Первинні перетворювачі швидкості вітру.

Принципи дії існуючих перетворювачів швидкості повітряного потоку досить різноманітні. Вони основані на залежностях від швидкості потоку механічних переміщень тіл різної форми, інтенсивності теплообміну тіл з повітрям, швидкості переносу заряджених частинок, характеру розповсюдження звукових хвиль та інших фізичних принципах.

Широко застосовані прилади для вимірювання швидкості вітру основані на принципі перетворення швидкості вітру на механічне переміщення чутливого елемента. Розповсюджені три види цих елементів: чашкові вертушки, вільно підвішена пластина і повітряний гвинт.

Чашкова вертушка (рис.5.4) складається з трьох або чотирьох чашок (порожніх на півсфер або напівеліпсоїдів обертання), прикріплених до центральної втулки за допомогою стрижків, які радіально розташовані в одній площині, що перпендикулярна до осі втулки.

Рис.5.4 Чашкова вертушка в потоці

Чашки закріплені на однаковій відстані від центру таким чином, що при їх обертанні вони направлені опуклостями в одну сторону. Втулка установлюється на вертикальну вісь, разом з якою вона може вільно обертатися.

На увігнуту поверхню вітер тисне сильніше, ніж на добре обтічну опуклу поверхню напівсферичних чашок. Сила тиску вітру на чашку 2 (напрямок вітру наведений стрілками) намагається повернути всю вертушку навколо осі за годинниковою стрілкою; вона більше сили тиску на опуклу поверхню чашки 4, яка намагається обернути вертушку проти годинникової стрілки. В результаті цього вертушка буде обертатися за годинниковою стрілкою.

На чашки 3 і 1 вітер діє однаково і не створює моменту для обертання вертушки. Але як тільки вся система обернеться на деякий кут за годинниковою стрілкою, чашка 1 виявиться розташованою до вітру увігнутою стороною, а чашка 3 - опуклою. Після цього тиск вітру на чашку 1 буде більшим, ніж на чашку 3, що створює обертальний момент. Спочатку чашкова вертушка рухається з прискоренням, але із збільшенням швидкості обертання чашок тиск вітру на опуклі сторони зростає, а на увігнуті – убуває.

При деякій швидкості обертання чашок настає рівновага і швидкість обертання стає постійною. Установлено, що при цій швидкості обертання лінійна швидкість руху центра чашок приблизно в три рази менша швидкості вітру , тобто . Через те, що , де - радіус обертання центру чашки, - кількість оборотів за секунду, то . Таким чином, швидкість вітру перетворюється в частоту обертання або кутову швидкість вертушки . Чашкова вертушка, розташована в горизонтальній площині з вертикальною віссю обертання, не потребує орієнтації відносно напрямку вітру.

Як первинний перетворювач (чутливого елемента) в приладах для вимірювання швидкості вітру застосовуються також повітряні гвинти з трьома і більшою кількістю лопатей різної форми і розмірів - металеві збірні і литі пластмасові (рис.5.5). Повітряний гвинт потребує орієнтації за напрямком вітру, щоб вісь його обертання співпадала з напрямком вітру (площина обертання гвинта перпендикулярна до напрямку вітру). Тому гвинт застосовують в сполученні з флюгерком.

Під впливом повітряного потоку, який набігає на гвинт вздовж його осі з швидкістю , гвинт починає обертатися і досягає при сталому режимі деякої кутової швидкості . Дія потоку на всі лопаті гвинта однакова.

Рис.5.5 Повітряні гвинти (а) і вплив потоку повітря на лопать гвинта (б).

Розглянемо зв’язок швидкості потоку зі швидкістю однієї з його лопатей (рис.5.5, б).

Кожна елементарна ділянка лопаті шириною , що знаходиться на відстані від центру гвинта, обертається з лінійною швидкістю , а відносно повітряного потоку – зі швидкістю , яка є сумою векторів та і направленою під кутом .

З трикутника, утвореного векторами , і , випливає, що

,

де - кут розвороту ділянки лопаті на відстані від центру; - кут між площиною лопаті і (кут атаки).

Для ненавантажених гвинтів (в анемометрах вони не навантажені) кут не перевищує 4°. Тому статична характеристика залежності кутової швидкості обертання повітряного гвинта анемометра від швидкості вітру наближено має вигляд

.

Для того, щоб всі ділянки лопаті використовувалися ефективно, умова, визначена цією рівністю, повинна виконуватися по всій довжині лопаті, тобто

.

При цьому вздовж лопаті змінюється так, що крок лопаті залишається постійним. В окремих випадках застосовують багатолопаті гвинти з короткими лопатями, закріпленими на стержнях під постійним кутом .

Повітряні гвинти мають перевагу в порівнянні з чашковими вертушками при вимірюванні великих швидкостей вітру, особливо в районах з частими випадками утворення ожеледі. Вимірювання малих швидкостей вітру змінного напрямку краще проводити за допомогою приладів з чашковою вертушкою.

Як первинний перетворювач застосовується також вільно хитна пластина, яка верхнім краєм прикріплена до горизонтальної осі, і спокійна своїми кінцями на опорах (підшипниках). При відсутності вітру така пластина під впливом сили тяжіння (маси пластини) займе строго вертикальне положення, а при наявності вітру від впливом двох сил: сили тяжіння і сили тиску вітру , відхиляється від вертикального положення на деякий кут (рис.5.6).

Кут визначається перпендикулярно діючими (відносно площини пластини) складовими цих сил і . Складові, діючі вздовж площини пластини, компенсуються реакцією осі, до якої пластина підвішена, і на її положення не впливають. При збільшенні ефективно діюча площа пластини (її проекція на площину, перпендикулярну напрямку вітру), яка сприймає повітряний потік, зменшується, внаслідок чого зменшується сила і її складова .   Рис.5.6 Дія вітру на пластинку.

Сила ж із збільшенням росте. При зменшенні зростає , а - убуває. Під впливом цих протилежно направлених сил пластина установлюється під кутом , при якому

. (5.1)

З експериментальної аеродинаміки відомо:

,

де - коефіцієнт (для прямокутної пластини );

- густина повітря;

- площа пластини;

- швидкість вітру;

- кут між напрямком вітру і нормаллю до пластини (він дорівнює куту відхилення пластини від вертикального положення).

З трикутника (рис.5.6) ; підставляючи значення і в (5.1), отримаємо , звідки

, (5.2)

де .

З виразу (5.5) видно, що швидкість вітру однозначно визначається кутом відхилення пластини (залежність кута від швидкості не лінійна). Пластина повинна установлюватися перпендикулярно напрямку вітру і тому у вимірювальних приладах застосовується в сполученні з флюгеркою.

Дата добавления: 2015-10-13