Приборы для измерения скорости потока и их применение в различных сферах
Анемометр – основное средство измерения скорости движения воздуха. Этот прибор применяется в разнообразных промышленных областях. Современный рынок измерительного оборудования предлагает несколько модификаций анемометров, различающихся по техническим параметрам и принципу действия.
Виды анемометров
Современный анемометр, выпускаемый профессиональной организацией, может иметь несколько вариантов исполнения. Основными видами измерителей потоков воздуха служат:
- анемометр чашечный – имеет наиболее простую конструкцию, лопасти такого прибора выполнены в форме полусфер, которые вращаются под действием воздушного потока и измеряют его скорость в одной плоскости;
- лопастной или крыльчатый анемометр – улавливающая деталь такого измерителя имеет форму вентилятора, его лопасти способны не только определять скорость потоков, но и устанавливать их направление;
- термоанемометр – усовершенствованный вид оборудования, позволяющий определять скорость движения воздуха, его объемный расход и температуру.
Применение подобных приборов позволяет контролировать параметры окружающей среды, а также осуществлять мониторинг микроклимата в помещениях различного характера.
Где требуется измерение скорости воздушных потоков
Эксплуатация анемометров распространена в самых разнообразных областях – покупка измерительного прибора необходима в любой сфере, где требуется информация о характеристиках воздушных потоков. В первую очередь, измерение анемометром востребовано на метеорологических станциях – с помощью показателей скорости воздуха специалисты могут спрогнозировать многие погодные явления. Также анемометрами оборудуются объекты, имеющие промышленные системы кондиционирования, отопления и вентиляции помещений. Необходимость в измерении скорости ветра возникает и в авиации, строительно-монтажных работах, энергетике, горной добыче, агропромышленных комплексах, подземных коммуникациях и даже спорте (например, чашечный анемометр задействуют при проведении соревнований, зависящих от параметров ветра: метание копья, полеты на параплане, парусные регаты, гребля).
Выбор подходящего оборудования
Для решения конкретных задач, связанных с определением характеристик воздушных потоков, важно выбрать оптимальную модель прибора. Для этого необходимо рассмотреть и учесть множество аспектов, среди которых:
- требуемые характеристики оборудования – диапазон измерений, погрешность, вариант исполнения, наличие защищенного корпуса и пр.;
- условия эксплуатации измерителя – рабочие температуры, наличие агрессивных факторов и т. д.
В зависимости от сферы применения анемометры имеют два варианта исполнения: стационарные и портативные. Первые предусматривают питание от сети и подходят для непрерывного измерения, регуляции параметров, накопления данных и передачи информации на компьютер. Переносные модели позволяют производить эпизодический анализ скорости воздуха в различных точках, фиксировать полученные данные и передавать их. Главное требование, предъявляемое к каждому прибору независимо от его модификации, – средство измерения должно быть сертифицировано и иметь документ о государственной поверке. Только в таком случае анемометр может быть допущен к эксплуатации, а его результаты гарантируют точность и достоверность.
Приборы для определения направления и скорости движения воздуха
Флюгер Вильде (рисунок 19). Данный прибор предназначен для использования на метеорологических станциях с целью многолетних постоянных наблюдений в различных регионах за направлениями и скорости ветров. Следует учитывать, что фиксируемые данные на метеорологических станциях, расположенных в различных местностях, должны быть сравнимыми. Это условие предполагает использование только серийно выпускаемых флюгеров, имеющих строго однотипное устройство.
|
Рис. 19. Флюгер Вильде |
Устройство серийного флюгера представлено на рисунке. Как видно из рисунка, направление движения воздушных потоков определяется с помощью флюгарки – пластинки клиновидной формы с противовесом. Направление ветра фиксируется с помощью муфты с жестко закрепленными прутиками (штифтиками) – указателями румбов. При вращении флюгарки доска для определения скорости ветра всегда принимает положение, перпендикулярное направлению ветра, и под давлением последнего отклоняется от отвесного положения на тот или иной угол. По положению отклонения доски, пользуясь отградуированными штифтиками-указателями, определяют скорость ветра. В приборе имеются две доски: легкая (200 г) для измерения скоростей, не превышающих 20 м/с и тяжелая (800 г) для скоростей до 40 м/с. Приближенную скорость ветра можно определить, помножив размер штифтика на 2 (при пользовании легкой доской) или на 4 (при пользовании тяжелой доской). Флюгер для наблюдений устанавливают в открытом месте на столбе высотой 8 – 10 м. штифтик с буквой С (N) должен быть установлен на север по компасу или полуденной линии, то есть по меридиану данного места. На основании многолетних наблюдений выводятся закономерности направлений и скоростей воздушных потоков, составляющие особенности климато-погодных условий в той или иной местности. Эти справочные данные широко используются для различных, частью указанных выше целей, в том числе и в гигиенической практике, в частности, когда имеет место необходимость гигиенического контроля за планировкой и застройкой населенных мест. |
Анемометры. В санитарно-гигиенической практике наиболее широко используются портативные анемометры – чашечный анемометр и крыльчатый анемометр (рисунок 20). Воспринимающая часть чашечного анемометра представляет собой вертушку из 4 полых полушарий (чашечек), закрепленную на металлической оси, нижний конец которой связан со счетным механизмом (тахометром). Стрелки на циферблате прибора показывают число оборотов полушарий вокруг оси: большая – число единиц и десятков, а две маленькие – число сотен и тысяч. Для включения и выключения счетчика оборотов на коробке прибора имеются рычаг и два кольца. В случае, если имеет место необходимость измерение движения воздуха на какой-либо высоте, прибор можно закрепить на шесте с помощью винта в нижней части. При этом для дистанционного включения и выключения счетчика на рычаге включения жестко закрепляется шнур и пропускается через кольца. Пометив концы шнура, можно включать и выключать счетчик.
