У природы нет плохой погоды
Может быть эти строчки песни из известного фильма Эльдара Рязанова и вызывают раздражение с учетом последних погодных явлений, в частности, в столице, но поделать мы ничего не можем. У природы нет плохой погоды — любую надо принимать. И не только принимать, но и фиксировать, измерять и анализировать. С учетом того, что сообществом достаточно тепло была принята моя недавняя статья про оптические измерения осадков, продолжаю рассказывать про интересные приборы для метеорологических измерений, в основу которых положены не стандартные принципы регистрации основных метеорологических величин — температуры, влажности, скорости и направления ветра. В этой статье речь пойдет про ультразвуковые метео-измерения. Достоинства и недостатки подобных измерительных систем предлагаю пообсуждать под катом.
Классические подходы
Классические подходы к регистрации метеорологических характеристик связаны с использованием примерно таких приборов
В основе работы прибора — движение крыльчатки. Чем выше скорость ветра, тем быстрее крутится этот узел. Направление ветра отслеживает заднее оперение, т.е. прибор всегда поворачивается на встречу ветровому потоку.
Самая большая проблема таких приборов — механически движущиеся части. Как бы надежно не был бы сделан прибор, он эксплуатируется в достаточно тяжелых условиях. Постоянный снег, дождь или обледенение и вовсе могут вывести из строя такие механизмы.
Чтобы этого избежать необходимо применять принудительный обогрев приборов, что само по себе тоже не всегда помогает. При этом значительно сокращается срок эксплуатации оборудования и, как следствие, страдает качество метеонаблюдений.
Ультразвуковые термоанемометры
Основная задача современного метеорологического оборудования по возможности избежать каких либо движущихся элементов, но при этом сохранить точность и качество метеонаблюдений. Решением данной задачи является применение ультразвуковых измерений температуры и скорости ветра. При этом используются замечательные физические законы, связанные с тем, что скорость звука различна для разных сред, в котором этот звук распространяется. Имеется зависимость скорости звука от температуры, давления и, что самое важное — от скорости ветра в атмосфере, в которой распространяется звук. Как известно, скорость звука в воздухе достаточно приличная и составляет порядка 300 м/с при температуре -50 гр. С. А вот при температуре +50 гр. скорость звука уже на 20 процентов больше.
Эта зависимость дает нам замечательную возможность измерять температуру с достаточной точностью, но при условии, что звук распространяется в неподвижной воздушной среде, т.е. в условиях полного «штиля».
Пару лет назад на ресурсе была опубликована замечательная статья пользователя DIMOSUS, в которой он на простом примере ультразвуковых измерений достаточно точно измерял температуру у себя дома. Именно на таком принципе работают самые современные ультразвуковые метеостанции, однако, если звук распространяется в условиях присутствия ветра — измерения становятся сложнее. Всему причина эффект Доплера, который в данном случае проявляется как увеличение скорости звука, если звук распространяется в условиях движения среды, т.е. при наличии ветра. По ветру звук распространяется быстрее, против ветра — медленнее. Именно на величину скорости ветра. Таким образом, установив звуковой излучатель на некотором удалении от приемного устройства (микрофона или подобного излучателя, но уже работающего в режиме приема звуковых волн), можно осуществить измерения скорости ветра и температуры. При этом решается определенная математическая задача, ведь скорость звука зависит от температуры, а при этом ветер вносит свои искажения. Рассмотрим принципиальную схему такого прибора (для простоты в одной из плоскостей измерения).
Основной особенностью является использование акустического (ультразвукового) метода измерения параметров ветра и температуры воздуха, заключающегося в измерении времени прохождения ультразвукового импульса пути Х1 от излучателя к приемнику и в обратном направлении Х2 через исследуемую воздушную среду. Скорость ветра V и температура воздуха Т определяются при этом такой формулой:
где Х1 и Х2 — расстояния между ультразвуковыми излучателями и приемниками первой и второй пары соответственно, t1 и t2 — время распространения ультразвукового импульса от излучателя к приемнику первой и второй пары соответственно. Измерение скорости ветра этим методом одновременно в взаимно ортогональных направлениях (уже необходимы 4 излучателя и 4 приемника) позволяет определять три ортогональных составляющих вектора скорости ветра или результирующий вектор скорости. Определение температуры воздуха основано на измерении скорости звука в воздушной среде и последующего вычисления этой температуры с учетом величины влажности воздуха и атмосферного давления:
Главная задача — сделать очень надежными излучатели и приемники ультразвуковых колебаний, которые изготавливаются из специализированных видов пьезо-керамики и устанавливаются на своеобразные резиновые оправки, выполняющие роль «амортизатора». Так выглядит (на самом деле очень качественный) ультразвуковой датчик для подобных приборов. Датчики работают на частоте от 28 до 40 КГц. При этом датчики одной и той же конструкции могут быть одновременно и излучающим и принимающим ультразвук сенсором.
Ультразвуковые метеостанции являются стандартом метеорологических измерений во всем мире. Приборы такого класса производят множество зарубежных компаний.
Как правило, характеристики таких приборов позволяют перекрыть все необходимые диапазоны метеонаблюдений, которые в общем случае представлены в таблице.
Забавно то, что приборы должны способны измерять ветер до 60 м/с. Конечно, это предельные характеристики, но при скорости ветра в 60 м/с самое время спасаться, ведь такая скорость может существовать, пожалуй, только в центре торнадо.
Это, действительно, очень надежные и современные приборы, которые лишены недостатков механических термоанемометров. Конечно, у таких приборов есть некоторые недостатки, они сложны в изготовлении и калибровке, поэтому необходимо использовать массу дополнительного оборудования для их настройки. Приборы привлекают птиц, которые любят сидеть на них и не только сидеть) В остальном же ультразвуковые метеостанции являются идеальным вариантом в измерениях основных метео-характеристик. Многие думают, что метеорологи измеряют лишь температуру, давление, влажность и ветровые характеристики. Действительно, это основные характеристики, из которых вычисляются масса других. Вот, к примеру, такие
Все эти данные необходимы для построения качественного прогноза погоды, чего очень не хватает для эффективной работы метеоролога.
Приятно то, что в России также выпускаются ультразвуковые метеостанции. Так, в одном из институтов Российской Академии наук ИМКЭС СО РАН в Томске уже более 10 лет производятся подобные приборы. И качество не только не уступает, а даже превосходит ряд зарубежных аналогов. В первую очередь за счет специально разработанных ультразвуковых датчиков, о которых я рассказывал ранее. Приборы выпускаются в различных модификациях и в отличие от многих «лабораторных макетов» — это продукция серийного производства, которая даже поставляется за границу. Прибор не блещет особым дизайном, но надежен и прост в обслуживании.
Варианты исполнения
Не смотря на то, что такое оборудование изготавливается уже не первый год, Росгидромет не торопится внедрять такие приборы. Внедрению должны предшествовать многолетние сравнительные испытания, которые должны быть проведены в обязательном порядке. Не смотря на это, оборудование, о котором я пишу в этой статье, полностью сертифицировано и поставляется в основном для научных исследований и в интересах военных. Нет, уважаемый читатель, это не секретные сведения, я пишу эту статью с разрешения разработчиков. Просто для военных метеорологические данные также очень важны, поэтому идут соответствующие поставки. Это оборудование с удовольствием покупают и иностранцы в те страны, где нет таких суровых требований, как у Росгидромета и российское оборудование с успехом используется для метеорологии. Также важным в данном оборудовании является его первоначальная настройка и калибровка. В заключение короткое 3-х минутное видео, где можно увидеть эту разработку подробнее.
Хорошего дня!
