Анемометри

Видове термографски системи и критерии за избора им в зависимост от приложението

Висока енергийна ефективност, отсъствие на влага, надеждна конструкция, отговаряща на съвременните изисквания, уникална фасада и дори енергийна независимост - са само част от изискванията, на които се очаква да отговаря една съвременна сграда. Постигането им е свързано както с използване на висококачествени строителни материали и спазване на всички нормативни и технически изисквания, така и с прилагането на съвременни методи за диагностика и контрол.

 И именно инфрачервената термография е метод, предлагащ много големи възможности за мониторинг и диагностика на състоянието на вече построени сгради и на сгради в строеж.
Методът се основава на способността на телата да излъчват електромагнитни вълни със строго определена дължина. Интензитетът на излъчването е в пряка зависимост от температурата на телата, т.е. с нейното повишаване правопропорционално се увеличава и излъчвателната им способност.

Безразрушителен мониторинг и диагностика
Основни елементи на всяка термовизионна система са оптична система и детектор. Посредством тях се улавя електромагнитната енергия, излъчвана от обекта, и се преобразува в сигнал, свидетелстващ за температурата му. Инфрачервената термография позволява измерване на температурата от разстояние, без да е необходим контакт между измервателния уред и обекта на измерване. Следователно проблемите се локализират, без да се нарушава целостта на сградата, при това на етап, предшестващ видимото им с просто око проявление. Типични проблеми, които могат да се открият и диагностицират с инфрачервената термография, са пукнатини или мокри петна.
Чрез термографските системи се получава достоверна и надеждна информация за състоянието както на цялата сграда, така и на отделни части от нея. Лесно, бързо и точно се установява наличието на проблем в конструкцията, в инсталациите, в изолацията, зоните, през които има най-големи топлинни загуби. Също така, могат да се локализира точното местоположение на скрити течове.

Видове термографски системи
Най-общо термографските системи могат да се разделят в две основни групи. Първата включва т.нар. обикновени сензори, измерващи температурата в дадена точка. Втората група се отнася до уреди, генериращи цялостно топлинно изображение на обекта, чрез измерване на температурата в множество точки.
Характерна за обикновените сензори е възможността да се получи необходимата информация на приемлива цена. Те не могат да осигурят висока разделителна способност и следователно да постигнат прецизност в измерването. Обикновените инфрачервени термометри могат да измерват температурата и да съхраняват определен обем от измерени стойности. Не всички модели са съвместими с персонален компютър, което ограничава възможностите за съхраняване на данните за по-дълъг период, както и с цел допълнителни анализи.
От своя страна, термовизионните системи, генериращи цялостна топлинна картина, предлагат повече възможности, но логично на по-висока цена. Те се характеризират с висока разделителна способност и прецизно измерване на температурата. Наличието на проблемни зони, на дефекти в конструкцията или на проблеми в инсталациите ясно се откроява на полученото термографско изображение. Обикновено към камерите е приложен и допълнителен софтуер за допълнителна обработка на получените данни, а за съхраняване и пренос на информацията се използват различни устройства за пренос на данни.

Точкови термометри, детектори и линейни скенери
В действителност, точковите инфрачервени термометри измерват температурата на кръгъл участък с малка площ. Сред условията за получаване на точни резултати са добра фокусировка на устройството. Също така е важно да се избере точков термометър с оптимална за конкретната задача оптична разделителна способност. За по-добро насочване повечето термометри са снабдени с лазерен показалец, а отчетената температура се визуализира върху дисплея на уреда. Основен недостатък на инфрачервените термометри е малкият им обхват на измерване, което ограничава приложението им.
Други термографски уреди са инфрачервените детектори, при които инфрачервената радиация се преобразува в електрически сигнал. Разделят се на две подгрупи - квантови и топлинни. При квантовите, енергията на фотоните директно се превръща в електрически сигнал, а при топлинните се променя температурата на самия детектор, при което се генерира електрическо напрежение. Квантовите детектори обикновено представляват фотодиоди.
При измерване температурата на точки, разположени по права линия обикновено се използват инфрачервени линейни скенери. Те са подходящи за непрекъснато сканиране на точки, разположени върху голяма площ. Линейните скенери се явяват междинно звено между инфрачервените термометри и инфрачервените камери.

