ГОСТ Р ИСО 16622-2009 Метеорология. Акустические анемометры-термометры. Методы приемочных испытаний при измерениях средней скорости ветра

Метеорология

АКУСТИЧЕСКИЕАНЕМОМЕТРЫ-ТЕРМОМЕТРЫ

Методыприемочныхиспытанийприизмерениях среднейскоростиветра

ISO 16622:2002
Meteorology — Sonic anemometers/thermometers — Acceptance test methods for mean wind measurements
(IDT)

Предисловие

ЦелиипринципыстандартизациивРоссийскойФедерацииустановленыФедеральнымзаконом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ«Отехническомрегулировании», аправилаприменениянациональных стандартовРоссийскойФедерации-ГОСТР 1.0-2004«СтандартизациявРоссийскойФедерации. Основныеположения»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕНАвтономнойнекоммерческойорганизацией«Научно-исследовательскийцентр контроляидиагностикитехническихсистем» (АНО«НИЦКД») наосновесобственногоаутентичногопереводанарусскийязыкстандарта, указанноговпункте 4

2 ВНЕСЕНТехническимкомитетомпостандартизацииТК 457 «Качествовоздуха»

3 УТВЕРЖДЕНИВВЕДЕНВДЕЙСТВИЕПриказомФедеральногоагентствапотехническомурегулированиюиметрологииот 15 декабря 2009 г. № 855-ст

4 НастоящийстандартидентиченмеждународномустандартуИСО 16622:2002 «Метеорология. Акустическиеанемометры-термометры. Методыприемочныхиспытанийприизмеренияхсреднейскоростиветра» (ISO 16622:2002 «Meteorology — Sonic anemometers/thermometers — Acceptance test methods for mean wind measurements», IDT).

ПриприменениинастоящегостандартарекомендуетсяиспользоватьвместоссылочныхмеждународныхстандартовсоответствующиеимнациональныестандартыРоссийскойФедерации, сведенияо которыхприведенывдополнительномприложенииДА

5 ВВЕДЕНВПЕРВЫЕ

Информацияобизмененияхкнастоящемустандартупубликуетсявежегодноиздаваемоминформационномуказателе«Национальныестандарты», атекстизмененийипоправок—вежемесячноиздаваемыхинформационныхуказателях«Национальныестандарты». Вслучаепересмотра (замены) илиотменынастоящегостандартасоответствующееуведомлениебудетопубликовано вежемесячноиздаваемоминформационномуказателе«Национальныестандарты». Соответствующаяинформация, уведомлениеитекстыразмещаютсятакжевинформационнойсистемеобщего пользования—наофициальномсайтеФедеральногоагентствапотехническомурегулированиюи метрологиивсетиИнтернет

Содержание

Введение

Влияниедеятельностичеловеканараспространениеввоздухеразногородазагрязняющихвеществощущается, восновном, вприземномслоеатмосферытолщинойнесколькодесятковметров. Дляэтогослояхарактерныбольшиеградиентынестационарныхтепловыхпотоков, резкиеперепады влажностиибыстрыеперемещениявоздушныхмасс. Чтобыописатьсостояниеприземногослояатмосферынеобходимоанализироватьинформациюотечениипотоковвоздухавтрехизмеренияхиихтурбулентностивтечениекороткоговременивнебольшойлокальнойобластипространства. Эта информациядолжнабытьпредставленанетольковвидеусредненныхповременивеличин, нотакжев видетурбулентныхфлуктуациивеличин, возникающихвследствиепроизводственногопроцесса, работытранспортныхсредств, процессовразрушенияирассеянияиоказывающихвлияниенаприземной слой.

Акустическийанемометр-термометрсостоитизрешеткипарпреобразователей (каждаяпарасостоитизультразвуковогоизлучателяиприемника, обычнорасположенныхдруготносительнодруга нарасстоянииот 10 до 20 см) иэлектронногоустройстваизмерениявременипрохожденияакустическойволныотизлучателякприемнику. Трехмернаярешеткапозволяетопределитьгоризонтальнуюи вертикальнуюсоставляющиескоростиветра, крометого, поскоростизвукаможетбытьопределена акустическая (виртуальная) температураокружающеговоздуха. Ультразвуковуюанемометриюиспользуютдляисследованийатмосферынапротяжениинесколькихдесятилетий, ноееширокоевнедрениевпрактикуповседневныхизмерений (начинаяотпростейшихизмеренийскоростии направленияветра) сталовозможнотольконаосновепоследнихдостиженийвтехнологииконструированияакустическойаппаратурыиобработкисигналов, атакжепоявленияновых, болеесложных математическихмоделей, описывающихявленияватмосфере. Посколькувсоставакустическиханемометровневходятподвижныедетали, онипростывобслуживаниииимеютрядпреимуществсточки зренияэксплуатациивнеблагоприятныхпогодныхусловиях. Этифакторыстимулировалисерийное производствоультразвуковыханемометровиподготовкупроектовнесколькихнациональныхстандартов, которые являются основной для разработки настоящего стандартапохарактеристикамиметодамиспытанийакустическиханемометров.

Методы, установленныенастоящимстандартом, предназначеныдляиспользованияприприемочныхиспытанияхакустическиханемометров-термометровдляизмерениясреднейскоростиветра. Для соответствиянастоящемустандартуобязательнопроведениеиспытаниявкамереснулевымпотоком воздуха (раздел 7), испытанияваэродинамическойтрубе (раздел 8) ииспытаниявполевыхусловиях (раздел 10). Испытаниевбарокамере (раздел 9) проводятдляакустическиханемометров, предназначенныхдляиспользованиянавысотевыше 2000 мнадуровнемморя.

НАЦИОНАЛЬНЫЙСТАНДАРТРОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ

Датавведения- 2010-12-01

1 Область применения

Настоящийстандартустанавливаетметодыиспытанийдляопределенияхарактеристикакустическиханемометров-термометров (далее-анемометров), принципдействиякоторыхоснованнаизмеренияхвременираспространениязвуковойволныприпрохождениирасстоянияотизлучателядо приемникаиобратно.

Настоящийстандартприменяютприпланированииизмеренийдвухилитрехкомпонентоввектора скоростивпределахполного (360°) азимутальногоугла.

2 Нормативныессылки

Внастоящемстандартеиспользованынормативныессылкинаследующиестандарты:

ИСО 5725-1 Точность (правильностьипрецизионность) методовирезультатовизмерений. Часть 1. Основныеположенияиопределения (ISO 5725-1, Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results — Part 1: General principles and definitions)

ИСО 5725-2 Точность (правильностьипрецизионность) методовирезультатовизмерений. Часть 2. Основнойметодопределенияповторяемостиивоспроизводимостистандартногометодаизмерений (ISO 5725-2, Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results — Part 2: Basic method for the determination of repeatability and reproducibility of a standard measurement method)

ASTM D5741-96 Стандартныйметодописанияприземныхветровсиспользованиемкрыльчатогоанемометра (ASTM D5741-96, Standard Practice for haracterizing Surface Wind Using a Wind Vane and Rotating Anemometer)

WMOCIMO, 1996 (Всемирнаяметеорологическаяорганизация) Руководствопоиспользованию метеорологическихинструментовиметодамнаблюдения (WMOCIMO, 1996 WorldMeteorologicalOrganization (ed.) Guide to meteorological instruments and methods of observation. WMO-No.8, 6th edn. 1996, Geneva)

3 Терминыиопределения

Внастоящемстандартепримененыследующиетерминыссоответствующимиопределениями:

3.1 решетка(array): Механическаяконструкция, накоторойразмещаютакустическиепреобразователивзаданнойгеометрическойконфигурации.

3.2 угол (вращательной) симметриирешетки(arraysymmetryangle): Минимальныйугол, при поворотенакоторыйрешеткасовмещаетсясосвоимпервоначальнымположением.

3.3 среднее(mean): Среднеезначениедля (выбранного) времениусреднениярезультатовизмеренийанемометром.

