Индукционные анемометры. Погрешности индукционного анемометра. Импульсные (контактные) анемометры

Лекция 10

3.2. Индукционные анемометры.

            Рассмотрим теперь конкретные виды ротоанемометров. Собственно, различие будет заключаться только в устройстве преобразователей угловой скорости в другие величины, которые сравнительно легко измерить существующими приборами. Что касается самого датчика - чашечной вертушки или винта - то его устройство будет принципиально тем же самым для разных типов анемометров. Поэтому все закономерности, рассмотренные нами в предыдущем параграфе, можно смело применять для всех типов ротоанемометров.

            Итак, рассматриваем индукционные ротоанемометры. В свою очередь этот тип анемометров подразделяется на дистанционные анемометры с генератором тока и анемометр АРИ-49. Рассмотрим их по очереди.

            Индукционный анемометр с генератором тока состоит из датчика - чашечной вертушки или винта (1), ось которого (2) соединена с постоянным магнитом (3)  (рис. 3.2.1).

 

            Мы уже понимаем, что ось вертушки вращается с угловой скоростью , которая связана со скоростью ветра уравнением (3.1.8). Вместе с ней вращается и магнит (3) с той же угловой скоростью. Около магнита расположены две неподвижные катушки L₁ и L₂. В катушках возникает переменная ЭДС, амплитуда которой зависит от угловой скорости вращения магнита. Это и есть генератор переменного тока, устройство которого известно из школьного курса физики. В данном случае он используется не для получения электроэнергии (хотя это самый настоящий ветроэлектрогенератор!), а для измерения скорости ветра. Ведь амплитуда переменной ЭДС зависит от угловой скорости вращения магнита. Но непосредственно измерять амплитуду неудобно. Поэтому соберем схему, изображенную на рис. 3.2.1. В нее включен выпрямитель на диодах VD₁...VD₄. Он работает следующим образом. В вертикальной диагонали мостовой диодной схемы - переменный ток. Когда в верхней точке диагонали положительный полупериод, ток проходит через диод VD₁ влево и не проходит вправо через VD₂. Из нижней точки мостовой схемы положительный полупериод проходит влево через диод VD₄ и не проходит вправо через VD₃. Поэтому в горизонтальной диагонали моста будет ток одного знака - см. рис. 3.2.2.

 

            Однако  этот ток пульсирующий, поэтому непосредственное измерение его опять-таки затруднительно. Для его измерения стрелочным прибором необходим сглаживающий фильтр. Это RC-фильтр, состоящий из конденсатора С и сопротивления R (см. рис. 3.2.1). Конденсатор заряжается через сопротивление - но только тогда, когда амплитуда высока. Зарядка происходит сравнительно медленно, ведь постоянная времени заряда определяется произведением RC. В промежутках между полупериодами происходит разрядка конденсатора - тоже довольно медленно (жирная кривая на рис. 3.2.2). В результате напряжение на конденсаторе меняется очень незначительно, практически оно постоянно. Возникающий постоянный ток измеряют стрелочным или цифровым прибором.

            Свяжем значение возникшего постоянного тока со скоростью ветра. Для этого напишем выражение для переменной ЭДС, возникающей в катушках при вращении магнита с угловой скоростью :

 ,                                              (3.2.1)

где - количество катушек,  - количество витков в катушке, s- площадь одного витка, - магнитная индукция. С учетом известных соотношений:

формула (3.2.1) примет вид:

.                      (3.2.2)

Здесь   - магнитная проницаемость материала, из которого изготовлен сердечник катушки,  - магнитная постоянная,  - максимальная напряженность магнитного поля постоянного магнита (в момент прохождения полюса магнита около катушки).

            Теперь выразим значение переменного тока , протекающего через катушки:

 ,

где  - суммарное сопротивление всей цепи.

            Далее найдем значение выпрямленного и сглаженного тока . Мысленно заменим жирную линию на рис. 3.2.2 прямой. Тогда величина тока равна осредненной за один полупериод:

.                                                   (3.2.3)

            Или:

.             (3.2.3)

Значение последнего интеграла в формуле (3.2.3) равно 2. Подставив это значение и заменив по формуле (3.1.8), имеем:

.                              (3.2.4)

            Эта формула дает нам возможность написать выражение для чувствительности индукционного анемометра (S):

.                    (3.2.5)

            Полученное выражение позволяет предложить достаточно много способов увеличения чувствительности. Перечислим их и оценим целесообразность применения.

            1. Увеличение количества катушек . Это неизбежно приведет к увеличению размеров анемометра, что не всегда желательно.

            2. Увеличение числа витков  . Нежелательно по тем же причинам. Можно, впрочем применить более тонкий провод для обмоток, но в этом случае возрастет сопротивление катушки, что повлечет  увеличение общего сопротивления  , а значит, уменьшение чувствительности.