СПОСОБ КОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ СКОРОСТИ ВЕТРА И ТЕЧЕНИЙ В ЗОНЕ ВОЛНЕНИЯ
METHOD FOR CONTACT MEASUREMENT OF WIND SPEED AND CURRENT PROFILES IN PERTURBATION ZONE

Предлагаемое изобретение относится к методам измерения гидрометеорологических параметров окружающей среды. В частности, предлагаемый способ касается измерения вертикального распределения (профиля) скорости воздушного потока (ветра) и течения воды (течения) в области взволнованной границы раздела сред воздух-вода. Такого рода измерения представляют, преимущественно, научный интерес. Полученные результаты применяются для решения практических задач (береговое строительство, безопасность судоходства, морская индустрия нефти и газа и т.д.).
Если измеряющие приборы находятся в контакте со средой измерения, такой метод измерения называется контактным. Если измеряющие приборы находятся вдали от среды измерений, а информация получается при помощи видео- или радио-наблюдений, то метод называется дистанционным (например, дистанционное измерение температуры поверхности Земли). В данном случае рассматривается метод контактного измерения скоростей воздушного или водного потоков.
Уровень техники
В настоящее время для измерения вертикального профиля скорости ветра в заданной географической точке суши или водного пространства (озера, моря и т.п.) принято использовать специальный измеритель - анемометр [1, 2]. Существует большое разнообразие анемометров, различающихся по методам измерения скорости ветра, инерционности, точности и размерам. Для наших целей приемлемы малогабаритные и малоинерционные анемометры, которые нечувствительны к влаге, например типа Wind Sonic [3].
Для измерения скорости течений воды применяют пропеллерные измерители течений различной конструкции [1, 2], которые конструктивно заведомо влагоустойчивы.
При выполнении измерений профиля ветра обычно анемометры располагаются на жесткой мачте, установленной в указанной географической точке местности. При измерении скорости ветра на одной заданной высоте (т.н. горизонте) достаточно использовать только один анемометр. При необходимости измерения вертикального профиля ветра используют несколько анемометров 2, распределенных по вертикали и расположенных на единой мачте 1 (Фиг.1) [4]. (Конструктивно могут быть использованы несколько мачт, расположенных рядом друг с другом, при условии, что они не мешают измерениям). Результаты измерений, фиксируемые анемометрами, определенным способом (по электрическим проводам) передаются на приемник-накопитель информации 3 (Фиг.1). Далее эта информация подлежит обработке, требуемой целями измерения.
В случае выбора точки измерения, находящейся в области водного пространства (озеро, море и т.п.), нижняя граница воздушного потока является подвижной по причине присутствия ветровых волн на поверхности раздела сред воздух-вода. Над взволнованной поверхностью раздела сред, измерения профиля ветра усложняются по целому ряду причин, главной из которых является подвижная водная поверхность, т.к. движение границы раздела сред ограничивает расположение измерителей по вертикали. В таком случае, обычно, самый нижний измеритель располагают на достаточном удалении от наивысшего из возможных положений водной поверхности, что обусловлено, прежде всего, целями сохранности измерителя, а также надежности его показаний [5].
Известен способ контактного измерения профиля скорости ветра, основанный на использовании вертикально распределенных на жесткой мачте анемометров, соединенных с многоканальным регистратором и накопителем ветровой информации [6].
Одной из проблем измерения профиля ветра над взволнованной поверхностью воды является невозможность применения известных измерений ветра в области малых горизонтов, т.е. в зоне высот, где попеременно присутствует то вода, то воздух. Эта зона далее будет называться зоной волнения. В волновой механике принято считать, что зона волнения 4 по вертикали занимает пространство между самыми глубокими ложбинами и самыми высокими гребнями волн (Фиг.2).
Далее предлагается решение указанной проблемы, а именно, способ контактного измерения профиля ветра в зоне волнения. Этот же способ обобщается на случай измерения профиля течений в зоне волнения путем замены анемометров на измерители течений и изменением коммутации измерителей.