3.4 акустическийанемометр-термометр; анемометр (sonic, sonicanemometer/thermometer): Прибор, состоящийизрешеткипреобразователей, составленнойизпаракустическихизлучателейи приемников, тактовогогенератораимикропроцессорнойсхемыдляизмеренияинтерваловвремениот моментаизлучениядомоментаприемазвуковогоимпульса.

3.5 путьакустическогосигнала(soundpath): Путьмеждупарой«излучатель-приемник».

3.6 времязадержкисистемы(systemdelay): Разницамеждудетектируемымэлектроннымустройствомполнымвременемпрохождениясигналаиреальнымвременемпрохождения.

Примечание-Времямеждуэлектроннойгенерациейпередаваемогосигналаиэлектроннымдетектированиемполученногосигналабольше, чемвремяпрохождения, из-завременипередачисигналачерезпреобразователииэлектроннуюцепь.

3.7 времяпрохождения(transittime): Время, необходимоедляпрохожденияфронтомакустическойволныпутиакустическогосигнала.

3.8 интенсивностьтурбулентности(Ндп. уровеньтурбулентности) T_i(turbulencelevel, turbulenceintensity): Отношениеквадратногокорняизкинетическойэнергиитурбулентностиксредней скоростиветра, вычисляемоепоформуле

гдезнак«‘»означаетотклонениеотсреднегозначения.

Пример

, ит.д.,

гдеu‘ —мгновеннаясоставляющаяскоростиветра,

—среднеезначениесоставляющейскоростиветра.

3.9 смещениенуля(zerooffset): Значениескоростиветрапоанемометрувстоячемвоздухе.

4 Обозначения

Внастоящемстандартеиспользованыследующиеобозначения:

T-температура, К;

T_s— виртуальнаяакустическаятемпература, К [см. формулу (В.4)];

T_i-интенсивностьтурбулентности;

U₀-скоростьламинарногопотокаваэродинамическойтрубе, скоростьилискоростьветра, измереннаяэталоннымдатчиком, м/с;

U_a-скоростьветра (выходнойсигналанемометра) поазимутуа, м/с;

U_b-скоростьветра (выходнойсигналанемометра) поазимутуb, м/с;

U_a,n— значениеU_a, м/с, приn-мизмерении;

U_v— векторноесреднееU_a, м/с;

U_s-скалярноесреднееU_a,м/с;

U_max-определеннаяизготовителеммаксимальнаяскоростьветра, котораяможетбытьизмерена данныманемометром, м/с;

U_min — минимальнаяскоростьветраприиспытании, м/с;

Z-волновоесопротивлениесреды (Z = ρ·с [кг·м^-2·с^-1]);

а -азимутанемометра, вградусах;

b-азимутанемометра, вградусах;

с -скоростьзвука, м/с;

d— длинапути, м;

е -парциальноедавлениеводяногопара, гПа;

h-высотанадуровнемморя, м;

р— давление, гПа;

р_е— эквивалентноедавление, гПа, (см. таблицуD.1);

t_a-времяусреднения, с;

t₊-времяпрохожденияакустическогосигналаотпреобразователя + допреобразователя — , с;

t_—-времяпрохожденияакустическогосигналаотпреобразователя — допреобразователя + , с;

u₀, v₀, w₀-продольная, поперечнаяивертикальнаясоставляющиескоростиламинарногопотока, м/с;

u_a, v_a, w_a-выходнойсигналанемометра, соответствующийпродольной, поперечнойивертикальной составляющимскоростиветра, м/с;

u_а,n, v_a,n, w_a,п-значенияu_а, v_a, ω_априn-мизмерении, м/с;

v_d-продольнаясоставляющаяскоростиветра, м/с;

v_n-поперечнаясоставляющаяскоростиветра, м/с;

v_t-скоростьветранапутипрохождениязвуковойволны ();

α-направлениеветра, определенноеповыходномусигналуэталонногодатчика, вградусах;

α₀-азимутневозмущенногопотокапоотношениюкориентациианемометралиборавныйазимуту осиаэродинамическойтрубыотносительноазимутаанемометра, либоазимут, измеренный эталоннымдатчиком, вградусах;

α_а-направлениеветра, определенноеповыходномусигналуанемометра, вградусах, поотношениюказимутуанемометраа;

α_b-направлениеветра, определенноеповыходномусигналуанемометра, вградусах, поотношениюказимутуанемометраb;

α_а,n— значениеα_априn-мизмерении;

α_v-векторноесреднееα_а, вградусах;

α_s-скалярноесреднееα_а, вградусах;

Δ_a-модульвекторнойразностимеждуизмереннойскоростьюветраискоростьюневозмущенного потокаваэродинамическойтрубеприазимутеα, м/с;

Δ_a,b-модульвекторнойразностимеждувекторамискоростиветра, определеннымивкамереснулевымпотокомвоздуха, приазимутаханемометраα_аиα_b, м/с;

Δ_a,n,m-модульвекторнойразностимеждуn-миm-мзначениямивекторовскоростиветра, полученнымивкамереснулевымпотокомвоздухаприазимутеанемометраα_а;

φ-уголсклоненияосипреобразователяпоотношениюкгоризонтальномунаправлениюпотока воздухаваэродинамическойтрубе, вградусах (положительномузначениюугласоответствует положениеосипреобразователя, направленногопротивветра, вверхнадгоризонтальной плоскостью, аотрицательному-вниз);

ρ-плотностьвоздуха, кг/м³;

Ω-угловаяскоростьвращениядатчикапоотношениюказимуту, вградусахвсекунду.

5 Краткоеописаниеметодов

Передпроведениемиспытанийрешеткаанемометрадолжнабытьосмотренадлявыявлениявозможныхповрежденийипроверенанасоответствиетехническимтребованиям, установленнымизготовителем. Точностьрезультатовизмеренийдолжнабытьоцененаипредставленавпротоколе испытанийвсоответствиисИСО 5725-1 иИСО 5725-2.

Входеприемочныхиспытанийвыполняют:

— испытаниевкамереснулевымпотокомвоздуха-дляопределениясмещениянуляанемометраврабочемдиапазонетемператур;

— испытаниеваэродинамическойтрубе-дляопределенияотклонениярезультатаизмерений скорости (вектора) отистинногозначенияврабочемдиапазонескоростейинаправленийпотока;

— испытаниевбарокамере-дляопределениярабочегодиапазонаплотностивоздуха (хотярезультатыизмеренийотплотностивоздуханезависят, нонекотораяминимальнаяплотностьвоздуханеобходимадляпрохождениядетектируемогоакустическогосигнала);

— испытаниевполевыхусловиях-дляоценкивлияниянаработуанемометрапотенциальнонеблагоприятныхусловийокружающейсреды, трудновоспроизводимыхвлаборатории.

6 Осмотррешеткипередпроведениемиспытаний

Необходимоубедитьсявтом, чторешеткаориентированаиотъюстировананадлежащимобразом, нанейнетследовповреждений, иотсутствуютпрепятствиядляпрохожденияультразвуковогосигнала.

Измеряютиуказываютвпротоколеиспытанийрасстояниямеждупреобразователямивпареи сравниваютихсрасстояниями, установленнымиизготовителем, сучетомдопустимыхотклонений (если этиданныесодержатсявдокументацииизготовителя). Еслирезультатыизмеренийнепопадаютвграницыдопуска, тоиспытанияпрекращают.

7 Испытаниевкамереснулевымпотокомвоздуха

7.1 Цель испытания

Цельюиспытаниявкамереснулевымпотокомвоздухаявляетсяопределениесмещениянуля анемометраивыявленияпроблем, связанныхсегоюстировкойилиградуировкой.

Времязадержкисистемыскладываетсяизвременпрохождениясигналачерезпреобразователии электроннуюцепь. Наличиевовременизадержкисистемынесимметричнойсоставляющей (когдаразностьмеждувременамизадержкиприпрохожденииультразвуковогосигналавпротивоположныхнаправленияхнеравнанулю) приводитксмещениюнулядлясоответствующейсоставляющейскорости ветра. Обычносмещениенулявзначительноймереисключаетсяпритекущейобработкесигнала, основаннойнакалибровкеизготовителя. Однакосмещениенуляможетизменитьсясовременем, атакже бытьзависимымоттемпературы. Смещениенуляопределяютпорезультатамиспытаниярешеткив камереснулевымпотокомвоздуха (см. приложениеА).

