allgosts.ru07. МАТЕМАТИКА. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ07.060. Геология. Метеорология. Гидрология

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

Обозначение:
ГОСТ Р ИСО 16622-2009
Наименование:
Метеорология. Акустические анемометры-термометры. Методы приемочных испытаний при измерениях средней скорости ветра
Статус:
Действует
Дата введения:
12.01.2010
Дата отмены:
-
Заменен на:
-
Код ОКС:
07.060

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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО
ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ
СТАНДАРТ
РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ

ГОСТ Р ИСО
16622-
2009

Метеорология

АКУСТИЧЕСКИЕАНЕМОМЕТРЫ-ТЕРМОМЕТРЫ

Методыприемочныхиспытанийприизмерениях среднейскоростиветра

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

Москва

Стандартинформ

2010

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

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

3 Термины и определения

4 Обозначения

5 Краткое описание методов

6 Осмотр решетки перед проведением испытаний

7 Испытание в камере с нулевым потоком воздуха

7.1 Цель испытания

7.2 Методика испытаний

8 Испытание в аэродинамической трубе

8.1 Цель испытания

8.2 Предварительные измерения

8.3 Методика испытаний

9 Испытание в барокамере (необязательное)

9.1 Цель испытания

9.2 Аппаратура

9.3 Методика испытаний

10 Испытания в полевых условиях

10.1 Цель испытания

10.2 Продолжительность испытания

10.3 Место проведения испытаний

10.4 Испытательное оборудование

10.5 Оценка результатов испытаний

Приложение А (справочное) Камера с нулевым потоком воздуха

Приложение В (справочное) Измерение скорости ветра анемометрами

Приложение С (нормативное) Аэродинамическая труба

Приложение D (справочное) Зависимость волнового сопротивления воздуха от высоты над уровнем моря

Приложение ДА (справочное) Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов ссылочным национальным стандартам Российской Федерации

Библиография

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

Метеорология

АКУСТИЧЕСКИЕАНЕМОМЕТРЫ-ТЕРМОМЕТРЫ

Методыприемочныхиспытанийприизмеренияхсреднейскоростиветра

Meteorology. Sonic anemometers/thermometers. Acceptance test methods for mean wind measurements

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) Ti(turbulencelevel, turbulenceintensity): Отношениеквадратногокорняизкинетическойэнергиитурбулентностиксредней скоростиветра, вычисляемоепоформуле

(1)

гдезнак«'»означаетотклонениеотсреднегозначения.

Пример

, ит.д.,

гдеu' -мгновеннаясоставляющаяскоростиветра,

-среднеезначениесоставляющейскоростиветра.

3.9 смещениенуля(zerooffset): Значениескоростиветрапоанемометрувстоячемвоздухе.

4 Обозначения

Внастоящемстандартеиспользованыследующиеобозначения:

T-температура, К;

Ts- виртуальнаяакустическаятемпература, К [см. формулу (В.4)];

Ti-интенсивностьтурбулентности;

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

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

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

Ua,n- значениеUa, м/с, приn-мизмерении;

Uv- векторноесреднееUa, м/с;

Us-скалярноесреднееUa,м/с;

Umax-определеннаяизготовителеммаксимальнаяскоростьветра, котораяможетбытьизмерена данныманемометром, м/с;

Umin - 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;

ре- эквивалентноедавление, гПа, (см. таблицуD.1);

ta-времяусреднения, с;

t+-времяпрохожденияакустическогосигналаотпреобразователя + допреобразователя - , с;

t--времяпрохожденияакустическогосигналаотпреобразователя - допреобразователя + , с;

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

ua, va, wa-выходнойсигналанемометра, соответствующийпродольной, поперечнойивертикальной составляющимскоростиветра, м/с;

uа,n, va,n, wa,п-значенияuа, va, ωаприn-мизмерении, м/с;

vd-продольнаясоставляющаяскоростиветра, м/с;

vn-поперечнаясоставляющаяскоростиветра, м/с;

vt-скоростьветранапутипрохождениязвуковойволны ();

α-направлениеветра, определенноеповыходномусигналуэталонногодатчика, вградусах;

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

αа-направлениеветра, определенноеповыходномусигналуанемометра, вградусах, поотношениюказимутуанемометраа;

αb-направлениеветра, определенноеповыходномусигналуанемометра, вградусах, поотношениюказимутуанемометраb;

αа,n- значениеαаприn-мизмерении;

αv-векторноесреднееαа, вградусах;

αs-скалярноесреднееαа, вградусах;

