Николай Ситнов     В статье рассматривается предлагаемая автором конструкция анемометра, анализируются ее преимущества и недостатки. Описывается авторский вариант технической реализации прибора, а также программное обеспечение, необходимое для его работы. Значительное внимание уделено проведению эксперимента, в ходе которого производится сопоставление данных измерения скорости и направления ветра предлагаемым прибором и ультразвуковым анемометром. Рассмотрена технология обработки экспериментальных данных. Приводятся полученные результаты. Сведений, содержащихся в статье, достаточно для изготовления прибора.     Несмотря на широкое распространение ультразвуковых анемометров [1], тема альтернативных конструкций приборов для измерения скорости и направления ветра по-прежнему актуальна. Обусловлено это различными факторами, в числе которых следует назвать достаточно высокую стоимость ультразвуковых приборов. Кроме того, необходимо иметь в виду, что анемометры, как правило, располагаются на высоких сооружениях – в зоне риска воздействия на них грозовых разрядов. В таких условиях идеальным было бы применение неэлектронного прибора, имеющего связь с наземной частью измерительного комплекса по волоконно-оптическому кабелю. Технические решения, основанные на использовании различных крыльчаток, вращающихся под действием воздушного потока, вполне подходят для оптического считывания информации. Точечные оптические датчики с подключением по волоконному световоду упоминаются в [2], пример готового решения приведен в [3].  С другой стороны, классические решения – такие, как чашечный анемометр и флюгер – также имеют недостатки. Конструкция первого из них недостаточно прочна в плане противодействия падению сверху кусков льда, сосулек, крупного града. Такой прибор требует особенно осторожного обращения при подъеме на опору, к месту установки. Для флюгера характерна необходимость принятия мер по обеспечению максимально возможного подавления угловых колебаний флюгарки, затрудняющих получение точных данных о направлении ветра.    Предлагаемое техническое решение свободно от перечисленных недостатков. Оно предполагает использование двух одинаковых измерительных узлов, ортогонально ориентированных по сторонам горизонта. Каждый такой узел (рис.1) состоит из горизонтального основания 1, в окне которого установлена крыльчатка 2 с плоскими лопастями. При этом ось крыльчатки параллельна плоскости основания. С целью обеспечения воздействия воздушного потока на крыльчатку лишь по одну сторону от ее оси, другая сторона (верхняя) закрыта колпаком 3. Очевидно, что скорость и направление (модуль и знак скорости) вращения крыльчатки находится в зависимости как от скорости измеряемого воздушного потока, так и от угла между его направлением и осью крыльчатки. Имея два таких узла, расположенных ортогонально, можно, путем несложных тригонометрических вычислений, определить скорость и направление воздушного потока. Такой подход может вызвать ряд теоретических вопросов, имеющих отношение как к механическим свойствам, так и к аэродинамическим качествам рассматриваемой системы. И первый из них – зависимость скорости вращения крыльчатки от угла между плоскостью, перпендикулярной ее оси, и направлением воздушного потока. Получение данной зависимости аналитическим путем, с учетом всех основных значимых факторов – задача достаточно сложная. Поэтому, для начала, примем во внимание лишь один из них – взаимосвязь длины проекции вектора скорости ветра Vw на плоскость, перпендикулярную оси крыльчатки, и угла a между этой плоскостью и направлением потока (рис.2).    Поскольку указанная длина прямо пропорциональна косинусу угла a, то для определения скорости R вращения крыльчатки справедлива следующая общая формула: где m – коэффициент пропорциональности. Таким образом, зависимость скорости вращения крыльчатки от угла, под которым на нее воздействует воздушный поток, является нелинейной. Это следует учитывать при программной обработке данных с целью снижения погрешностей измерения скорости и направления ветра. Определение коэффициента m в задачу данной работы не входит, на практике он может быть найден при калибровке прибора.    