7.2 Методикаиспытаний

7.2.1 Получаютотизготовителятехническиехарактеристикикамерыснулевымпотокомвоздуха.

7.2.2 Помещаютрешеткувкамеруснулевымпотокомвоздухаиожидают, поканестабилизируютсятемператураидвижениевоздухавнутрикамеры. Убеждаютсявтом, чтоанемометрработает, нонагреврешеткинепроисходит, впротивномслучаееговыключают.

7.2.3 Устанавливаютвремяусредненияанемометраравнымзаданному (используемомуприприменениианемометра). Вентиляторвкамере (приегоналичии) долженбытьвыключен.

7.2.4 Снимаютпоказанияирегистрируюттемпературу, скоростьинаправлениеветраилисоставляющиескоростиветра, измеренныеанемометром: (U_a,n, α_a,n) или (u_а,n, v_a,n, w_a,п). Индексаозначаетазимутальнуюориентациюанемометравкамереснулевымпотокомвоздуха, аиндексn-номер измерения.

7.2.5 Повторяютизмеренияпо 7.2.4 неменеетрехразсинтервалом 10 мин. Еслидлявсехрезультатовизмеренийскоростипотокавоздухаполученызначениясмещениянулявпределахустановленныхдопусков, тосчитают, чтоанемометрпрошелданноеиспытание. Впротоколеиспытаний указываюттемпературувкамере, посколькуотнееможетзависетьсмещениенуля. Еслидляодного илинесколькихрезультатовизмеренийскоростипотокавоздухаполученызначениясмещениянуля, выходящиезапределыдопуска, тоанемометрбракуют, приусловии, чтовиспытаниибылаиспользованакамераснулевымпотокомвоздухаутвержденноготипа.

7.2.6 Есливиспытанияхиспользованакамераснулевымпотокомвоздуханеутвержденноготипа иприэтомдляодногоилинесколькихрезультатовизмеренийскоростипотокавоздухаполученызначениясмещениянуля, выходящиезапределыдопуска, топроверяют, необусловленолиэтоналичиемнекоторогоостаточногодвижениявоздухависпытательнойкамере. Дляэтоговычисляютмодуль векторныхразностейпоформуле

гдеΔ_a,n,m-модульвекторнойразностимеждуn-миm-мзначениямивектораскоростиветраприазимутальнойориентациианемометраа.

ЕслимаксимальноезначениеΔ_a,n,mсоставляетнеболее 10 % допустимогосмещениянуля, то смещениестабильнововремениидвижениемвоздухаможнопренебречь. Затемпроверяют, необусловленолисмещениеотражениямиотстеноккамеры. Сэтойцельюповорачиваютрешеткувкамере вдольееазимутальнойосинаприблизительнополовинууглаеесимметрии (на 60°длярешеткисуглом симметрии 120°) иожидают, поканестабилизируетсядвижениевоздухавкамере. Снимаютпоказанияи регистрируютскоростьинаправлениеветра: U_b, a_b. Возможныследующиеситуации:

а) Вотсутствиеотраженийотстеноксмещениенулянезависитотазимутальнойориентациирешеткивкамере (обозначеннойиндексамиаиb). ВэтомслучаемодульвекторнойразностиΔ_a,b, полученныйпоформуле

будетнебольшим [неболее 10 % (U_a + U_b)/2]. Такимобразом, наблюдаемыесмещениянуляявляютсяреальнымиинесвязанысусловиямииспытаний. Считают, чтоанемометрнепрошелданноеиспытание.

b) Приналичииотраженийотстеноксмещениенулязависитотазимутальнойориентациирешеткивкамере, аΔ_a,bявляетсябольшим. Вэтомслучаеконструкциюкамерыснулевымпотокомвоздуха подвергаютсоответствующеймодификации.

ЕслимаксимальноезначениеΔ_a,n,m[см. формула (2)] неявляетсянезначительнымпосравнению сустановленнымдляанемометрадопускомнасмещениенуля, толибоанемометрработаетнестабильно, либовиспытательнойкамереимеетместослишкоминтенсивноедвижениевоздуха. Принимают мерыктому, чтобыкамераснулевымпотокомвоздуханаходиласьвсостояниитепловогоравновесия.

7.2.7 Повторяютиспытаниепопроверкесмещениянуляпритемпературах, соответствующихверхнейинижнейграницамрабочегодиапазонатемпературанемометра. Дляэтогонеобходимаклиматическаякамера, вмещающаяиспытательнуюкамеруснулевымпотокомвоздухаиэлектроннуюцепь анемометра.

Припроведениииспытанияпритемпературе, соответствующейнижнейграницерабочегодиапазона, учитываютследующее. Смещениенулязависитнеоттемпературывоздуха, аоттемпературы преобразователяиэлектроннойцепианемометра. Еслианемометрснабженсистемойподогревапреобразователя, котораяобычновключаетсяпринизкихтемпературах, тодопустимаятемпературапреобразователяможетбытьвышеустановленнойминимальнойтемпературыокружающейсреды. Посколькуприпроведениииспытаниявкамереснулевымпотокомвоздухаподогревдолженбытьвыключен, нижняяграницадиапазонатемпературвклиматическойкамередолжнасоответствоватьнаименьшемудопустимомузначениютемпературыпреобразователя.

8 Испытаниеваэродинамическойтрубе

8.1 Цельиспытания

Цельюиспытанияявляетсяопределениеотклонениярезультатовизмерений, полученныхспомощьюиспытываемогоанемометра, отзаданныхзначенийскоростипотокавоздухаваэродинамическойтрубе.

Видеальномслучаефункцияоткликаанемометра (дляоднойсоставляющейскоростиветра) можетбытьзаданапоформуле (В.2), нодляреальнойфункцииоткликабудутиметьместоотклоненияот указаннойзависимости. Этиотклонениявключаютвсебясмещениенуля (см. раздел 7) ипогрешности, обусловленныевозмущениямипотокаиобластямитени, которыемогутбытьколичественнооценены наосновесравненияскоростиинаправленияветра, измеренныханемометром, соскоростьюветраи азимутальнойориентациейанемометрапоотношениюкосипотокаваэродинамическойтрубесоответственно. Обычнопогрешности, обусловленныевозмущениямипотокаиобластямитени, уменьшаютпутемвведенияпоправочныхкоэффициентовприобработкесигналовврежимереальноговремени (см. приложениеВ).

Этипогрешностизависятотскорости, азимутаиугласклоненияφосипреобразователяпоотношениюкгоризонтальномунаправлениюпотока. Поэтомудляполногоисследованиянеобходимопровести оченьбольшоечислотрудоемкихизмерений. Приприемочныхиспытанияхприменяютупрощенную процедуру, принимаявовниманиетотфакт, чтомаксимальнаяиминимальнаяотносительныепогрешностиобычноимеютместоприприблизительнооднихитехжеазимутеивысотенадуровнемморяв широкомдиапазонезначенийскоростипотокавоздуха.

Минимальныетребованияктехническимхарактеристикамаэродинамическойтрубы, используемойприпроведенииприемочныхиспытаний, приведенывприложенииС.

8.2 Предварительныеизмерения

Ваэродинамическихтрубахсзакрытымииспытательнымисекцияминаличиеотраженийотстенок можетпривестикпогрешностямизмерений (см. раздел 7). Приведеннуюнижепроцедурупроверкииспользуютдляколичественнойоценкипогрешности, обусловленнойотражениями. Предварительноанемометрдолженуспешнопройтииспытаниевкамереснулевымпотокомвоздуха. Выборпроцедуры зависитотнаименьшейскоростиветра, которуюможнореализоватьваэродинамическойтрубе (остаточногодвижениявоздуха, еслиаэродинамическаятрубазакрыта).

а) Ваэродинамическойтрубеможетбытьсозданпотоквоздухасоскоростьюнижеуровнясмещениянуля, допускаемогодляанемометра.