Δa-модульвекторнойразностимеждуизмереннойскоростьюветраискоростьюневозмущенного потокаваэродинамическойтрубеприазимутеα, м/с;

Δa,b-модульвекторнойразностимеждувекторамискоростиветра, определеннымивкамереснулевымпотокомвоздуха, приазимутаханемометраαаиαb, м/с;

Δa,n,m-модульвекторнойразностимеждуn-миm-мзначениямивекторовскоростиветра, полученнымивкамереснулевымпотокомвоздухаприазимутеанемометраαа;

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: (Ua,n, αa,n) или (uа,n, va,n, wa,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

(2)

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

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

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

(3)

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

b) Приналичииотраженийотстеноксмещениенулязависитотазимутальнойориентациирешеткивкамере, аΔa,bявляетсябольшим. Вэтомслучаеконструкциюкамерыснулевымпотокомвоздуха подвергаютсоответствующеймодификации.

ЕслимаксимальноезначениеΔa,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) СнимаютпоказанияирегистрируютскоростьветраUaприпятизначенияхазимутальногоугла αаанемометравпределахполовиныугласимметриирешетки (напримерα1 = 0°, α2 = 15°, α3 = 30°, α4 = 45°, α5 = 60°длярешеткисугломсимметрии 120°).

2) ЕсливсезначенияUaравныилинижедопустимогозначениясмещениянуля, топогрешностями, обусловленнымиотражениями, можнопренебречь.

b) Ваэродинамическойтрубенеможетбытьсозданпотоквоздухасоскоростьюнижеуровнясмещениянуля, допускаемогодляанемометра. Вэтомслучаевыполняютследующиедействия:

1) ВаэродинамическойтрубесоздаютпотоквоздухаснаименьшейвозможнойскоростьюU0взаданномнаправлении.

2) Регистрируютрезультатыизмеренийскоростиинаправленияветра (Uа, αа) припятизначениях азимутальногоуглаαаанемометравпределахполовиныугласимметриирешетки.

3) Вычисляютмодульвекторнойразностимеждузначениямискоростипотокавоздухаваэродинамическойтрубе, измереннымиспомощьюанемометраизаданнымипоформуле

(4)

гдеΔa-суммавсехпогрешностей, включаясмещениенуля, возмущениепотокаиотражения.

4) ОцениваютраспределениеΔaдлявсехпятизначенийαа. 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

ПогрешностьскоростиветраUaинаправленияветраαапоотношениюкистиннымзначениям определяютпутемизмененияориентациианемометрапоотношениюкнаправлениюпотокавоздуха приразныхзначенияхскоростиветраваэродинамическойтрубе. Решеткуповорачиваютсшагомнеболее 5°впределахполногоазимутальногоугла (360°). Вкаждомположениирешеткисигналусредняют наинтервалевременинеменее 30 с. Чтобыполучитьдоверительныйинтервалдлякаждойточкипостатистическомураспределениюрезультатовизмерений, усреднениеможнопроводитьпослесборавсей информации (т.е. неврежимереальноговремени). Длякаждойориентациирешеткииспытаниепроводят, покрайнеймере, припятификсированныхзначенияхскоростивовсемрабочемдиапазонеотUminдоUmах. Значенияскоростивыбираюттакимобразом, чтобыонибылиприблизительноравноудалены друготдругавлогарифмическоммасштабе. Рекомендуемыезначенияскоростипотокавоздухаваэродинамическойтрубе (впроцентахUmax): 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. ПриэтомзаUminпринимаютнаименьшуюскорость, прикоторойвозможноподдержаниестабильногопотокавоздухав аэродинамическойтрубе. Вкачествеминимальнойскоростипотокавоздухавыбирают 1 % Umax. Рекомендуемыезначенияскоростейпотокавоздухаваэродинамическойтрубе (впроцентахUmax): 1,0 %; 1,7 %; 2,8 %; 4,6 %; 7,7 %; 13 %; 21 %; 36 %; 60 %; 100 %.

Длянекоторыхаэродинамическихтрубзначение 1 % UmaxможетбытьнижеUmin. Вэтомслучаерекомендуемыезначенияскоростипотокавоздуха (впроцентахUmax) 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, торезультатизмеренийUaсравниваютсU0cosφ.

Еслианемометрпредназначендляизмерениявектораскоростиветравтрехмернойсистемекоординат, торезультатизмеренийUaсравниваютсU0.

