CZUJNIKI POMIAROWE

delikatne odkształcenie w środkowej części. Dzieje się tak w przypadku nierównomiernego naciągnięcia lin na poszczególnych segmentach. To niewielkie odchylenie zostało skorygowane (poprzez naciągnięcie lin). Maszt można uznać za pionowy.

3.2. WYPOSAŻENIE MASZTU

Maszty pomiarowe wyposażone są w urządzenia, które najogólniej możemy podzielić na:  czujniki,

 rejestrator,

 urządzenia dodatkowe.

3.2.1. CZUJNIKI POMIAROWE

Aby maszt spełnił swoje zadanie (pomiar warunków anemometrycznych na danym terenie) musi być wyposażony w odpowiednie czujniki oraz urządzenia, które na bieżąco będą rejestrowały parametry meteorologiczne. Najczęściej spotykanym wyposażeniem masztu jest:

 czujnik prędkości wiatru,  czujnik kierunku wiatru,  czujnik temperatury,

 w niektórych przypadkach czujnik ciśnienia i wilgotności.

Kompletne zestawy pomiarowe składające się z czujników i rejestratora pokazano na rys. 3.8 i 3.9.

Rys. 3.8. Wyposażenie masztu pomiarowego. Aparatura (czujnik prędkości i kierunku, rejestrator, czujnik temperatury w osłonie radiacyjnej) zamontowana na maszcie w okolicach miejscowości Lipnik (tab. 4.1, poz. 2)[48]

31

Rys. 3.9. Wyposażenie masztu pomiarowego. Aparatura (czujnik prędkości i kierunku, rejestrator) zamontowana na maszcie w okolicach miejscowości Laszki (tab. 4.1 poz. 3) [49]

Czujniki prędkości wiatru

Jest to najważniejszy czujnik stosowany do określania warunków anemometrycznych panujących na badanej lokalizacji. Dzięki tego typu czujnikom jest możliwe precyzyjne określenie prędkości wiatru. Najczęściej spotykanymi czujnikami, do stosowania w pomiarach prędkości wiatru do celów energetyki wiatrowej, są wiatromierze czaszowe. Do najważniejszych cech tych przyrządów należą liniowość sygnału pomiarowego oraz niewrażliwość anemometru na turbulencje i wiatr o składowej skośnej (powstają one wskutek zaburzeń przepływu powietrza przez maszt lub wysięgnik). Wiatromierze z większymi czaszami wykazują znacznie lepsze cechy w porównaniu do wiatromierzy z małymi czaszami. Anemometry czaszowe posiadają również wadę – efekt zawyżania prędkości wiatru (bezwładność czasz), jednak są one mało znaczące. Najefektywniejsze są przetworniki optoelektryczne, które dają sygnał o wyższej częstotliwości (co najmniej 10 Hz na m/s), co jest wymagane przy rejestracji w krótkich interwałach pomiarowych lub ocenie turbulencji. Poniżej na rysunku 3.10 znajduje się schematyczna budowa dobrze zaprojektowanego anemometru czaszowego.

32

Rys. 3.10. Schemat budowy dobrze zaprojektowanego anemometru [50]

Na rysunku 3.11 pokazano, jakich konstrukcji należy unikać gdyż posiadają ewidentne błędy konstrukcyjne.

Rys. 3.11. Schemat budowy błędnie zaprojektowanego anemometru [50]

Do pomiarów prędkości wiatru stosuje się również inne rodzaje anemometrów, np. ultradźwiękowe i śmigiełkowe. Widok różnych typów anemometrów pokazano na rys. 3.12. Tak zwane „ultrasoniki”, wykorzystujące sygnały ultradźwiękowe, stosowane są coraz częściej w różnych dziedzinach, szczególnie w mikroklimatologii. Ich dokładność nie jest niestety wystarczająca w stosunku do analizy potencjału energetycznego wiatru. Kalibracja tego rodzaju przyrządów jest zdecydowanie trudniejsza, ponieważ wykonana musi być dla różnych kierunków wiatru. Poza tym w większości przypadków wykorzystanie ich może być niemożliwe z uwagi na zbyt duży pobór mocy. Zasilanie tego

Precyzyjne łożyska wysokiej jakości minimalizują tarcie mechaniczne.

Staranne zaprojektowanie geometrii czasz anemometru powoduje odpowiednią czułość i dynamikę.

Obudowa anemometru jest całkowicie symetryczna i obła w celu minimalizowania zaburzeń przepływu.

Długi wał minimalizuje efekt zakłócania przepływu przez obudowę

Obudowa jest duża i posiada ostre krawędzie, asymetryczne występy. Konstrukcja taka powoduje zakłócenie przepływu powietrza

Krótki wał powoduje powstanie zakłóceń od obudowy anemometru.

Źle skonstruowane czasze o zbyt dużej bezładności

33

rodzaju anemometrów w stacjach pomiarowych pochodzić może z baterii słonecznej bądź akumulatora.