Вэтомслучаеприминимальнойскоростипотокавоздухавыполняютследующиедействия:

1) СнимаютпоказанияирегистрируютскоростьветраU_aприпятизначенияхазимутальногоугла α_аанемометравпределахполовиныугласимметриирешетки (напримерα₁ = 0°, α₂ = 15°, α₃ = 30°, α₄ = 45°, α₅ = 60°длярешеткисугломсимметрии 120°).

2) ЕсливсезначенияU_aравныилинижедопустимогозначениясмещениянуля, топогрешностями, обусловленнымиотражениями, можнопренебречь.

b) Ваэродинамическойтрубенеможетбытьсозданпотоквоздухасоскоростьюнижеуровнясмещениянуля, допускаемогодляанемометра. Вэтомслучаевыполняютследующиедействия:

1) ВаэродинамическойтрубесоздаютпотоквоздухаснаименьшейвозможнойскоростьюU₀взаданномнаправлении.

2) Регистрируютрезультатыизмеренийскоростиинаправленияветра (U_а, α_а) припятизначениях азимутальногоуглаα_аанемометравпределахполовиныугласимметриирешетки.

3) Вычисляютмодульвекторнойразностимеждузначениямискоростипотокавоздухаваэродинамическойтрубе, измереннымиспомощьюанемометраизаданнымипоформуле

гдеΔ_a-суммавсехпогрешностей, включаясмещениенуля, возмущениепотокаиотражения.

4) ОцениваютраспределениеΔ_aдлявсехпятизначенийα_а. Еслиразностисоставляютнеболее 10 % отсреднего, топогрешностями, обусловленнымиотражением, можнопренебречь.

Примечание-Посколькупогрешности, обусловленныевозмущениемпотока, увеличиваютсяприувеличениискоростиветра, процедурапримениматолькопринизкихскоростяхветра, прикоторых, всоответствиис документациейизготовителя, погрешности, обусловленныевозмущениемпотока, значительнонижесмещения нуля.

8.3 Методикаиспытаний

8.3.1 Изменениенаправленияветрапрификсированнойскорости

ПогрешностьскоростиветраU_aинаправленияветраα_апоотношениюкистиннымзначениям определяютпутемизмененияориентациианемометрапоотношениюкнаправлениюпотокавоздуха приразныхзначенияхскоростиветраваэродинамическойтрубе. Решеткуповорачиваютсшагомнеболее 5°впределахполногоазимутальногоугла (360°). Вкаждомположениирешеткисигналусредняют наинтервалевременинеменее 30 с. Чтобыполучитьдоверительныйинтервалдлякаждойточкипостатистическомураспределениюрезультатовизмерений, усреднениеможнопроводитьпослесборавсей информации (т.е. неврежимереальноговремени). Длякаждойориентациирешеткииспытаниепроводят, покрайнеймере, припятификсированныхзначенияхскоростивовсемрабочемдиапазонеотU_minдоU_mах. Значенияскоростивыбираюттакимобразом, чтобыонибылиприблизительноравноудалены друготдругавлогарифмическоммасштабе. Рекомендуемыезначенияскоростипотокавоздухаваэродинамическойтрубе (впроцентахU_max): 10 %; 18 %; 32 %; 56 %; 100 %.

Устанавливаютзаданнуюскоростьпотокавоздухаваэродинамическойтрубесмаксимальнойточностью, отклонениенедолжнопревышать 10 % приведенныхвышезначений.

Анализируютрезультатыиспытанийдляопределениянаихудшейинаилучшейориентациирешетки (максимальноеиминимальноесмещение). Обычноэтиориентациинезависятотскоростипотока воздуха.

Примечание-Обычнонаихудшаяинаилучшаяориентациибудутразнымивзависимостиоттого, какоесистематическоесмещениерассматривают: поскоростиилипонаправлениюпотокавоздуха. Длянекоторых конструкцийанемометровнаихудшаяориентациявотношенииизмерениянаправленияветрасовпадаетснаилучшейориентациейвотношенииизмеренияскоростиветраинаоборот.

8.3.2 Изменениескоростиветрапринаихудшейинаилучшейориентациях

Определяютзависимостьсистематическойпогрешностиотскоростиветрапутемизмененияскоростипотокаваэродинамическойтрубепринаихудшейинаилучшейориентацияхрешеткианемометра. Еслидляразныхдиапазоновскоростипотокавоздухабыливыявленымногократныенаихудшиеи наилучшиеориентации, тоиспытаниевыполняютвполномобъемедлякаждойизтакихориентации. Результатизмеренийполучаютусреднениемнаинтерваленеменее 30 с. Чтобыполучитьдоверительный интервалдлякаждойточкипостатистическомураспределениюрезультатовизмерений, усреднение можнопроводитьпослесборавсейинформации (т.е. неврежимереальноговремени). Измеренияпроводятпридесятизначенияхскоростипотокавоздуха, выбранныхтакимобразом, чтобыонибылиприблизительноравноудаленнымидруготдругавлогарифмическоммасштабе. ПриэтомзаU_minпринимаютнаименьшуюскорость, прикоторойвозможноподдержаниестабильногопотокавоздухав аэродинамическойтрубе. Вкачествеминимальнойскоростипотокавоздухавыбирают 1 % U_max. Рекомендуемыезначенияскоростейпотокавоздухаваэродинамическойтрубе (впроцентахU_max): 1,0 %; 1,7 %; 2,8 %; 4,6 %; 7,7 %; 13 %; 21 %; 36 %; 60 %; 100 %.

Длянекоторыхаэродинамическихтрубзначение 1 % U_maxможетбытьнижеU_min. Вэтомслучаерекомендуемыезначенияскоростипотокавоздуха (впроцентахU_max) будутследующими: 2,0 %; 3,0 %; 5,0 %; 7,0 %; 11 %; 18 %; 27 %; 42 %; 65 %; 100 %.

8.3.3 Внеосевойсигнал

Повторяютпроцедуры 8.3.1 и 8.3.2 приориентацииакустическогоизмерителяподугламисклоненияφ, равными± 15°.

Еслианемометрпредназначендляопределениягоризонтальныхсоставляющихвектораскорости ветра, торезультатизмеренийU_aсравниваютсU₀cosφ.

Еслианемометрпредназначендляизмерениявектораскоростиветравтрехмернойсистемекоординат, торезультатизмеренийU_aсравниваютсU₀.

8.3.4 Векторноеусреднение

Обычносистемаобработкисигналаанемометрадляполучениязначенияскоростиветравыполняетоперациютакназываемого«векторногоусреднения», основанногонаполучениисреднихзначений проекцийвектораскоростиветранаосипрямоугольнойсистемыкоординатпоформуле

гдеu_а-измереннаяпродольнаясоставляющаявектораскоростиветра. Положительныйзнакu_а(при v_a= 0) соответствуетα = 0°;

v_a-измереннаяпоперечнаясоставляющаявектораскоростиветра (приα = 90°значениеv_aпринятоположительным, u_а= 0).

Угол, определяемыйвыражением находятпотаблице 1.

Таблица 1

8.3.5 Скалярноеусреднение (необязательное)

Внекоторыхслучаяхтребуетсяимитацияоткликакрыльчатогоанемометра, чтосоответствуетвычислениютакназываемых«скалярныхсредних»:

Выполнениепроцедурыскалярногоусредненияпроверяют, вращаяанемометрвокругазимутальнойосиспостояннойугловойскоростьюΩвтечениеинтервалаусредненияt_a. ВэтомслучаеизмеренныескоростиU_vиU_sбудутразличны: U_s= U_a, тоестьскалярноесреднеенезависитотα₀, втовремякак векторноесреднеестремитсякнулюсростомt_aвсоответствиисформулой

Примечание-Напрактикеэтиравенствасоблюдаютсяприближенносучетомточностианемометра.