Сущность изобретения
Для решения поставленной задачи, в отличие от известного способа контактного измерения профиля скорости ветра [6], анемометры располагают таким образом, что самый нижний из них находится ниже минимальных уровней подошв волн, а самый верхний располагают на высоте, превышающей максимальную высоту гребней волн (Фиг.3). При этом для реализации измерения скорости ветра в зоне волнения, на той же мачте устанавливают электронный измеритель уровня воды 5 (Фиг.3), который коммутируют с анемометрами 2 при помощи стандартного многоканального переключателя электрического сигнала 6 так, что сигнал с каждого из анемометров записывается в накопитель информации 3 только тогда, когда измеритель уровня воды указывает, что данный анемометр находится в воздухе, а при попадании анемометра в воду его сигнал не регистрируется.
С целью упрощения описанного процесса измерения профиля ветра в зоне волнения вместо измерителя уровня воды используют малогабаритные емкостные датчики наличия воды, жестко прикрепленные непосредственно под корпусами каждого из анемометров, сохраняя коммутацию сигналов анемометров, датчиков уровня воды и прерывателя, обеспечивающую запись в накопитель информации только тогда, когда для каждого анемометра его датчик воды указывает, что данный анемометр находится в воздухе.
С целью повышения точности измерения скорости ветра, на корпус каждого анемометра жестко прикрепляют измерители влажности воздуха 7 (Фиг.4), сигнал с которых через переключатель записывается в отдельные каналы накопителя информации по аналогии с записью сигналов анемометров.
С целью измерения профиля скорости течений в зоне волнения используют тот же набор измерителей (Фиг.3) и тот же способ регистрации информации, только вместо анемометров 2 применяют измерители течений, а коммутацию измерителей течений с измерителем высоты уровня воды и прерывателем устанавливают таким образом, что он обеспечивает запись измерений течений в накопителе информации только при нахождении каждого из измерителей течений в воде.
С целью упрощения процесса измерения профиля скорости течений в зоне волнения вместо измерителя уровня воды используют малогабаритные емкостные датчики наличия воды, жестко установленные непосредственно над корпусами каждого из измерителей течений воды, сохраняя коммутацию измерителей течений с датчиками воды и прерывателем, обеспечивающую запись измерений течений в накопителе информации только при нахождении каждого из измерителей течений в воде.
Возможность реализации
Пример реализации способа измерения профиля ветра в зоне волнения поясняет Фиг.4, где показаны: 1 - мачта, 2 - анемометры, 3 - накопитель информации, 4 - зона волнения, 5 - струнный измеритель уровня воды, 6 - коммутатор-переключатель сигнала, 7 - измерители влажности.
Все перечисленные элементы системы являются хорошо известными устройствами, которые широко используются в различных областях измерительной техники[1]. В частности, в качестве малоинерционных и малогабаритных анемометров, нечувствительных к влаге, могут быть использованы акустические анемометры типа «АТЕ-1034»[7], а в качестве измерителя уровня воды - струнный измеритель емкостного типа [1].
С целью повышения точности измерений на всех попадающих в зону волнения анемометрах 2 жестко укрепляют малогабаритные и малоинерционные измерители влаги воздуха 7 (типа НМР-233), информация с которых поступает на отдельные каналы накопителя 3. Эту информацию, позволяющую учитывать зависимость плотности воздуха от его влажности, используют для пересчета данных, полученных с анемометров 2, расположенных в зоне волнения 4, что и обеспечивает уточнение измерений скорости ветра.
Предлагаемый способ измерения профиля скорости ветра реализуется следующим образом. На жестко закрепленной в вертикальном положении прочной мачте 1 располагают несколько анемометров 2, занимающих по вертикали широкий диапазон высот, перекрывающий возможную в данной серии измерений зону волнения 4. Каждый анемометр 2, находящийся на некотором фиксированном горизонте, измеряет мгновенную скорость ветра на этом горизонте. Для достижения цели проведения измерений в зоне волнения, на той же мачте с анемометрами (или очень близко к ней) располагают измеритель уровня воды 5, который измеряет положение уровня воды по той вертикали, где расположены анемометры (Фиг.4).
Все измерители скорости ветра и измеритель уровня воды определенным образом электрически коммутируют с многоканальным коммутатором-переключателем 6, работа которого заключается во включении анемометров только в те периоды времени, когда тот или иной из анемометров 2, расположенный на фиксированной высоте, находится выше постоянно меняющегося уровня воды. В противном случае, т.е. при попадании анемометра в воду, переключатель отключает данный анемометр, и его сигнал не поступает на накопитель 3. Таким образом, только в том случае, когда каждый конкретный анемометр 2, согласно показаниям измерителя уровня воды 5, находится в воздухе, сигнал этого анемометра, управляемого через коммутатор-переключатель 6, поступает на многоканальный накопитель информации 3.