Rys. 3.12. Różne rodzaje anemometrów [50]

Kalibracja anemometrów

Nawet wysokiej klasy anemometry „prosto od producenta” nie dają gwarancji precyzyjnego pomiaru prędkości wiatru. Całkowitą pewność w ocenie uzyskuje się jedynie w przypadku, gdy każdy z wiatromierzy zostanie skalibrowany w tunelu aerodynamicznym. Procedury kalibracji dokonać można wzorując się na przykładzie Instytutu Mechaniki Górotworu PAN w Krakowie. Proces kalibracji przeprowadza się w tunelach aerodynamicznych (schematyczna budowa tunelu pokazana jest na rys. 3.13). Najważniejszą cechą tunelu aerodynamicznego jest możliwość stabilnego przepływu w komorze pomiarowej w zakresie od 0,1 do 40 m/s. Podstawowe przyrządy do pomiaru prędkości przepływu to: kryza pomiarowa dla małych prędkości od 0,1 do 1,5 m/s oraz statyczna rurka Pitota dla zakresu prędkości od 1,5 do 40 m/s. Tunel aerodynamiczny jest stale modernizowany, dotyczy to w szczególności przyrządów pomiarowych. Celem utrzymania dużej sprawności tunelu prowadzi się prace badawcze, których celem jest określenie:

 charakterystyki tunelu,

 sprawności energetycznej tunelu,

 współczynnika i natężenia turbulencji,

 rozkładu ciśnienia,

 zależności prędkości przepływu powietrza w komorze pomiarowej od prędkości obrotowej wentylatora.

Tunel w obiegu otwartym został według założeń IMG PAN zaprojektowany i wykonany na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej w latach 1968 − 1971. Wytworzenie przepływu powietrza umożliwia wentylator łopatkowy z silnikiem prądu stałego oraz układ tyrystorowy do regulacji obrotów. Równomierność prędkości obrotowej wentylatora zapewniona jest w całym zakresie prędkości przepływu powietrza. Moc maksymalna układu napędowego wynosi 13 kW. Wentylator tunelu posiada rezerwowy napęd tyrystorowy. Do pomiaru prędkości przepływu powietrza w komorze pomiarowej tunelu stosuje się metodę pośrednią, wykorzystującą kryzę wielootworową i statyczną rurkę Pitota. Do pomiaru ciśnienia różnicowego na rurce i na kryzie

ultarsonik typ A ^{ultarsonik typ B}

śmigiełkowy dwu

34

pomiarowej służą manometry projekcyjne typu Betz o zakresie (0 ÷ 39,3) mbar i rozdzielczości 0,01 mbar, posiadające świadectwo wzorcowania wydane przez laboratorium akredytowane lub NMI.

Do określenia aktualnej gęstości powietrza służy barometr elektroniczny typu μBAR oraz psychrometr Assmana. Tunel znajduje się w klimatyzowanym pomieszczeniu ze stabilizowaną temperaturą powietrza. Do obliczeń wielkości aerodynamicznych, związanych z wzorcowaniem anemometrów, służy system komputerowy, który generuje świadectwo wzorcowania dla danego typu anemometru. System komputerowy może pracować "on line" z tymi anemometrami, które posiadają wyjście z elektrycznym sygnałem pomiarowym [51 − 55].

Rys. 3.13. Stanowisko do wzorcowania anemometrów [51]

Czujniki kierunku wiatru

Do pomiaru kierunku wiatru wykorzystywane są coraz częściej przetworniki potencjometryczne, ze względu na ich bardzo dobrą rozdzielczość (1°) i mały pobór mocy. Pod uwagę należy wziąć, że sygnał wychodzący z wiatromierza pokrywa bez luk cały horyzont pomiarowy (360 stopni). Tanie wiatromierze kierunkowe, oparte zwykle o bardzo proste potencjometry, mogą wykazywać brak sygnału pomiarowego z kierunku północnego. Cechują się zazwyczaj krótką żywotnością, związaną z zastosowanymi słabszymi materiałami o niskiej wytrzymałości. Rozmiary, wagi i ceny wiatromierzy kierunkowych są bardzo zróżnicowane. Anemometry cięższe wykazują lepszą stabilność na wietrze, a duże stery wiatru reagują nawet na bardzo słaby wiatr. Dla wykonania prognozy energetycznej oba kryteria odgrywają raczej drugoplanową rolę. Do przesyłu sygnału używa się połączonego bezpośrednio z czujnikiem 4-żyłowego przewodu. Kompensuje on rezystancję przewodów łączących, tak więc nawet bardzo długi przewód gwarantuje poprawność rejestracji danych. Data logger (rejestrator pomiarów) musi być wyposażony w odpowiednie oprogramowanie do uśredniania wyników. Przejście przez kierunek północny, przy zmianie kierunku wiatru, nie może objawiać się w rejestracji kierunkiem południowym.

Czujniki temperatury

W celu poprawności pomiaru temperatury jej czujnik musi być zabezpieczony osłoną przeciwradiacyjną, która pozwala na ujednolicenie warunków pomiarowych bez względu na