Приопределениинаправленияветравслучаескалярногоусреднениявозникаетдополнительная проблема, известнаякак«проблемапересеченияСевера». Частотноераспределениенаправленийпри пересеченииСевера (т.е. припереходеот 360°к 0°) становитсябимодальным. Вэтомслучаеперед усреднениемраспределениедолжнобыть«склеено»всоответствующейточкепоотношениюкСеверу, чтоможетбытьреализованоразнымиалгоритмами. Правильностьалгоритма, реализованногованемометре, проверяют, изменяяазимутанемометраот 355°до 5°вовремяинтервалаусредненияпри симметричномазимутальномраспределениипоотношениюк 0°. Простоеусреднениепоуглудастα_s = 180°, втовремякакприправильномалгоритмедолжнобытьполученонаправлениеветраα_s = 360° (впределахзначенийточностныххарактеристиканемометра).

Примечание-Выполнениевышеописаннойпроцедурынепозволяетполучитьполноедоказательство того, чтоимитируетсяоткликкрыльчатогоанемометра. Вописанныхусловияхиспытанийрезультирующиенаправленияα_vиα_sидентичны. Чтобыустановитьразличиямеждуα_vиα_s, необходимопровестиусреднениепоразным азимутамα₀искоростямветраU₀.

9 Испытаниевбарокамере (необязательное)

9.1 Цельиспытания

Измерениевременипрохожденияакустическогосигналаосуществимотольковтомслучае, если значениепринятогосигналапревышаетпорогобнаружения. Уровеньпринимаемогосигналазависитот состоянияслоявоздухамеждуизлучателемиприемником, посколькуэффективностьработыпреобразователейзависитоттого, насколькосогласованыволновоесопротивлениемембраныпреобразователяисреды. Длябольшинстваконструкцийпреобразователейэффективностьпередачииприема приблизительнопропорциональнаZ = р·с, т.е. произведениюплотностивоздухаρнаскоростьзвукас. Поэтомуобщуюэффективность, определяемуюкакотношениеэнергиипринятыхзвуковыхволнкэнергиипереданных, вычисляюткакZ² = (ρ·с)². Дляобнаруженияполезногосигналанафоненеизбежных тепловых, электронныхиакустическихшумовнеобходимминимальныйуровеньэффективности. ВолновоесопротивлениевоздухаZзависитотатмосферногодавления, температурыивлажности. Ввиду естественнойизменчивостиэтихпараметровзначениеZ²можетснижатьсядо 70 % своегосреднего значениявданнойместности (см. [1]), приэтомZтакжеуменьшаетсяприувеличениивысотынадуровнемморя. ТочнаяфункциональнаязависимостьZотвысотыместаобусловленапрофилямитемпературыивлажностивреальныхусловиях. Поэтомумаксимальнаярабочаявысотанадуровнемморяне постояннаизависитотпараметровсостоянияатмосферы. Темнеменее, дляпрактическогопримененияможетбытьопределенастандартнаямаксимальнаярабочаявысотанадуровнемморясиспользованиемстандартнойатмосферы¹⁾. ВтаблицеD.1 (приложенияD) приведеназависимостьволнового сопротивлениясредыиуменьшенияэффективностиотвысотынадуровнемморя, полученнаясиспользованиемстандартнойатмосферы.

РабочийдиапазонанемометраповолновомусопротивлениюсредыZ, или, чтоэквивалентно, максимальнаярабочаявысотанадуровнемморя, могутбытьопределенысиспользованиембарокамеры. ВпоследнейграфетаблицеD.1 (приложенияD) приведенызначениядавленияпридопущении обизотермическомрасширении, постоянствесоставагазовойсмесиисвойствповерхностногослоя стандартнойатмосферы, длякоторыхполученызначенияволновогосопротивления, приведенныев соответствующихстроках.

¹⁾Внастоящемстандарте«стандартнаяатмосфера-этоU.S. StandardAtmosphere, т.е. стандартнаяатмосфера, используемаявСША. ВРоссийскойФедерациидействуетГОСТ 4401-81 Атмосферастандартная. Параметры.

9.2 Аппаратура

Анемометрдолженвыдаватьсообщениеобошибке, еслиуровеньсигналаснижаетсянижеустановленногопороговогозначения. Объембарокамерыдолженбытьдостаточным, чтобывнеепоместиласьрешеткаанемометра. Вбарокамередолжнобытьустройствоконтролядавлениявустановленном дляанемометрадиапазоневпределахпогрешности 10 гПа.

Есликонструкциейанемометранепредусмотреноформированиесообщения, показывающегопотерюпринимаемогосигнала, токонсультируютсясизготовителеманемометраоспособе, какимможно обнаружитьпотерюсигнала.

9.3 Методикаиспытаний

Дляопределенияминимальногоэквивалентногодавленияр_eиспользуютданныетаблицеD.1 (приложениеD) иоткачиваютбарокамерусоответствующимобразом. Ожидают, покатемпературавоздухавкамеренепридетвравновесиестемпературойстеноккамеры (обычнонеболее 1 мин). Проверяют, невыдаетлианемометрсообщениеобошибке.

Примечание-Послебыстрогорасширениявоздухавкамерееготемпературапонижается (процесс адиабатическогорасширения), чтопритеплыхстенкахкамерыприводиткпоявлениюконвекционныхпотоков. В этойситуацииустройствоавтоматическогоконтроляработыанемометраможетошибочновыдатьсообщениеонеисправностииз-заслишкомбольшойразницырезультатовизмеренийскоростизвукадляразныхпутейзвуковой волны.

10 Испытаниявполевыхусловиях

10.1 Цельиспытания

Лабораторныеусловиянепозволяютпровестиприемочныеиспытаниявнеобходимомобъеме. Например, аэродинамическаятрубанепозволяетвоспроизвестивесьдиапазонинтенсивностииспектр атмосфернойтурбулентности. Исследованияпоказывают, чтопогрешности, обусловленныевозмущениемпотокаиобластямитени, внекоторойстепенизависятотхарактеристиктурбулентностипотока. Различныевидыосадков, напримерпереохлажденныйдождь, такжеявляютсяпримеромпогодных условий, которыесложновоспроизвестивлаборатории.

Большимнедостаткомиспытанийвполевыхусловияхявляетсято, чтоусловиямииспытанийневозможноуправлять, чтозатрудняетобеспечениетребуемойвариативности.

Внастоящемразделеприведенытолькоминимальныетребованиякусловиямпроведенияполевыхиспытаний. Подробноеруководствопопроведениюиоценкерезультатовполевыхиспытанийне входитвобластьприменениянастоящегостандарта.

10.2 Продолжительностьиспытания

Дляанемометра, предназначенногодляэксплуатациивнеобслуживаемомрежимеработывтечениедлительныхпериодоввремени, полныеприемочныеполевыеиспытаниядолжныбытьпроведеныв условиях, представительныхдлявсехвременгода.

10.3 Местопроведенияиспытаний

10.3.1 Пространственнаяоднородность

Местоиспытаниядолжносоответствоватьосновнымтребованиямкместуразмещенияметеорологическихназемныханемометров, какустановленовWMOCIMO№ 8 иASTMD 5741, чтобыобеспечитьсоответствующуюстепеньоднородностихарактеристикокружающейсредывместеиспытания.

10.3.2 Климат

Климатвместеразмещенияанемометрадолженбытьаналогичнымклиматувпредполагаемых местахегоприменения. Важнымисоставляющимиклиматаявляются:

— распределениескоростейинаправленийветра (розаветров),

— распределениетемператур,

-распределениедождевыхосадков,

— наличиеосадковдругихтипов,

— наличиеиинтенсивностьобледенения.

10.4 Испытательноеоборудование

10.4.1 Эталонныйдатчикскоростиветра

Вблизианемометранатойжевысотеустанавливаютодинилинесколькодатчиковскоростиветра. Посколькунесуществуетэталонногодатчика, которыйможнобылобыиспользоватьвразличных полевыхиспытаниях, выбираютдатчикисизвестнымиметрологическимихарактеристиками, предпочтительнооснованныенафизическомпринципеизмерений, отличномоттого, чтоиспользованванемометре. Такимобразом, можноожидатьчто, покрайнеймере, некоторыефакторысостояния окружающейсреды, которыесчитаютсякритическимидляприемкианемометра, небудутоказывать стольжесущественноговлияниянахарактеристикиэталонногодатчикаскоростиветра. Однако, из-за относительновысокойустойчивостианемометракизменениюусловийсреды, существуетвысокаявероятностьтого, чтоэталонныйдатчикскоростиветрапотеряетсвоифункциональныекачества, вто времякаканемометрбудетпродолжатьработать. Даннуюситуациюлегкообнаружить, установивна местеиспытанияещеодинанемометр.