В результате, на накопителе 3 собирается информация от каждого анемометра в свой отдельный канал информации только в те периоды времени, когда измеритель уровня воды 5 указывает, что каждый данный анемометр 2 находится в воздухе. Получается многоканальная запись сигнала о скорости ветра по числу горизонтов расположения анемометров (с отдельным записью для каждого анемометра). Затем эта информация подвергается стандартной обработке (осреднению во времени для каждого горизонта). В итоге, для каждого фиксированного горизонта, на котором имеется анемометр, только при его нахождении в воздухе фиксируется конкретная величина ветра. В сумме это дает профиль ветра по вертикали в том диапазоне высот, который перекрывается системой анемометров 2.
Поскольку анемометры, как правило, калибруются на определенную плотность воздуха, существенно зависящую от его влажности, точность измерений скорости ветра зависит от учета влажности воздуха. Поскольку на фиксированном горизонте в зоне волнения, занимающей пространство, где попеременно присутствует то воздух, то вода, влажность воздуха может меняться в значительных пределах, то такие вариации влажности воздуха приводят к понижению точности измерений скорости ветра. Учитывая этот эффект, точность измерений скорости ветра в зоне волнения можно повысить за счет закрепления малогабаритных датчиков влажности 7 на корпусах анемометров 2 (Фиг.4). При этом коммутатор-переключатель коммутируют с измерителями влажности 7 таким образом, чтобы он пропускал их сигналы на каналы накопителя 3 только в тот период времени, когда анемометры и закрепленные на них измерители влажности находятся выше уровня воды. В таком случае стандартная обработка данных для получения среднего ветра возможна с учетом влажности воздуха, что и повышает точность измерений.
С целью упрощения процесса измерения профиля ветра в зоне волнения вместо измерителя уровня воды 5 используют малогабаритные емкостные датчики наличия воды, жестко прикрепленные непосредственно под корпусами каждого из анемометров 2, сохраняя коммутацию анемометров, датчиков воды и переключателя, обеспечивающую запись сигнала с каждого анемометра в накопитель информации только тогда, когда датчик воды указывает, что данный анемометр находится в воздухе.
Описанный способ просто видоизменяется на случай измерения скорости течений. Для целей измерения скорости течений в зоне волнения анемометры 2 заменяют на измерители течений, оставляя всю остальную систему приборов без изменения (Фиг 3). При этом, однако, коммутацию измерителя уровня воды 5 и переключателя 6 с измерителями течений 2 устанавливают таким образом, что переключатель обеспечивает включение каждого из измерителей течений только при его нахождении в воде. Способ накопления информации выполняют по аналогии с таковым для случая измерения скорости ветра. В случае измерения профиля течений воды, естественно, что датчики влажности не нужны.
С целью упрощения процесса измерения профиля скорости течений в зоне волнения, вместо измерителя уровня воды 5 используют малогабаритные емкостные датчики наличия воды, жестко установленные непосредственно над корпусами измерителей течений воды 2 (Фиг.3), сохраняя коммутацию измерителей течений, датчиков воды и переключателя сигналов, обеспечивающую запись измерений течений в накопителе информации только при нахождении каждого из измерителей течений в воде.
Источники информации
1. В.Н.Кедроливанский, М.С.Стернзат. Метеорологические приборы. - Л.; М: Гидрометеоиздат, 1953.
2. Kristensen, L., 1993: The cup anemometer and other exciting instruments. Tech. Rep.Risoe-R-615(EN), Rise National Laboratory, 83 pp.
3. http://www.gill.co.uk/products/anemometer/anemometer.htm
4. Bernstein, Abram В., 1967: A Note on the Use of Cup Anemometers in Wind Profile Experiments. J. Appl. Meteor., 6, 280-286.
5. A.Pena, S.-E. Gryning, Chamock's Roughness Length Model and Non-dimensionalWind Profiles Over the Sea. Boundary-Layer Meteorology (2008) 128:191-203.
6. Патент России №2030749.
7. http://www.aktakom.ru/kio/index.php?SECTION_ID=493&ELEMENT_ID=38092