры, так как на него падает прямая солнечная радиация. Легко показать, что разность температур спаев термобатареи определяется значением прямой солнечной радиации. С другой стороны, термобатарея преобразует эту разность температур в электрический ток, измеряемый гальванометром. Таким образом, ток находится в прямой зависимости от прямой солнечной радиации.

Устройство термоэлектрического актинометра показано на рис. 8.2.

Приемником радиации служит диск из серебряной фольги (1), зачерненный со стороны, обращаемой к солнцу. С другой стороны диска через изолирующую прокладку приклеены нечетные спаи термобатареи (3), состоящей из 52 элементов, соединенных после-

90