Следующей особенностью предлагаемой конструкции является то, что погрешность измерения направления ветра зависит как от его скорости, так и от углов  для обоих измерительных узлов. Это обусловлено общим свойством большинства измерителей, имеющих крыльчатки, которое состоит в существовании некоторого диапазона скоростей воздушного потока, при которых крыльчатка вращаться не может. Данный диапазон начинается с нулевой скорости и заканчивается некоторым ее пороговым значением, достаточным для преодоления силы трения в подшипниках, а в случае горизонтальной оси вращения – и дисбаланса самой крыльчатки. При этом указанный порог тем выше, чем угол  ближе к значениям 90 и 270°.    Таким образом, для каждого измерительного узла, вблизи двух угловых позиций образуются зоны нечувствительности с шириной, равной удвоенной ширине вышеупомянутого диапазона. В этих зонах и имеет место повышенная погрешность определения направления воздушного потока. А поскольку ширина их находится в зависимости от скорости ветра, то от нее же зависит и распределение погрешности во всем рабочем диапазоне углов a, равном 360°. Очевидно, что всего имеется четыре таких зоны – по две для каждого измерительного узла.  Внешний вид прибора показан на рис.3a и b. Все нетиповые детали изготовлены методом 3D-печати FDM. Конструкция представляет собой совокупность двух измерительных узлов и нижней плиты, собранных воедино посредством четырех стальных стержней с резьбой. Стержни пропущены через отверстия в основаниях измерительных узлов и нижней плите. Для задания необходимых расстояний между измерительными узлами и плитой на стержни надеты втулки.     Верхняя часть двух диагонально расположенных стержней, над фиксирующими гайками, используется для установки вертикальных дюралюминиевых стоек, к которым крепится планка, имеющая отверстие с вплавленной снизу гайкой  М10. Оно образует верхнюю точку крепления прибора. Нижняя точка сформирована упором-ловителем, неподвижно закрепленным на кронштейне и свободно (с зазором) входящим в широкое центральное отверстие нижней плиты. Таким образом, прибор имеет возможность вращения вокруг вертикальной оси с целью достижения необходимой ориентации по сторонам горизонта. Фиксация в нужном положении обеспечивается путем затягивания болта верхней точки крепления. Для установки на вертикальную трубу используются сборные кронштейны, также изготовленные методом 3D-печати.    На рисунках, под прибором, виден герметичный контейнер с контроллером, в качестве которого применен Arduino Uno. Необходимо отметить (с учетом сведений, приведенных в [4]), что в случае попадания молнии в заземленную трубу-стойку, на ней может иметь место значительный скачок напряжения относительно корпусов электронного оборудования, которое входит в состав измерительного комплекса и соединено кабелем с контроллером. Поэтому приняты меры для повышения электрической прочности изолирующего участка между цепями прибора и трубой. При этом следует особо подчеркнуть, что данные меры защиты от грозы можно рассматривать лишь как дополнительные.    Конструкцию прибора поясняют приведенные ниже рисунки 4-6. Заметим, что рис. 4 и 5 представляют собой фотографии, полученные на ранних этапах сборки и экспериментов.     В экспериментальном варианте прибора для снятия информации о скорости и направлении вращения крыльчаток использован традиционный метод – применены датчики Холла. Каждый измерительный узел содержит два таких двухполярных датчика (рис.7).     Эти датчики [5], характеризуются тем, что при воздействии на них магнитного поля одного направления происходит переход их в соответствующее состояние, в котором они остаются и при отсутствии действия поля. Для перевода такого датчика в другое устойчивое состояние необходимо поместить его в поле противоположного направления. В ступице крыльчатки предусмотрены два оппозитно расположенных магнита (по разные стороны от оси), создающих поля противоположных направлений.    В целом конструкция представляет собой, так называемый энкодер [6], который формирует при вращении крыльчатки две последовательности импульсов, имеющих взаимный фазовый сдвиг. Это дает возможность идентифицировать направление вращения.    