XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Аннотация. В работе приводится расчёт инерционных погрешностей ротоанемометров, установленных на морских буйковых метеорологических станциях в зависимости от параметров ветра и технических параметров самого прибора. Показано, что при большой скорости ветра инерционная погрешность пренебрежимо мала, а при малой скорости ветра её необходимо учитывать. Установлено, что при прочих равных условиях инерционная погрешность возрастает с увеличением высоты датчика. Результаты могут быть использованы при автоматической обработке данных измерений скорости ветра на буйковых метеостанциях.

Ключевые слова: скорость ветра, ротоанемометры, погрешности, инерция, буйковые метеостанции.

Abstract. Calculations of inertia errors of windmill anemometers, placed at buoy meteorological stations are given. If wind speed is high, inertia error is negligible, but if wind speed’s low it must be given into attention. Inertia error rises if anemometer altitude rises. The results can be used in automatic calculations of measure results.

Key words: wind speed, windmill anemometers, errors, inertia, buoy meteorological stations.

Санкт-Петербург является крупным транспортным узлом, в котором водный транспорт занимает не последнее место: в город приходят круизные лайнеры, паромы, сухогрузы; по Неве транзитом проходят целые караваны судов. Также город имеет пассажирское водное сообщение с ближайшими пригородами Кронштадтом и Петродворцом. Комплекс защитных сооружений надежно защищает Санкт-Петербург от сгонно-нагонных явлений, приводящих к наводнениям. При поступлении предупреждения о подъеме воды закрывают затворы защитных сооружений, и навигация приостанавливается, что приводит к неизбежным финансовым потерям. Следовательно, погода и её прогноз над морскими акваториями приобретает для города особое значение. В частности, знание скорости ветра совершенно необходимо для нормальной работы морских судов и функционирования различных портовых сооружений.

Тем не менее, получить точные, репрезентативные данные о погодных условиях над морской поверхностью достаточно сложно. Ликвидировать пробелы в поступающей метеорологической информации может использование буйковых автоматических метеорологических станций, оборудованных необходимым комплектом датчиков. Такие станции устанавливаются непосредственно на водной поверхности в местах, где сложно получить информацию непосредственно контактными измерениями. Станции фиксируются с помощью специальных якорей и оснащаются блоком долговременного электропитания [1].

В то же время известно, что датчики скорости ветра (ротоанемометры), установленные на морских буйковых метеорологических станциях, обладают определёнными погрешностями, среди которых одна из основных – инерционная погрешность (завышение значения средней скорости ветра, измеряемой прибором, при колебании его под действием волнения поверхности моря).

Целью данной работы является исследование и учёт инерционной погрешности ротоанемометров в зависимости от конструкции как самого прибора, так и буйковой станции, а также от параметров ветра, частоты и амплитуды волнения поверхности моря.

Задачи данной работы:

Провести расчёт инерционной погрешности ротоанемометров, установленных на морских буйковых метеорологических станциях, в зависимости от параметров ветра при определённых значениях высоты установки датчика;

Рассчитать инерционную погрешность ротоанемометров, установленных на морских буйковых метеорологических станциях, в зависимости от частоты и амплитуды волнения водной поверхности при заданных значениях скорости ветра и высоты установки датчика;

Подготовить рекомендации для автоматической компьютерной обработки результатов измерений скорости ветра с учётом инерционной погрешности.

Буйковые автоматические метеорологические станции (АМС) представляют собой один или несколько буев с автоматическими метеодатчиками для измерения скорости и направления ветра, температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, количества осадков и облачности. Такие станции также измеряют характеристики водной среды – скорость течения, солёность, мутность и т.д. Очевидно, что буйковые АМС не дают полных сведений о погоде, а передают только информацию о состоянии атмосферы вблизи водной поверхности. Однако, эти станции очень важны, поскольку данные, полученные с них, позволяют заполнить пробелы в информации, приходящей с остальных средств наблюдений в море. [1]

Как видно из рисунка 1, датчик скорости ветра устанавливается на некоторой высоте над поверхностью моря для того, чтобы исключить забрызгивание насколько это возможно. Однако, морской буй подвержен влиянию волнения моря. Легко понять, что датчик при этом совершает колебания в направлении скорости ветра. Таким образом, при движении датчика в направлении скорости ветра он регистрирует заниженную скорость, а при движении в направлении против скорости ветра – завышенную скорость. Следовательно, средняя скорость ветра будет определена с ошибкой, которую можно рассчитать, используя методику, разработанную и развитую в работах [2,3].

Рис.1. Буйковая метеорологическая станция PIRATA

(США, Франция, Бразилия)

Для проведения расчёта необходимо знать несколько величин – высоту датчика над уровнем моря, угловую амплитуду и частоту колебаний датчика.

На рисунке 2 представлено схематичное изображение колебания датчика под действием морских волн.

Рис. 2. Схематичное изображение колебаний датчика параметров ветра под действием волнения моря.

Если H – высота, на которой располагается датчик, α – угловая амплитуда колебаний датчика, а T – период колебаний, то скорость передвижения датчика относительно поверхности моря может быть определена по формуле:

(1)

где l – длина дуги, на которую опирается угол α;

f– частота колебаний (Гц).

Длину дуги определим по формуле:

(2)

где α – угол в радианах.

