Pomiar prędkości wiatru

1. Wstęp
   
   W miernictwie meteorologicznym do pomiaru średniej prędkości wiatru w ustalonym przedziale czasu stosuje się przede wszystkim anemometry rotacyjne. Przyrządy te składają się z trzech podstawowych zespołów urządzeń: czujnika, przetwornika, układu pomiarowego.
   Czujnikiem jest najczęściej wirnik czaszowy, śmigłowy lub łopatkowy. Szczególnie często są stosowane anemometry czaszowe. Wykonane są one z aluminium lub tworzyw sztucznych, mogą mieć kształt półkolisty, stożkowy lub półelipsoidalny. Trzy lub cztery czasze są umieszczone symetrycznie na osi obrotu ustawionej prostopadle do kierunku przepływu powietrza. Działanie anemometru czaszowego polega na wykorzystaniu różnicy sił naporu aerodynamicznego na wklęsłe i wypukłe płaszczyzny czasz. Wirnik jest wprawiany w ruch w kierunku wypukłych stron czasz bez względu na kierunek wiatru.
   Oprócz wirników czaszowych w anemometrze rotacyjnym mogą być stosowane wirniki łopatkowe i śmigłowe. Do prawidłowej pracy takich przyrządów konieczne jest, aby oś obrotu ich wirnika była stale równoległa do kierunku prędkości wiatru - stanowi to dosyć istotną niedogodność. Wymaganie to nie jest stawiane anemometrom czaszowym, co można zaliczyć do ważnych zalet tych przyrządów , szczególnie jeśli mają być one użyte do pomiarów ciągłych.
   

2. Katatermometr
   
   Jest przyrządem, w którym do pomiaru prędkości wiatru wykorzystuje się wymianie ciepła miedzy podgrzanym do zadanej temperatury ciałem a przepływającym powietrzem. Katatermometr - termometr, którego cieczą termometryczną jest zabarwiony spirytus, zaopatrzony jest w skalę w przedziale temperatur od 35 do 38 ˚C. Powierzchnia zbiornika rtęci równa jest 22,6 cm². Ogrzany przed pomiarem katatermometr, ochładzając się w strumieniu powietrza od 38 do 35 ˚C traci zawszę tę samą ilość ciepła. Czas utraty ciepła zależy od prędkości wiatru oraz od temperatury otoczenia. Korzystając z odpowiednich tablic oraz obliczeń można bardzo łatwo wyznaczyć prędkość wiatru.
   Termoanemometry charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami pomiarowymi i użytkowymi. Na przykład ich średni czas może międzyawaryjnej pracy może być pięciokrotnie dłuższy od takiego samego czasu w przypadku anemometrów rotacyjnych. Odznaczają się one bardzo dobro trwałością, długookresową stabilnością wskazań, niewrażliwością na wiele czynników, które mają wpływ na pracę anemometrów rotacyjnych. Pozwalają na pomiar prędkości wiatru od 0 do 60 m/s , z dokładnością od 0,5-10%. Ich obszar zastosowań związany jest przede wszystkim z pomiarami: turbulencji, wirowości, porywów, prędkości chwilowej i średniej wiatru.
   

3. Cechowanie anemometru MS-13
   

Windy	V1	Np1	Nk1	N1	V2	Np2	Nk2	n2
[m/s]	[m/s]	[-]	[-]	1/s	[m/s]	[-]	[-]	[1/s]
4	1	9400	9433	0,55	1,11	6850	6892	0,70
6	1,31	9470	9528	0,96	1,44	6750	6812	1,03
8	1,99	9630	9725	1,58	1,94	6610	6700	1,50
10	2,45	9850	9968	1,96	2,46	6430	6550	2,00
12	2,93	100	244	2,40	2,79	6210	6348	2,30
14	3,41	375	548	2,88	3,36	5950	6120	2,83
16	3,88	625	824	3,31	3,7	5620	5808	3,13
18	4,32	900	1125	3,75	4,29	5300	5520	3,66
20	4,71	1230	1478	4,13	4,71	4930	5175	4,08
22	5,22	1720	1992	4,53	5,15	4530	4800	4,50
24	5,69	2280	2580	5,00	5,66	4100	4395	4,91
26	6,16	2780	3105	5,41	6,15	3580	3905	5,41

4. Wyznaczanie współczynnika anemometrycznego




σ - współczynnik anemometryczny [-]
W - prędkość strumienia powietrza [m/s]

R - ramię rotora [m]
n - liczba obrotów rotora w jednostce czasu [1/s]

W	Anemometr MS-13					Anemometr W-863
		R	­Np	Nk	T	n	R	T	Obr.	n	σ
[m/s]	[m]	[-]	[-]	[s]	[1/s]	[m]	[s]	[-]	[1/s]	[-]
0,22						0,07	120	170	1,417	0,358
0,18						0,07	120	139	1,158	0,358
0,13						0,07	120	103	0,858	0,349
2,93	0,021	100	244	60	2,40					9,252
4,32	0,021	900	1125	60	3,75					8,731
5,69	0,021	2280	2580	60	5,00					8,625

5. Wnioski
   
   Wykres załączony do sprawozdania powstał w wyniku zastosowania wykładniczej linii trendu do punktów pomiarowych zgromadzonych podczas doświadczenia. Powstały wykres jest bardzo zbliżony do charakterystyki anemometru tachometrycznego znajdującej się na rys. 2 w skrypcie do ćwiczenia. Korzystając z wykresu możemy w przybliżeniu odczytać prędkość progową W₀ = 1 [m/s], która jest stosunkowo bliska co do wartości prędkości progowej zmierzonej w tunelu tz. W₀(tunel) = 0,61 [m/s].
   Prędkości W_k nie możemy odczytać, ponieważ nasza krzywa jest wygenerowana automatycznie i ma kształt idealnie paraboliczny.
   Współczynnik anemometryczny w przypadku naszego ćwiczenia znacznie odbiega od wartości tablicowej
   σ = 3. Może to być spowodowane niedokładnością urządzeń pomiarowych spowodowaną prawdopodobnie dość długim czasem eksploatacji. Do tego dochodzą prawdopodobnie błędy wynikające ze złym zliczaniem obrotów wirnika oraz niedoświadczenie osób przeprowadzających pomiar. Powyższe błędy sumują się w wyniku czego powstaje tak duże odchylenie od normy.




---