Крыльчатка (рис.6, 8а) состоит из двух половин, соединенных винтами М4. Ось в данном экземпляре прибора была выполнена из нихромовой проволоки, выровненной путем прокатывания между наковальнями. Концы оси имеют коническую заточку. Балансировка крыльчатки осуществлялась нанесением капель термоклея (этиленвинилацетат). Полости ступиц закрыты двумя крышками, установленными неподвижно с нижней стороны оснований, с небольшими зазорами относительно крыльчаток. На рис.8b показано размещение платы с датчиками Холла на кронштейне подшипника. С целью защиты от влаги плата покрыта лаком.     Подшипники (видны на рис.9a и 9b) представляют собой фторопластовые вкладыши, имеющие кольцевой упор и отверстие, засверленное на неполную глубину, со стороны крыльчатки.     На рис. 8a также видны оранжевые корпуса магнитов, которые установлены в диаметрально противоположные отверстия. Два плоских цилиндрических магнита вклеены в корпуса, представляющие собой пластмассовые колпачки, изготовленные по технологии 3D-печати. Колпачки (рис.10a) имеют кольцевой упор со стороны дна, благодаря которому они удерживаются в отверстиях крыльчатки. С другой стороны они фиксируются путем развальцовки края в разогретом состоянии (рис.10b). Следует отметить, что магниты должны быть установлены таким образом, чтобы направления векторов их магнитных полей были противоположными.     Принципиальная электрическая схема измерительного узла показана на рис.11, а прибора в целом – на рис.12.     Сигналы A и B с выходов каждого измерительного узла (A1, A2, B1, B2) подаются на входы контроллера. Как было сказано выше, автор использовал Arduino Uno. Контроллер вычисляет для каждого узла три параметра – состояние нарастающего счетчика импульсов, количество импульсов за минуту, а также их период. При этом два последних параметра имеют знак, характеризующий направление вращения соответствующей крыльчатки. Указанные данные передаются в соответствии с протоколом Modbus RTU [7] на сервер SCADA, где и осуществляется дальнейшая их обработка – производятся необходимые расчеты с целью получения значений скорости и направления ветра. Информация о состоянии сигналов A1, A2, B1 и B2 также передается на сервер и может быть использована для диагностических целей – с ее помощью удобно контролировать работу прибора.    Текст программы для контроллера приведен на рис.13. Для ее работы необходима библиотека ModbusRtu.h. Рис.13 – Текст программы для контроллера     Алгоритм обработки данных сервером SCADA показан на рис.14.  Здесь и далее в качестве эталонного прибора использовался ультразвуковой анемометр (рис.15).     На рис.16 и 17 приведены соответственно диаграммы скорости и направления ветра для рассматриваемого и эталонного измерителей.     Эти диаграммы соответствуют одному и тому же интервалу времени, равному двадцати четырем часам. На них показано скользящее среднее от исходных данных по интервалу усреднения, равному 15 мин. Здесь можно заметить влияние нелинейности функциональной характеристики ортокрыльчатого анемометра в области малых скоростей ветра – упомянутого ранее диапазона нечувствительности, выражающееся в заметном расхождении формы кривых на начальных участках – от 0:00 до 7:20.    Экспериментальная проверка точности измерения предлагаемым прибором скорости и направления ветра ставит задачу получения результата обработки его данных совместно с данными эталонного ультразвукового анемометра. Решение такой задачи не представляло бы проблемы в случае наличия возможности поместить каждый прибор в аэродинамическую трубу под требуемым углом к направлению воздушного потока и задать необходимую скорость ветра. Однако, эксперимент проходит в реальных условиях окружающей среды, при  воздействии естественного атмосферного ветра, зависимость параметров которого от времени характеризуется наличием значительной случайной составляющей. Это существенно осложняет проведение анализа полученных данных, который, тем не менее, был выполнен с применением  описанной ниже технологии.    