| Порядок измерения скорости движения воздуха (ветра). Записывают показания всех стрелок (на малых циферблатах учитывают только целые деления). Устанавливают прибор на шесте или держат в вытянутых руках в зависимости от конкретных задач. При этом прибор должен находиться в строго вертикальном положении. Далее, выжидают 1 – 2 минуты, пока не наступит полное вращение вертушки, после чего шнуром или непосредственно ручками включают одновременно счетчик прибора и секундомер. Наблюдение ведется в течение 10 минут. После данной экспозиции включают счетчик и секундомер и вновь записывают показания стрелок счетчика. Затем вычисляют разность между двумя показаниями счетчика, делят эту величину на время наблюдения, выраженное в секундах, и получают число оборотов в 1 секунду. |
Рис. 20. Анемометры чашечный (а) и крыльчатый (б) |
Эта величина приблизительно соответствует искомой скорости движения воздушного потока. Для получения более точной величины пользуются таблицей или графиком перевода числа оборотов в скорость. Таблица или график прилагаются к прибору.
Чашечный анемометр служит для определения средних скоростей ветра в пределах 1,0 – 2,0 м/с. с помощью данного прибора можно производить не только метеорологические наблюдения в открытой атмосфере, но и определять скорость движения воздушных потоков в вентиляционных системах, в частности, с целью гигиенической оценки эффективности вентиляции в помещениях и устройствах различного назначения.
Крыльчатый анемометр по принципу работы идентичен предыдущему прибору. Однако в данном приборе имеются некоторые конструктивные особенности, повышающие его чувствительность и нижние пределы определения скорости движения воздушных потоков. Воспринимающей частью в крыльчатом анемометре служит мельничка (крыльчатка) из легких металлических лопастей, посаженных на соединенную со счетчиком оборотов горизонтальную ось.
При работе прибор ориентируется по потоку так, чтобы счетный механизм был позади потока относительно крыльчатки. Для преодоления инерции сопротивления прибора крыльчатке достаточно вращаться в холостую всего 0,5 минуты. Продолжительность наблюдения ограничивается 2 минутами. Порядок расчета скорости потока воздуха такой же, как у чашечного анемометра. С помощью крыльчатого анемометра представляется возможность измерять скорость воздушных потоков от 0,3 до 5,0 м/с.
Пример определения скорости движения воздуха чашечного анемометра. На открытой рабочей площадке с целью изучения условий труда рабочих-строителей проведено одно из исследований скорости ветра в ряду намеченных программой многочисленных регулярных наблюдений. Снимаем исходные показания счетчика прибора. При этом стрелка, указывающая тысячи, находилась между цифрами 3 и 4 соответствующего циферблата. То есть, в данном случае записываем число целых тысяч – 3. Стрелка, показывающая сотни, находилась между цифрами соответствующего циферблата 5 и 6. Записываем за цифрой 3 следующую цифру, обозначающую число целых сотен, — 5. Большая стрелка показывала 76 делений. Записываем вслед за предыдущими двумя цифрами цифру 76, показывающую число отдельных оборотов оси прибора. Таким образом, исходная величина на счетчике составила 3576.
Далее в течение 10 минут производилось определение скорости ветра с одновременным включением счетчика прибора и секундомера. Через указанное время счетчик и секундомер были выключены. С помощью указанной выше методики снимаем новые показания прибора, которые составили 6123. время наблюдения в секундах – 10´60 = 600 с. таким образом, за 600 секунд ось прибора сделала 6123 оборота. Для определения количества оборотов за 1 с делим разность показаний счетчика на 600 : (6123 – 3576) : 600 = 2547 : 600 = 4,245 об./с. Если в исследованиях нет необходимости в чрезвычайной точности исследования, что имеет место в большинстве случаев, то найденную величину принимают за скорость движения воздуха в м/с. То есть, скорость движения воздуха в данном примере была равной 4,245 м/с. Если же, появилась необходимость в очень точном исследовании, то переводят по графику или таблице, прилагаемых к прибору, об./с. м/с.