Примечание-Диапазонусловийприменениямеханическихдатчиковскоростиветра, используемыхв качествеэталонныхдатчиков, можетнеохватыватьвесьдиапазонусловийпримененияанемометра. Поэтомудля некоторыхусловийиспытанийсравнениестакимдатчикомможетоказатьсяневозможным.

Есливкачествеэталонногоиспользуетсядругойанемометр, тоондолжениметьбольшойугол приемаивноситьминимальныеискажениявпотокивоздуханаместеиспытаний (см. [2], [3]).

Выбранноерасстояниемеждуанемометромиэталоннымдатчикомвгоризонтальнойплоскости представляетсобойкомпромиссмеждудвумявзаимоисключающимитребованиями. Расстояниедолжнобыть:

— большим, чтобыизбежатьвзаимноговлиянияиз-запрегражденияпотока,

— минимальным, чтобынарасхождениеврезультатахизмеренийнеоказывалавлияниепространственнаянеоднородностьпотокавоздуха.

Какправило, минимальноерасстояниемеждудатчикамидолжнобытьвдесятьразбольшевнешнегодиаметрамеханическогодатчика. Максимальноерасстояниедолжнобыть 10 м. Линия, соединяющаяосидатчиков, должнабытьперпендикулярнапреобладающемунаправлениюветра. Если применяютнесколькоэталонныхдатчиков, тоихследуетразмещатьнаоднойлинии, чтобымаксимальноуменьшитьсекторветрадляисключенияегоизоценки.

10.4.2 Вспомогательныедатчики

Вспомогательныедатчикииспользуютдляизмеренияпараметровокружающейсреды, знаниекоторыхважноприпроведенииприемочныхиспытаний, атакжедатчики, позволяющиеизмерить, покрайнеймере, тепараметры, которыеприведеныв 10.3.2. Вспомогательныедатчикиустанавливаютс учетомосновныхтребованийкместуразмещенияметеорологическихназемныханемометров, как установленовWMOCIMO№ 8 иASTMD 5741.

10.5 Оценкарезультатовиспытаний

10.5.1 Неисправности

Впротоколеиспытанийописываютприродувозникшегоповрежденияилинеисправности, частоту егопоявленияиобстоятельства, которыемогутстатьпричинойповрежденияилинеисправности.

10.5.2 Автоматическийконтрольработоспособностианемометра

Еслиустройство, реализующееалгоритмыавтоматическогоконтроляработоспособностианемометра, выдаеткодыобнаруженныхошибок, тоэтиошибкиотносятксоответствующимклассам.

Обнаруженныенедостоверныерезультатыизмеренийсоотносятсусловиямиокружающейсреды (см. 10.3.2), прикоторыхэтирезультатыбылиполучены. Такимобразоммогутбытьвыявленынежелательныеусловияпримененияанемометра.

10.5.3 Оценкарасхождениярезультатовизмеренийскоростиинаправленияветра

a) Результатыиспытанийраспределяютпогруппамвсоответствииспараметрамиокружающей среды (включаявсевидыосадков) ипогруппамвзависимостиотскоростиветра, которыеопределяют границыдиапазона, представляющегоинтересдляпользователя.

b) Вычисляютотносительныеразностидляскоростейинаправленийветрадлякаждогокласса. Классы, вкоторыебыливключенынаправленияветра, отклоняющиесяотлинии, соединяющейдатчики, впределах±60°, исключаютизрассмотрения; классы, содержащиеменее 100 паррезультатовизмерений, такжеисключаютизоценки.

c) Вычисляютсреднююсистематическуюпогрешность, стандартноеотклонениеипрецизионностьдлявсехоставшихсягрупп.

Примечание-Дляскоростейветранеболее 5 м/спринятоиспользоватьабсолютныеразности, адля скоростейветранеменее 5 м/с-относительные.

Еслисредняясистематическаяпогрешностьменьшесистематическойпогрешности, установленнойдляанемометра, тосчитают, чтоанемометруспешнопрошелиспытание.

10.5.4 Влияниенеоднородностиветровогополянарезультатизмеренияскоростиветра

Еслисредняясистематическаяпогрешностьвыходитзаграницысистематическойпогрешности, установленныедляанемометра, необходимоубедитьсявтом, чторасхожденияврезультатахизмеренийнесвязаныспространственнойнеоднородностьюполяветра. Этоможетбытьпроверенодвумя способами.

a) Строятзависимостьсреднихразностейдляскоростиинаправленияветраотa. Сравнивают видэтойзависимостисзависимостью, полученнойваэродинамическойтрубе. Еслиониподобны, то систематическаяпогрешность, вероятно, обусловленафункциейоткликасамогоанемометра.

b) Повторяютиспытаниевполевыхусловиях, какописанов 10.5.3, предварительнопоменявместорасположениеанемометраиэталонногодатчика. Сновастроятзависимостьсреднихразностейдля скоростиинаправленияветраотαисравниваютстаруюзависимостьсновой. Еслиониподобны, тооткликидатчиковразличны. Еслиониподобны, ноимеютразныезнаки, товетровоеполенеоднородно.

Рассматриваютвлияниевременнойипространственнойнеоднородностинаразностьпоказаний анемометровпоскоростиинаправлениюветра.

ПриложениеА
(справочное)
Камераснулевымпотокомвоздуха

А.1 Оборудование

Камерасобъемом, достаточнымдляразмещениявнейрешеткиитемпературногозонда.

Внутренняяповерхностькамерыдолжнабытьсделанаиззвукопоглощающегоматериаладлясведениякминимумуотражений. Вбольшихкамерахрекомендуетсяиспользоватьвентилятор, чтобыобеспечитьпередпроведениемиспытанияустановлениетепловогоравновесияипредотвратитьдвижениевоздуха, обусловленное выталкивающейсилой.

А.2 Влияниеотражения

Смещениенуля, измеренноевкамере, можетбытьчастичнообусловленоотражениямиакустическогосигналаотстенок. Такойэффектотсутствуетприработеанемометранаоткрытомвоздухе. Поэтомупогрешности, обусловленныеотражениями, должныбытьисключеныизоценкирезультатовиспытаний. Интенсивностьивремя запаздыванияотраженныхсигналовзависятотположенияотражающихобъектовпоотношениюкрешеткепреобразователей. Еслиотраженныесигналыявляютсядостаточноинтенсивными, чтобысущественноповлиятьнапрямойсигнал, тостепеньвлиянияотраженийбудетзависетьотположениярешеткипреобразователейпоотношению кпотенциальноотражающимобъектам. Такаязависимостьпозволяетидентифицироватьотражающиеэффекты приизмененииположениярешеткипреобразователейвкамере. Отражающиеэффектыостанутсяпрактически идентичнымиприазимутальномвращениивокругугласимметриирешетки. Следуетожидать, чтовлияниеотраженийбудетнаиболеезаметнымпривращениирешеткинаполовинуугласимметрии.

ПриложениеВ
(справочное)
Измерениескоростиветраанемометрами

В.1 Принципизмерений

Скоростьраспространениязвуковыхволнватмосфереопределяетсяскоростьюзвукавсредес, атакжепродольной (v_d) ипоперечной (v_n) составляющимискоростиветра. Времяпрохождениязвуковыхволнмеждудвумя точками, находящимисянарасстоянииd, вычисляютпоформуле (см. такжерисунокВ.1) [4].