8.3.4 Векторноеусреднение

Обычносистемаобработкисигналаанемометрадляполучениязначенияскоростиветравыполняетоперациютакназываемого«векторногоусреднения», основанногонаполучениисреднихзначений проекцийвектораскоростиветранаосипрямоугольнойсистемыкоординатпоформуле

(5)

гдеuа-измереннаяпродольнаясоставляющаявектораскоростиветра. Положительныйзнакuа(при va= 0) соответствуетα = 0°;

va-измереннаяпоперечнаясоставляющаявектораскоростиветра (приα = 90°значениеvaпринятоположительным, uа= 0).

Угол, определяемыйвыражением находятпотаблице 1.

Таблица 1

y

x

Диапазонзначенийфункции-градус

от

до

≥0

≥0

0

≤90

≥0

<0

>90

≤80

<0

<0

>180

≤270

<0

≥0

>270

≤360

8.3.5 Скалярноеусреднение (необязательное)

Внекоторыхслучаяхтребуетсяимитацияоткликакрыльчатогоанемометра, чтосоответствуетвычислениютакназываемых«скалярныхсредних»:

(6)

Выполнениепроцедурыскалярногоусредненияпроверяют, вращаяанемометрвокругазимутальнойосиспостояннойугловойскоростьюΩвтечениеинтервалаусредненияta. ВэтомслучаеизмеренныескоростиUvиUsбудутразличны: Us= Ua, тоестьскалярноесреднеенезависитотα0, втовремякак векторноесреднеестремитсякнулюсростомtaвсоответствиисформулой

(7)

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°. Простоеусреднениепоуглудастαs = 180°, втовремякакприправильномалгоритмедолжнобытьполученонаправлениеветраαs = 360° (впределахзначенийточностныххарактеристиканемометра).

Примечание-Выполнениевышеописаннойпроцедурынепозволяетполучитьполноедоказательство того, чтоимитируетсяоткликкрыльчатогоанемометра. Вописанныхусловияхиспытанийрезультирующиенаправленияαvиαsидентичны. Чтобыустановитьразличиямеждуαvиαs, 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

ДляопределенияминимальногоэквивалентногодавлениярeиспользуютданныетаблицеD.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 (vd) ипоперечной (vn) составляющимискоростиветра. Времяпрохождениязвуковыхволнмеждудвумя точками, находящимисянарасстоянииd, вычисляютпоформуле (см. такжерисунокВ.1) [4].

(В.1)

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

РисунокВ.1 - Принципработыанемометра

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

(В.2)

Длинапутизвуковойволныdобычнонаходитсявинтервалеот 10 до 20 см. Втрехмерноманемометререализованоизмерениетрехнекомпланарныхсоставляющихскоростиветраvd1, vd2, vd3, покоторымможетбытьполучен векторскоростиветравлюбойтребуемойсистемекоординат. Дляизмерениясреднейскоростиветравгоризонтальнойплоскости, котораярассмотренавнастоящемстандарте, используюттакжедвухкомпонентныеанемометры (см. В.2.2). Однокомпонентныеанемометрыиспользуюттольковособыхслучаях.

Примечание-Посуммевременпрохожденияакустическогосигналаt+иt-ипоперечнойкнаправлениюраспространениязвукасоставляющейскоростиvnможетбытьтакжевычисленаскоростьзвукаспоформуле

(В.3)

НаосновеполученногозначениясможноопределитьтакназываемуювиртуальнуюакустическуютемпературуTs[12]:

с2= 403Ts = 403T(1 + 0,32е/р)

(В.4)

Ts = Т(1+0,32е/р) = с2/403

(В.5)

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 путирезультатыизмеренийvd, 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 (Тi) приболеенизкихскоростяхвоздуха. Еслискоростьветрасоставляетнеболее 2 м/с, тодопускаетсяблокированиепотокана 10 %.

С.2 Областьзначенийскоростиветра

Скоростьветраваэродинамическойтрубедолжнарегулироваться, чтобыможнобылополучитьпотоквоздуха, соответствующийвсемудиапазонуиспытываемогоанемометра (предпочтительноот 0,01UmaxдоUmax, но, по крайнеймере, от 0,02UmaxдоUmax). 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 приведенызначенияэквивалентногодавленияре, которыесоответствуютзначениямZвтойжестроке, есливоздух изотермическирасширяется, начинаясозначенийназемнойповерхностивусловияхстандартнойатмосферы. Такимобразом, репредставляетсобойдавление, прикоторомвнапорнойкамеренаблюдаетсяволновоесопротивлениесредыZтакоеже, какиZ, ожидаемоепривысотенадуровнемморяhвстандартнойатмосфере.