Кататермометр. Данный прибор представляет собой особый спиртовый термометр со шкалой 35-38°С или 33-40°С. Поначалу кататермометр был сконструирован для измерения охлаждающего влияния температуры воздуха на тело человека. В дальнейшем было показано, что кататермометр не производит потери тепла с поверхности кожи человека, не учитывает влияния теплового излучения, которое оказывает значительное действие на тепловой обмен организма. В настоящее время применяется практически исключительно для измерения малых скоростей движения воздуха, хотя, пользуясь кататермометром, можно ориентировочно определить, с какими его показаниями при различных условиях производственной деятельности совпадает оптимальное самочувствие людей, и оценить охлаждающую способность метеорологических факторов (температуры и скорости движения воздуха).
|
Рис. 21. Кататермометры шаровой (а) и цилиндрический (кататермометр Хилла) (б) |
В зависимости от конструкции кататермометры бывают цилиндрические (кататермометр Хилла) или шаровые (рисунок 21), представляют собой термометр, в котором верхний конец капиллярной трубки имеет расширение, которое частично заполняется спиртом при нагревании. Принцип того и другого кататермометров заключается в том, что скорость снижения температуры приборов зависит кроме температуры воздуха от скорости его движения. При работе с цилиндрическим кататермометром измеряют время снижения температуры с 38 до 35°С, с шаровым – с 38 до 35°С, 39 до 34°С, 40 до 38°С. причем нетрудно заметить, что средне значение указанных температурных перепадов всегда равно 36,5°С, то есть средней температуре человека. Это позволяло при первоначальном назначении приборов в какой-то степени имитировать охлаждающее воздействие воздуха на организм человека («охлаждающая способность воздуха»). В процессе охлаждения с 1 см 2 поверхности резервуара кататермометров теряется постоянное количество тепла. Эта величина (катафактор) является константой (постоянной величиной) прибора и обозначается на каждом кататермометре в виде его постоянного фактора, выраженного в мкал/см 2 . Порядок работы с кататермометрами. Перед измерением кататермометр опускают в воду при температуре 65–80°С и держат, пока спирт заполнит не менее половины расширения капилляра. После этого кататермометр тщательно вытирают, вешают на штатив в точке измерения и по секундомеру устанавливают время охлаждения в указанных выше интервалах температур. Очень важно, чтобы кататермометр в период наблюдения находился в неподвижном состоянии, в противном случае будет имитироваться дополнительное движение воздуха. Измерения в одной точке повторяют несколько раз, отбрасывают первый результат, а из последующих выводят среднее значение величины охлаждения (Н). Вычисление величины охлаждения по цилиндрическому кататермометру производит по формуле: |
где (6)
Н – искомая величина охлаждения, мкал;
а – число секунд, в течение которых столбик спирта опустился с 38 до 35°С.
При работе с шаровым кататермометром, если наблюдения проводятся в температурном интервале 38-35°С, вычисление величины Н производят по той же формуле, что и для цилиндрического кататермометра. При наблюдениях в других интервалах для вычисления Н пользуются формулой:
где (7)
Н – искомая величина охлаждения, мкал;
– константа, мкал/см 2 ´град.);
Т1 – Т2 – интервалы температур в °С (40-33 или 39-34);
а – число секунд, в течение которых столбик спирта опустился в соответствующих температурных интервалах. с 38 до 35°С.
По величине охлаждения (Н) и значению температуры воздуха в период исследования скорость движения воздуха вычисляют по формулам:
для скорости движения воздуха 1 м/с (
> 0,6)
(9)
В приведенных формулах приняты следующие условные обозначения:
V – искомая скорость движения воздуха, м/с;
Н – величина охлаждения сухого кататермометра, мкал;
Q – разность между средней температурой тела (36,5°С) и температурой окружающего воздуха, °С;
0,20 и 0,40; 0,13 и 0,47 – эмпирические коэффициенты.
Пример определения скорости движения воздуха с помощью шарового кататермометра. Исследователем проводилось определение скорости движения воздуха в учебной аудитории №2 кафедры гигиены ГОУ ВПО «ВГМУ Росздрава» с помощью шарового кататермометра при температуре воздуха в период наблюдения 20°С. катафактор (F) прибора – 573 мкал/см 2 . Первый результат измерения времени падения температуры прибора с 40 до 33°С, как указывалось выше, был отброшен. Последующие три измерения показали соответственно время 210, 221 и 205 секунд. При расчете среднего времени получается результат: (210 + 221 + 205) : 3 = 636 : 3 = 212 с.
Далее, подставляя в формулу для шарового кататермометра соответствующие значения, определяем величину охлаждения H:
мкал.
Находим величину
, которая будет равна:
Скорость движения воздуха в учебной аудитории