1 -преобразователь-; 2 –преобразователь+; 3 -составляющиескоростиветра

РисунокВ.1 — Принципработыанемометра

Продольнуюсоставляющуюскоростиветравычисляютпоразницеобратныхвеличин: временипрохождения акустическихволновыхфронтовотпреобразователя+ допреобразователя- (t₊) иотпреобразователя- допреобразователя+ (t_—) (см. ([5], [6]) поформуле

Длинапутизвуковойволныdобычнонаходитсявинтервалеот 10 до 20 см. Втрехмерноманемометререализованоизмерениетрехнекомпланарныхсоставляющихскоростиветраv_d1, v_d2, v_d3, покоторымможетбытьполучен векторскоростиветравлюбойтребуемойсистемекоординат. Дляизмерениясреднейскоростиветравгоризонтальнойплоскости, котораярассмотренавнастоящемстандарте, используюттакжедвухкомпонентныеанемометры (см. В.2.2). Однокомпонентныеанемометрыиспользуюттольковособыхслучаях.

Примечание-Посуммевременпрохожденияакустическогосигналаt₊иt_—ипоперечнойкнаправлениюраспространениязвукасоставляющейскоростиv_nможетбытьтакжевычисленаскоростьзвукаспоформуле

НаосновеполученногозначениясможноопределитьтакназываемуювиртуальнуюакустическуютемпературуT_s[12]:

Этотметоднерекомендуетсяиспользоватьдляопределениясреднейтемпературыиз-заегоневысокойточности. Темнеменее, измерениефлуктуациивиртуальнойакустическойтемпературыимеетбольшоепрактическое значениевразличныхприложениях, связанныхсоценкойкачествавоздуха.

В.2 Типыанемометров

В.2.1 Историяразвитияконструктивныхрешений

В.2.1.1 Методымодуляции

Впервыханемометрахвремяпрохождениявычислялосьнаосновесдвигафазымеждунепрерывнымиизлученнымиипринятымисигналами (см. [7, 8]). Внастоящеевремяэтотметоднеиспользуютиз-зачувствительности приемникаксигналам, приходящимнетолькоотизлучателя, нотакжеотблизкорасположенныхотражающихобъектов.

Всовременныханемометрахиспользуютсяимпульсно-модулированныеакустическиесигналы. Обычновремяпрохожденияопределяетсялибоогибающейфронтакустическогосигнала, либо, чтобыувеличитьточность, фазойносителя.

Первыеанемометры, работающиенапринципемодуляции, неопределяливременапрохожденияакустическогосигналавобоихнаправленияхпоотдельности, атолькоразностьэтихвремен (см. [9, 10]). Ихнедостаткомявляласьзависимостьизмереннойскоростиветраоттемпературыивлажностиокружающеговоздуха.

В.2.1.2 Бистатическиеимоностатическиепреобразователи

Большинствоанемометровявлялись«бистатическими»системами, т.е. системамисразнесеннымипередатчикомиприемником. Дополнительнымнедостаткомтакогоконструктивногорешениябылразбросвременизадержки преобразователей (например, из-зазагрязненияихповерхности), приводящийксущественнойсистематическойпогрешностиизмеренияскоростиветра.

Свнедрениемсистем, позволяющихизмерятьвсевременапрохождения, появиласьвозможностьисключить влияниенарезультатыизмеренийскоростиветра, температурыивлажностивоздуха (см. [5], [6]). Дальнейшимусовершенствованиембылоиспользованиеуниверсальныхпреобразователей, пригодныхкакдляприема, такидля передачиакустическихимпульсов. Втаких«моностатических»системахвлияниезагрязненияповерхностейпреобразователейнаизмеренияскоростиветразначительнокомпенсировалосьнапрямомиобратномпутиакустическогоимпульсаблагодаряобратимостифункциипередачидляпередатчикаиприемника. Вследствиеэтого моностатическиесистемысохраняютстабильностьприменительнокизмерениюскоростиветравтечениеболее длительногопромежуткавремени. Указанныйпринципкомпенсациинедействуетприизмерениитемпературы, котороеостаетсячувствительнымквременизадержкисистемы. Несмотрянаэтовозможностьполученияинформацииофлуктуацияхтемпературыиз-затурбулентностиимеетбольшоепрактическоезначение [12].

В.2.2 Геометриярешеткипреобразователей

Внастоящемстандартерассмотреныизмерениягоризонтальнойсоставляющейскоростиветра. Впринципе длятакогоизмерениядостаточноиметьдвапутираспространенияакустическогосигнала. Приэтомдлякаждого путирезультатыизмеренийv_d, вычисляемойпоформуле (В.2), будутстрогозависетьоткосинусаугламеждунаправлениемветраинаправлениемпутиизмерения. Вдействительностижепреобразователииустройстваихкрепленияпредставляютсобойпрепятствиянапутипотокавоздуха, вызывающиевозмущенияпотокаиналичие областейтени, чтоприводитксоответствующимотклонениямзависимостиотидеальнойкосинусоиды. Ослаблениескоростизависитотдиаметрапреобразователяиегоконструкции. Наибольшаясистематическая погрешность будетнаблюдаться, когданаправлениеветрасовпадаетспутемраспространенияакустическогосигнала, т.е. когдавесьпутьнаходитсявтенинаветренногопреобразователя. Вэтомслучаеослаблениескоростиможетсоставлятьдо 20 % (см. [11]). Сцельюминимизациитакойпогрешности, связаннойсискажениямипотокаиобластями тени, используютразличныеконфигурациирешетоксдатчиками. Чтобыповыситьточностьизмерений, числопутейраспространенияакустическогосигналадолжнобытьболеедвух, поэтомусовременныеанемометрыимеютне менеетрехпарпреобразователейакустическогосигналавгоризонтальнойплоскости. Такаяизбыточностьпарпреобразователейпозволяетвыбиратьпутираспространенияакустическогосигналасучетомнаправленияветра. Основнаяцельсостоитвтом, чтоэтипутираспространенияакустическогосигнала, ориентированныевпределах малоготелесногоуглапоотношениюкнаправлениюскоростиветра, могутбытьисключеныизоценки. Зачастуюв условияхестественногопотокавоздуханельзяпренебречьвертикальнойсоставляющейветра. Дажееслиизмерениеэтойсоставляющейнесвязанонепосредственносцелевымприменением, еезнаниепозволяетввестипоправкидляучетапогрешностей, обусловленныхвозмущениемпотокаиобластямитени. Поэтойпричинеиспользуются другиеконструкции, укоторыхпутираспространенияакустическогосигналалежатвтрехмерномпространстве, что позволяетустановитьоднозначнуюзависимостьмеждувекторомскоростиветравтрехмерномизмерениии выходнымсигналоманемометра.

В.3Обработкасигналавреальноммасштабевремени

В.3.1 Основныефункции

Всоставанемометров, предназначенныхдляоперативногоприменения, входитцифровойпроцессор, позволяющийреализоватьследующиетипичныеоперациипообработкесигнала:

а) вводитьпоправкиназадержкусистемыдлякаждогопутираспространенияакустическогосигналаикаждойориентациианемометра, сохраняемыевпамятианемометра;

b) вычислятьсоставляющуюскоростиветра, параллельнуюпутираспространенияакустическогосигнала, поформуле (В.2);

c) вычислятьвекторскоростиветравдекартовыхилиполярныхкоординатах;

d) выбиратьпутираспространенияакустическогосигнала, длякоторыхвозмущенияпотокаминимальны, еслиимеютсяизбыточныепути;

e) проецироватьвекторскоростиветранагоризонтальнуюплоскость (вслучаетрехмернойрешетки);

f) усреднятьзначениясоставляющихскоростиветравдекартовыхкоординатах («векторноеусреднение») илиполярныхкоординатах («скалярноеусреднение»);

g) представлятьсреднююскоростьветравразличныхформатах (числовомианалоговом);

h) пересчитыватьзначениясоставляющихскоростивекторавзаданныесистемыкоординат.

B.3.2 Дополнительныефункции

B.3.2.1 Общиеположения

Современныеустройстваобработкисигналапредлагаютпрактическинеограниченныевозможностипорасширениюнабораосновныхфункций, поэтомунастоящийподразделнеохватываетинформациюповсемдоступнымфункциональнымвозможностям, числокоторыхбыстроувеличивается. Внемрассмотрентольконебольшой переченьнаиболеечастоприменяемыхфункций.