Рассмотрим процесс получения зависимостей абсолютной погрешности измерения направления ветра от угла (рис.18). Исходные данные (блоки 1 и 11) подвергаются разделению на группы по принадлежности к заданным диапазонам скоростей и углов. Для углов указанную операцию выполняют блоки 2 и 12. Необходимо отметить, что в эксперименте использованы лишь данные южного сектора – от 90 до 270° (второй и третий квадрант). Дело в том, что в качестве исходных данных выбраны средние по пятнадцатиминутным интервалам значения. Указанное ограничение угла позволяет избежать ситуации, при которой в интервал усреднения попадают значения, расположенные по разные стороны от направления на север – например, 358° и 2° – что вызвало бы ошибку.     Каждый квадрант подразделяется на десять диапазонов, шириной 10°. При этом, диапазон 175-185° для них является общим. В случае попадания анализируемого значения в какой-либо диапазон, соответствующая ячейка выходной таблицы принимает значение, равное единице, если нет – нулю (поскольку все расчеты реализованы в среде электронных таблиц, то в последнем случае для большей наглядности используется аналогично интерпретируемое значение «пустая строка»).    Дополнительно в блоке 2 реализована возможность выбора источника данных, в качестве которого при проведении описанного эксперимента был использован нижний (по схеме) канал, соответствующий ультразвуковому анемометру.    Аналогичная операция для скоростей реализуется в блоках 3 и 13. Имеется девять диапазонов скорости, шириной 0,5 м/с, позволяющих охватить интервал значений от 0,5 до 5 м/с.    Следующий блок в каждом канале (4 и 14 соответственно), осуществляет операцию умножения данных первых двух таблиц на соответствующее значение угла. На его выходе – девятнадцать таблиц (по числу угловых диапазонов), каждая из которых имеет по девять столбцов – по одному для каждого диапазона скоростей. Любая ячейка этих таблиц принимает значение, равное произведению признаков принадлежности к соответствующим диапазонам (1 или 0) на соответствующее значение угла.    Таким образом, каждый столбец любой из этих таблиц содержит фактический набор угловых значений – направлений ветра, измеренных экспериментальным или эталонным (в зависимости от канала) прибором, для заданного узкого диапазона скоростей и углов, фиксируемых эталонным ультразвуковым анемометром.    Следующей операцией является получение среднего значения для каждого столбца. Это действие выполняют блоки 5 и 6, а также 15, и 16. Заметим, что имеются две группы столбцов – для второго и для третьего квадрантов, причем, как уже упоминалось ранее, они пересекаются (столбец, соответствующий значениям 175-185°, для них является общим). В идеальном случае набор данных каждого квадранта является достаточным для построения искомых зависимостей. Однако, в условиях реальных ограничений возможна ситуация, при которой указанные наборы данных оказываются неполными. В такой ситуации целесообразно прибегнуть к восполнению недостающих данных одного квадранта соответствующими данными другого.    Известно, что второй и третий квадрант симметричны относительно оси абсцисс. Поэтому, для облегчения дальнейшей обработки, один из квадрантов подвергается зеркальному перевороту – эту операцию выполняют блоки 7 и 17. Блоки 8 и 18 осуществляют заполнение пустых ячеек в таблице второго квадранта соответствующими значениями из таблицы третьего, а пустых ячеек в таблице третьего – данными второго. Образуются две фактически равнозначные в информационном плане таблицы. Далее следует операция поэлементного усреднения данных (блоки 9 и 19) с формированием одной таблицы для каждого канала.    Необходимо заметить, что расположение элементов данных в этих таблицах является неоптимальным для отображения – они представляют собой десять наборов значений, сгруппированных по направлениям. При этом каждый такой набор содержит девять элементов данных – по одному для каждого диапазона скоростей. Но каждая кривая, которую предполагается построить в полярной системе координат, должна соответствовать одному диапазону скоростей, и характеризует зависимость разности выходных данных каналов от угла. Поэтому следующей операцией, реализуемой блоками 10 и 20, является соответствующая перегруппировка элементов данных.    