Согласно теоретическим сведениям, частотный диапазон морских волн может варьироваться от 0,07 до 8 рад/с, т.е. от 0,011 до 1,25 Гц. Соответственно период колебаний буя составляет от 0,5 до 10 с. Углы отклонения, согласно [4], могут изменяться в пределах от 40° до 68°, т.е. от 0,7 до 1,2 рад.

При установке датчика параметров ветра на буйковую автоматическую метеорологическую станцию используются две стандартные высоты H1 = 2,9 м, H2 = 3,5 м. Значения высоты установки датчика H приводятся в [5]. Эти значения и были использованы при расчётах погрешностей.

В первую очередь необходимо рассчитать скорость движения датчика при разных значениях α и f для двух значений высоты датчика. Расчёты выполнялись по формуле (1) с учётом (2). Далее на основании полученных данных рассчитывались погрешности.

Для удобства расчётов флуктуации ветра были приняты прямоугольными. Расчёты производились по формуле [2, 3]:

(3)

По методике, развитой в работах [2, 3], определялась инерционная погрешность при заданных значениях скорости ветра, периода и амплитуды флуктуаций скорости ветра, пути синхронизации анемометра, который, как известно [6], характеризует инерцию анемометра и зависит от массы и радиуса чашек вертушки.

По результатам расчетов были построены графики зависимостей V(α) для трёх крайних значений частот f1=0,011 Гц, f2=0,5 Гц, f3=1,25 Гц. Расчёты были выполнены для стандартных высот H1=2,9 м, H2=3,5 м. Результаты выполненной серии расчетов представлены на рисунках 3 и 4.

Рис. 3. График зависимости скорости движения датчика при разных значениях частот и углов раскачки буйковой станции.

Рис. 4. График зависимости скорости движения датчика при разных значениях частот и углов раскачки буйковой станции.

Прежде всего стоит отметить, что в случае f1=0,011 Гц (сплошная кривая на рис. 3 и 4) скорости движения датчика оказались столь малыми, что рассчитанное значение погрешности для всех углов составляет доли см/с. Эта величина может считаться пренебрежимо малой, поэтому результаты расчёта для этого случая не включались в итоговую таблицу.

Для двух других случаев при частоте колебаний датчика параметров ветра f2=0,5 Гц, f3=1,25 Гц погрешности оказались достаточно значимыми (табл.1 и 2).

Таблица 1.

Результаты расчётов погрешностей для высоты датчика H=2,9 м

Таблица 2.

Результаты расчётов погрешностей для высоты датчика H=3,5 м

Анализируя данные таблиц 1 и 2, необходимо отметить, что в них отражены все возможные комбинации углов отклонения буя, скорости ветра и периода раскачки (или частоты). Поэтому в таблице могут встречаться явно нереальные случаи – например, при малой скорости ветра период колебаний не может быть очень большим из-за малой высоты волн, и, наоборот, при большой скорости ветра период колебаний не может быть малым.

Погрешность измерения, указанная в последнем столбце таблиц 1 и 2, всегда означает превышение показаний анемометра над истинной средней скоростью ветра. Причина появления этого превышения указана в работах [2, 3]. Разумеется, на эту погрешность накладываются другие погрешности анемометров, которые остаются за рамками данной работы.

Обращает на себя внимание, что величина погрешности особенно значительна при малых скоростях ветра. Это объясняется тем, что скорость раскачки буя сопоставима со скоростью ветра, а в некоторых случаях может даже превышать её. При больших скоростях ветра влияние скорости раскачки становится незначительным, и ошибка стремится к нулю.

Из таблиц 1 и 2 также видно, что при прочих одинаковых условиях погрешность возрастает при увеличении высоты установки датчика. Это легко объяснить, т.к. с увеличением высоты увеличивается скорость раскачки буя. Таким образом, можно рекомендовать уменьшение высоты положения датчика. Впрочем, это может привести к забрызгиванию датчика водой и искажению показаний из-за измерения скорости ветра вблизи уровня шероховатости.

Результаты проведённых расчётов могут быть использованы для автоматической обработки результатов измерений. В самом деле, океанографические буи оснащены датчиком частоты и угла раскачки.[5] Знание этих величин позволит применить разработанную методику при определении истинной средней скорости ветра, заложив её в программу автоматической обработки измерений.

Список литературы:

Восканян К. Л., Кузнецов А. Д., Сероухова О. С. Автоматические метеорологические станции. Часть I. Тактико-технические характеристики. РГГМУ, С-Пб, 2016 г. – 165 с.

Инерционные погрешности ротоанемометров. Григоров Н. О., Никитина В. С. Труды II Всероссийской конференции «Гидрометеорология и экология: достижения и перспективы развития», имени Л. Н. Карлина. 19-20.12.2018 г. Санкт-Петербург, с. 204-205.

Исследование погрешностей ротоанемометров. Григоров Н. О., Никитина В. С. Электронный журнал «SOUTHERN ALMANAC OF SCIENTIFIC RESEARCH — ЮЖНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ АЛЬМАНАХ» 23.04.2019 г. Севастополь

Оптико-физические средства исследования океана / Гульков В.Н., Зайцев В.А., Кропоткин М.А. и др. - Л.: Судостроение, 1984.- 264 с.

Ковчин И.С., Степанюк И.А. Методы специальных океанологических измерений. Санкт-Петербург, 2002 г. – 263 с.

Григоров Н.О., Саенко А.Г., Восканян К.Л. Методы и средства гидрометеорологических измерений. Метеорологические приборы. РГГМУ, С-Пб, 2012 г. – 306 с.

Код для цитирования: Скопировать