B.3.2.2 Азимутальнаяпоправка

АвтоматическивводимаяазимутальнаяпоправкаизбавляетотнеобходимостиосуществлятьнастройкуточнонаСевер. Параметрымеханическойнастройкисохраняютсявпамятианемометраиучитываютсяприопределениинаправленияветратак, чтонаправлениеветравсегдауказываетсяотносительноистинногоСевера.

B.3.2.3 Автоматическийконтролькачества

Анемометрвыдаетсообщениеобошибкевтомслучае, если:

— получаемыйсигналпоодномуилинесколькимпутямраспространениянижепределаобнаружения. Этоможетпроисходитьвремяотвремени, напримериз-закрупныхпрепятствийнапутиакустическогосигнала (такихкак птицы), илирегулярно, напримериз-занеисправностипреобразователя;

— разностьзначенийскоростизвука, вычисленныхпоформуле (В.3) дляразныхпутейраспространенияакустическогосигнала, превышаетнекотороепороговоезначение. Этоможетпроисходитьвремяотвремени, например из-занебольшихпрепятствий (такихкакнасекомые, каплидождя, снежинки) наодномилинесколькихпутяхраспространенияакустическогосигнала, илирегулярноиз-заизменениядлиныпутираспространенияакустического сигнала (механическоеповреждениеанемометра).

B.3.2.4 Введениепоправокнавозмущениепотока

Возмущенияпотокамогутбытьучтенысиспользованиемфункцийкорректировкиилитаблиц, полученныхв процессекалибровочныхизмеренийваэродинамическойтрубе. Входнойпеременнойдляэтихфункцийпредпочтительнодолжнобытьнеисправленноезначениевектораскоростиветравтрехмернойсистемекоординат, поскольку поправкаобычнозависитотзначенийвсехтрехсоставляющихвектораскоростиветра.

Посколькувозмущениепотокавоздухавестественномтурбулентномрежимеможетотличатьсяотсоздаваемоговаэродинамическойтрубе, практическаяприменимостьтакихпоправокограничена. Поэтомузначениепоправкинедолжнобытьнамногобольшеустановленнойпогрешностианемометра. Еслипредусмотренафункция введенияпоправки, тодолжнабытьтакжепредусмотренавозможностьеевыключения.

Примечание-Возмущениепотокасостоитвотклоненииегопрепятствием, областьтени-этозона волновогоследа, создаваемогопрепятствием, находящимсявпотоке. Прииспытанияхваэродинамическойтрубе получаютрезультат, которыйявляетсясуммарным, включающимкаквлияниевозмущенияпотока, такиналичие областитенипреобразователя.

ПриложениеС
(нормативное)
Аэродинамическаятруба

С.1 Размерыиспытательнойсекции

Испытательнаясекциядолжнабытьдостаточнобольшой, чтобывместитьрешетку, ориентированнуюпо всемтребуемымуглам. Проекциярешеткипреобразователейвместесподдерживающейееаппаратуройдолжна составлятьнеболее 5 % площадипоперечногосеченияиспытательнойсекцииаэродинамическойтрубы.

Желательно, чтобыплощадь, занимаемаяанемометром, составляланеболее 5 %, алучше 1 % площадипоперечногосеченияиспытательнойсекцииаэродинамическойтрубы.

Примечание-Дляградуировкианемометравовсемдиапазонерабочиххарактеристикможетпотребоватьсяиспользованиедвухаэродинамическихтруб, посколькувнекоторыхаэродинамическихтрубах, предназначенныхдляпроведенияиспытанийпривысокихскоростях, можетнаблюдатьсяповышенныйуровень турбулентности (Т_i) приболеенизкихскоростяхвоздуха. Еслискоростьветрасоставляетнеболее 2 м/с, тодопускаетсяблокированиепотокана 10 %.

С.2 Областьзначенийскоростиветра

Скоростьветраваэродинамическойтрубедолжнарегулироваться, чтобыможнобылополучитьпотоквоздуха, соответствующийвсемудиапазонуиспытываемогоанемометра (предпочтительноот 0,01U_maxдоU_max, но, по крайнеймере, от 0,02U_maxдоU_max). Регулировкаскоростиветрадолжнаобеспечиватьееподдержаниесотклонениемвпределах± 0,2 м/с, предпочтительновпределах± 0,1 м/с.

С.3Градуировка

Создаваемаяскоростьпотокавоздухаваэродинамическойтрубедолжнабытьподтвержденанаосновесопоставлениясэталономсравнениялибоэталономнациональногометрологическогоинститута, полученнымсиспользованиемфундаментальногофизическогометода. Скоростинеболее 2 м/сдолжныбытьподтвержденыс помощьючувствительногоанемометраилисиспользованиемсоответствующихметодик, такихкакопределение временираспространенияклубовдыма, мыльныхпузырейилипотоковтепламеждудвумяточками, находящимися наизвестномрасстояниидруготдруга. Порезультатамтакихиспытанийдляскоростиветра 2 м/сименеедолжны бытьустановленызначениячастотывращениявоздуходувногоустройствааэродинамическойтрубыилидругого показателя, относящегосякметодуконтроляскоростипотокавоздуха.

С.4 Характеристики

Потоквоздухадолженбытькакможноболееоднородным, ауровеньтурбулентностивиспытательнойсекции , долженсоставлятьнеболее 1 %.

Локальныеотклоненияскоростипотокадолжнысоставлятьнеболее 1 % среднегозначения. Уровеньтурбулентностидолженбытьизвестен.

С.5 Вращательноеустройство

Вращательноеустройствоустанавливаютподиспытательнойсекциейдляудержаниярешеткипреобразователейанемометравразличныхположениях, соответствующихегоориентациямподразнымиугламивплотьдо 360°. Минимальныетребованияквращательномуустройству:

— определяютсятребованиямикиспытываемомуанемометру;

— уголсклонения± 15°;

— угловоеразрешение 1°;

— предельнодопустимыеотклоненияприповторнойустановкеугла± 0,5°.

Устройстводляудержаниярешеткиподвыбраннымиугламинедолжновызыватьвозмущениепрофиляскоростиветрависпытательнойсекцииилиизменениеуровнятурбулентности.

ПриложениеD
(справочное)
Зависимостьволновогосопротивлениявоздухаотвысотынадуровнемморя

ВтаблицеD.1приведенастандартнаязависимостьволновогосопротивлениясредыотвысотынадуровнем моря. Такжевтаблицеприведеноэквивалентноедавление, т.е. давление, возникающееприизотермическомрасширении, длясозданияволновогосопротивлениясредывстандартнойатмосферепризаданнойвысотенадуровнемморя.

Впервыхтрехграфахтаблицыприведенызначения, соответствующиеполученнымвстандартнойатмосфереподаннымСША. Значениявграфах 4 и 5 вычисленыпозначениям, приведеннымвграфах 2 и 3. Вграфе 6 приведенызначенияэквивалентногодавленияр_е, которыесоответствуютзначениямZвтойжестроке, есливоздух изотермическирасширяется, начинаясозначенийназемнойповерхностивусловияхстандартнойатмосферы. Такимобразом, р_епредставляетсобойдавление, прикоторомвнапорнойкамеренаблюдаетсяволновоесопротивлениесредыZтакоеже, какиZ, ожидаемоепривысотенадуровнемморяhвстандартнойатмосфере.

Примечание-Зависимостьэквивалентногодавленияотвысотынадуровнемморя, приведеннаяв таблицеD. 1, отличаетсяотзависимостидавленияотвысотынадуровнемморяватмосфере, посколькутемператураисодержаниеводяныхпаровватмосферетакжезависятотвысоты.

ТаблицаD.1 -Зависимостьпараметровстандартнойатмосферы (графы 1-5) иэквивалентногодавления (графа 6) отвысотынадуровнемморя

ПриложениеДА
(справочное)
Сведенияосоответствииссылочныхмеждународныхстандартовссылочным национальнымстандартамРоссийскойФедерации

ТаблицаДА.1

Библиография

Ключевыеслова: метеорология, анемометры, испытания, методы, характеристики, скоростьветра