Введение 3
1 Погрешность, чувствительность и инерция прибора 5
2 Сведения об измерении скорости ветра 9
2.1 Способы измерения скорости ветра 11
2.2 Виды анемометров 12
2.2.1 Индукционные анемометры 12
2.2.2 Импульсные (контактные) анемометры 15
2.2.3 Лазерный доплеровский анемометр 16
2.2.4 Акустические анемометры 18
2.3 Теория ротоанемометров 20
3 Расчёт инерционных погрешностей ротоанемометров 28
3.1 Определение задержки во времени в зависимости от средней скорости
ветра 29
3.2 Определение задержки во времени в зависимости от амплитуды
флуктуаций скорости ветра 32
3.3 Определение задержки во времени в зависимости от периода
флуктуаций скорости ветра 34
3.4 Вычисление среднего значения показаний анемометра 34
3.5 Определение превышения значений скорости ветра в зависимости от
амплитуды флуктуаций 37
3.6 Определение превышения значений скорости ветра в зависимости от
средней скорости ветра 38
3.7 Определение превышения значений скорости ветра и времени
стабилизации показаний в зависимости от пути синхронизации 39
4 Инерционная погрешность ротоанемометров, установленных на морских
буйковых станциях 43
Заключение 51
Список использованных источников 54
Атмосфера по своей природе представляет собой очень изменчивую систему - её состояние непрерывно меняется, и процессы, происходящие в ней, плавно перетекают один в другой. Такое переменчивое состояние оказывает большое влияние на жизнедеятельность человечества, поскольку метеорологические условия зачастую являются важнейшим фактором в некоторых отраслях деятельности. Именно поэтому первостепенной задачей является получение как можно более точных значений метеовеличин и создание точного прогноза погоды.
Составлению прогноза погоды предшествует сбор данных с определённой территории. В настоящее время наблюдения за погодой в основном производятся с помощью автоматических метеорологических станций, однако, и по сей день существуют станции, работающие традиционным способом, то есть предполагающие непосредственное участие метеоролога в сборе информации о погоде.
Получаемая информация должна быть точной настолько, насколько это возможно. Согласно «Наставлению гидрометеорологическим станциям и постам» [9] для измерений должны использоваться только приборы, которые рекомендованы для сети Государственной системы наблюдений и контроля природной среды, и соответствуют виду измерений. К каждому прибору обязательно должен прилагаться паспорт, в котором указанные технические характеристики прибора, и свидетельство о пригодности прибора для производства соответствующих измерений.
К сожалению, любые приборы измеряют метеовеличину с некоторой погрешностью. Это происходит из-за того, что каждый прибор состоит из элементов, которые преобразуют измеряемую величину в различные сигналы, воспринимаемые человеком или специальной аппаратурой. Из-за этих преобразований точность измерений понижается, соответственно, возрастают погрешности измерений. Погрешность измерения связана с понятием чувствительности прибора.
Данная работа посвящена исследованию инерционных погрешностей приборов для измерения скорости ветра - ротоанемометров. Актуальность этой проблемы тем более важна, что многие отрасли народного хозяйства напрямую зависят от параметров ветра - например, авиация, судоходство, строительные работы, транспорт, спортивные мероприятия и многое другое.
Точность ротоанемометров зависит от влияния инерционных погрешностей при изменении скорости ветра. Для выявления этих ошибок необходимо определить характеристики составных частей ротоанемометра при различных флуктуациях скорости ветра. Чтобы понять, от чего зависят ошибки, необходимо изучить важный параметр прибора - его инерцию.
Выполненное исследование затрагивает актуальную и очень востребованную тему не только в области метеорологии, но и во многих отраслях хозяйственной деятельности человека. Потребителями
метеорологической информации о скорости ветра являются строительные и спортивные объекты, отрасли дорожного, железнодорожного, водного и воздушного сообщения и другие хозяйственные объекты. Чем точнее будут проведены измерения скорости ветра и рассчитаны ветровые нагрузки, тем качественнее будут подготовлены проекты крупных и сложных объектов, а также высотных зданий.
В ходе выполнения исследования на языке CSharp (C#) написана программа для автоматизации расчетов, обработки и визуализации полученных результатов.
Поставленные исследовательские задачи выполнены в полном объеме. В работе показана возможность увеличения точности измерений скорости ветра для ротоанемометров.
Результаты проделанной работы можно резюмировать в виде следующих выводов:
1. Ротоанемометры завышают истинную среднюю скорость ветра.
2. С ростом средней скорости ветра инерционная погрешность анемометра возрастает. Если при скорости ветра менее 3м/с это превышение незначительно, то при скоростях ветра более 3 м/с это превышение может достигать нескольких метров в секунду и его необходимо учитывать.
3. При увеличении амплитуды флуктуаций скорости ветра погрешность AV так же увеличивается, то есть чем больше флуктуации, тем сильнее анемометр завышает скорость ветра. Если при амплитуде ниже 1,5 м/с это превышение можно не принимать во внимание, то при амплитуде более 2,5 м/с это превышение становится достаточно значительным (около 2 м/c при амплитуде флуктуаций 7 м/с).
4. С увеличением амплитуды флуктуаций время достижения стабильных показаний резко уменьшается. Если при амплитуде 1-2 м/с оно составляет 40-45 с, то при амплитуде 20-25 м/c (резкий порывистый ветер) оно составляет около 10 секунд.
5. Время достижения стабильных показаний при порывистом ветре уменьшается с увеличением скорости ветра. Иными словами, чем больше скорость ветра, тем быстрее она воспринимается анемометром. Характерное время составляет 14-15 секунд при скорости ветра 10 м/c.
6. Период флуктуаций также влияет на время достижения анемометром
стабильных показаний. Как и можно было предполагать, при
удлинении периода флуктуаций время достижения стабильных показаний возрастает. Однако, отношение времени достижения
стабильных показаний к периоду флуктуаций практически не изменяется.
7. С ростом пути синхронизации анемометра инерционная погрешность растёт, и время стабилизации показаний увеличивается. Таким образом, для уменьшения погрешности можно рекомендовать разработку анемометров с малым путём синхронизации.
8. Практическое применение методики, разработанной в данной работе, может быть осуществлено при автоматической обработке измерений скорости ветра на буйковых метеорологических станциях. Замечено, что при большой скорости ветра инерционная погрешность анемометров на буйковых станциях пренебрежимо мала, а при малой скорости ветра её необходимо учитывать...