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

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

h, м

ρ, кг·м-3

с, м·с-1

Z, кг·м-2·с-1

Z2/Z02

Ре, гПа

0

1,225

340,29

416,86

1

1013,25

1000

1,112

336,44

374,12

0,805

909,36

2000

1,007

332,53

334,86

0,645

813,94

3000

0,9091

328,58

298,71

0,513

726,07

4000

0,8191

324,59

265,87

0,407

646,24

5000

0,7361

320,54

235,92

0,320

573,44

ПриложениеДА
(справочное)
Сведенияосоответствииссылочныхмеждународныхстандартовссылочным национальнымстандартамРоссийскойФедерации

ТаблицаДА.1

Обозначениессылочного международногостандарта

Степень соответствия

Обозначениеинаименованиесоответствующего национальногостандарта

ИСО 5725-1

IDТ

ГОСТРИСО 5725-1-2002Точность (правильностьипрецизионность) методовирезультатовизмерений. Часть 1. Основныеположенияиопределения

ИСО 5725-2

IDТ

ГОСТРИСО 5725-2-2002Точность (правильностьипрецизионность) методовирезультатовизмерений. Часть 2. Основнойметод определенияповторяемостиивоспроизводимостистандартногометодаизмерений

Примечание-Внастоящейтаблицеиспользованоследующееусловноеобозначениестепенисоответствиястандартов:

- IDТ-идентичныестандарты.

Библиография

[1]

Visher, S. S., 1954: Climatic Atlas of the United States, Harvard University Press, Cambridge USA, 403 pp

[2]

Zhang, S. F., J.C. Wyngaard, J.A. Businger and S. P.Oncley, 1986: Response characteristics of the U. W. sonic anemometer, J. Atmos. Oceanic Technol., 3, 315-323

[3]

Foken, T. and S. Oncley, 1995: Workshop on Instrumental and Methodical Problems of Land Surface Flux Measurements, Bull. Am. Meteorol. Soc, 67, 1191-1193

[4]

Schotland, R. M., 1955: The measurement of wind velocity by sonic means, J. Meteor., 12, 386-390

[5]

Hanafusa, Т., Y. Kobori and Y. Mitsuta, 1980: Single-head sonic anemometer-thermometer, BAO-report 2, 7-13

[6]

Hanafusa, Т., Т. Fujitani, Y. Kobori and Y. Mitsuta, 1982: A new type of sonic anemometer-thermometer for field operation, Papers in Meteor, and Geophys., 33, 1-19

[7]

Bovsheverov, M.V. and V. P. Voronov, 1960: Akustitscheskij fljuger., Izv. AN SSSR, ser. geofiz. No. 6, 882-«85

[8]

Kaimal, J.C. and J.A. Businger, 1963: A continuous wave sonic anemometer-thermometer, J. Appl. Meteorol., 2, 156-164

[9]

Mitsuta, Y., 1966: Sonic anemometer-thermometer for general use. Meteor. Soc. Japan, Ser. II, 44, 12-24

[10]

Kaimal, J. C, J.T Newman, A. Beiberg and K. Cote, 1974: An improved three-component sonic anemometer for investigation of atmospheric turbulence. In Dowdell, R.B. (ed.): Flow: Its measurement and control in science and industry Vol. 1, Proc. of a Symp., 10-14 May 1971, PittsburghPa., Instrument Soc. Of America, Pittsburgh (1974), 349-359

[11]

Wyngaard, J.C.and S.F. Zhang, 1985: Transducer shadow effects on turbulence spectra measured by sonic anemometers, J. Atmos. Oceanic Technol., 2, 548-558

[12]

Kaimal, J.C. and J.E. Gaynor, 1991: Another look at sonic thermometry, Boundary Layer Meteorol., 56, 410-410

[13]

Sturgeon, M., A Wind Tunnel Acceptance Test Method for Sonic Anemometers, 15th International Conference on Interactive Information and Processing Systems (UPS) for Meteorology, Oceanography and Hydrology at the 79th annual meeting of the American Meteorological Society at Dallas Texas on January 12, 1999

[14]

ASTM D 5096:1996 Standard Test Method for Determining the Performance of a Cup Anemometer or Propeller Anemometer

[15]

ASTM D5527:1994 Standard Practises for Measuring Surface Wind and Temperature by Acoustic Means

[16]

ASTM D6011:1996 Standard Test Method for Determining the Performance of a Sonic Anemometer/Thermometer

[17]

U.S. Standard Atmosphere, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1976

[18]

VDI 3786-2:2000 Environmental meteorology - Meteorological measurements concerning questions of air pollution - Wind

[19]

VDI 3786-12:1994 Meteorological Measurements - Turbulence measurements with sonic anemometers

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