Далее следует операция вычитания (блок 21) для получения искомых разностей. И, наконец, результат визуализируется в виде графика в полярной системе координат.    Схема процесса получения зависимостей результатов измерения скорости от угла, показанная на рис.19, во многом подобна  рассмотренной выше. Основные отличия заключаются в том, что здесь на входы блоков 4 и 14 вместо данных направления ветра подаются данные его скорости, а также в отсутствии блока вычитания, имеющего на схеме, приведенной на рис.18, номер 21. Кроме того, схема немного упрощена – отсутствует переключение источников данных в верхнем канале и исключены некоторые дублирующиеся компоненты.     На рис.20a представлены зависимости измеренной скорости, а на рис.20b – абсолютной погрешности измерения угла от направления для различных скоростей потока. Графики построены с применением описанной выше технологии на основе данных, полученных в реальных условиях при эксплуатации прибора.    Анализируя полученные зависимости, можно отметить следующее. Погрешность измерения ортокрыльчатым анемометром скорости ветра (рис.19a) возрастает с уменьшением скорости. На первом диапазоне (0,5÷1 м/с) относительная погрешность превышает 50%. Однако, в основном, она является систематической и может быть в значительной мере устранена при помощи корректирующего коэффициента. Погрешность измерения угла (рис.19b) для указанного – первого диапазона также слишком велика. Таким образом, диапазон скоростей ветра, в котором рассматриваемым прибором могут проводиться измерения, должен начинаться с 1 м/с.    Значительные скачки параметров, вероятно, обусловлены, по крайней мере, одним фактором – слишком малым объемом исходных данных, не позволяющим во всех случаях эффективно использовать усреднение. Необходимо заметить, что при проведении обработки данных не учитывались нелинейности функциональных характеристик прибора, обусловленные приведенной формулой, но характер полученных кривых не позволяет выявить их на представленных графиках.     Подводя итоги проведенной работы можно сделать следующие выводы. Концепция ортокрыльчатого анемометра позволяет реализовать вполне работоспособный, пригодный для практических целей, прибор. Его неоспоримыми преимуществами являются механическая прочность и отсутствие характерного, упомянутого ранее, недостатка, присущего измерителям флюгерного типа – измеренное направление ветра достаточно стабильно соответствует реальному. К тому же, прибор должен быть существенно дешевле ультразвуковых анемометров, технологичен в изготовлении, может быть легко реализован силами любителей в домашней лаборатории при помощи 3D-принтера. Вместе с тем, имеются и недостатки – наличие нелинейностей функциональных характеристик, зависимость чувствительности от направления ветра, а угловой погрешности – от его скорости и направления. Следует упомянуть и необходимость особо тщательной балансировки крыльчаток.    Улучшить характеристики прибора способны новые технические решения, предлагаемые в рамках рассматриваемой концепции. Например – использование крайне облегченных крыльчаток с цилиндрической или конической формой лопастей, одинаково обтекаемых воздушным потоком со всех сторон. Необходимо продолжение исследований – с получением нового набора экспериментальных данных для существующего прибора, а также с испытанием новых, усовершенствованных его конструкций. Анемометр / https://en.wikipedia.org/wiki/Anemometer#Hot-wire_anemometers Обзор разновидностей волоконно-оптических датчиков / https://osensorax.ru/davleniye/volokonno-opticheskie-datchiki WLL190T-2P434  6032553 оптоволоконный датчик-усилитель / https://sensor365.ru/datchiki-opticheskie-dlya-specialnyh-zadach/optovolokonnye-datchiki/wll190t-2p434-6032553-optovolokonnyj-datchik-usilitel/ Виды молний и параметры тока / https://studfile.net/preview/3545734/page:12/  Solid State Sensors SS40. Digital Bipolar Position Sensors (datasheet) / https://static.chipdip.ru/lib/037/DOC012037952.pdf Инкрементный энкодер / https://en.wikipedia.org/wiki/Incremental_encoder Просто о Modbus RTU с подробным описанием и примерами / https://ipc2u.ru/articles/prostye-resheniya/modbus-rtu/