Видове анемометри
Групата на анемометрите включва разнообразие от различаващи се като конструкция уреди, които могат да се класифицират на основата на различи признаци. Най-често се систематизират в пет основни групи - механични, манометрични, акустични и оптични уреди, както и термоанемометри.
Към групата на механичните анемометри се отнасят уреди, работата на които се базира на аеродинамичните сили, възникващи при обтичане на тела със специфична форма с въздушен поток. Сред най-често използваните уреди от тази група са чашковите и крилчатите анемометри.
Манометричните прибори  измерват динамичното налягане, което въздушен поток оказва върху течност в специална тръбичка.
При термоанемометрите измерването на скоростта се базира на промените в температурата на нагрято тяло, зависещи от скоростта на обтичащия го въздушен поток.
Към групата на  акустичните анемометри се включват уреди, използващи зависимостта между скоростта на звука и скоростта на въздушния поток.
Работата на оптичните анемометри се основава на т.нар. ефект на Доплер.

Чашко вите анемометри - най-разпространени
Неслучайно са определяни като най-разпространения и широко използван вид анемометри. Сред причините за това са сравнително елементарната им конструкция и добрите им метрологични характеристики. Основен конструктивен елемент на чашковите анемометри са полусферични чашки (три или четири на брой), въртящи се около вертикална ос.
Принципът им на действие се основава на разликата между съпротивленията на въздуха при обтичане на вдлъбнатата и изпъкналата част на полусферичната чашка. Съпротивлението при обтичане на вдлъбнатата част е три пъти по-голямо от съответстващото му при обтичане на изпъкналата. Между съпротивлението на въздуха и оборотите на въртене на уреда съществува пропорционална зависимост. Ако съпротивлението на въздуха нараства пропорционално на квадрата на скоростта на флуида, то чашковият анемометър следва да се върти със скорост, равна на 1/4 от скоростта на флуида. Тъй като съпротивлението зависи от числото на Рейнолдс, при измерване на високи скорости е необходима индивидуална градуировка.
Обикновено ръчните чашкови анемометри се препоръчват за измерване на скорости от 2 до 30 m/s, при които относителната грешка е около 2%. Уредите с преобразуване в електрически сигнал могат да покриват измервателни обхвати от 1,2 до 60 m/s.

Крилчати анемометри - измерват средна скорост
При тях ролята на първичен приемник се изпълнява от пропелер. За разлика от чашковия анемометър, който се върти около вертикална ос, перпендикулярна на посоката на вятъра, крилчатият трябва да се постави успоредно на нея. Следователно, оста на пропелера следва винаги да е успоредна на посоката на въздушния поток. По тази причина се препоръчва крилчатите анемометри да се комбинират с ветропоказател.
За този вид уреди е характерно, че броят на оборотите на пропелера за единица време е пропорционален на скоростта на измервания поток. Преобразуването на оборотите на пропелера в електрически сигнал обикновено се осъществява чрез електрически контакт, който се затваря при всеки негов пълен оборот. Генерираното изходно напрежение е пропорционално на скоростта на въртене. Крилчатите анемометри измерват директно средната скорост на въздушния поток.

Принцип на работа на термоанемометри
Както вече бе посочено, термоанемометрите използват зависимостта между промяната на температурата на едно нагрято тяло, обтичано от въздушен поток, и неговата скорост. Ако тялото се подгрява непрекъснато, то зависимостта е между неговата равновесна температура и скоростта на потока. Във вид на чувствителен елемент при термоанемометрите се използват тънки проводници и ленти, с малка топлинна инерционност и висока устойчивост на вибрации. Обикновено термоанемометричните чувствителни елементи се изработват от волфрамов проводник с платиново покритие, с диаметър около 0,005 mm и дължина 1 mm. При работа на уреда в тежки експлоатационни условия е целесъобразно да се използва специален чувствителен елемент, имащ тяло от огнеупорно стъкло, върху което е напластено платинено фолио, с дебелина 0,2 mm и дължина 1 mm.
Термоанемометрите поддържат два режима на работа:
Метод на постоянен ток - при изменение на скоростта на потока се променя и температурата на нишката, т.е. нейното съпротивление;
Метод на постоянна температура - съпротивлението и температурата на нишката се поддържат постоянни с помощта на система за автоматично регулиране на тока, който в случая е база за определяне скоростта на въздушния поток.

Предимства и недостатъци на термоанемометрите
Термоанемометричният метод на измерване се отличава с висока чувствителност. Сериозни негови недостатъци, обаче, са намаляване на чувствителността при увеличаване скоростта на потока, както и невъзможност за осигуряване на оптимален режим на работа на чувствителния елемент.
За да се поддържа чувствителността на прибора достатъчно висока, е необходимо температурата на чувствителния елемент да бъде значително по-голяма от температурата на въздушния поток. Обикновено температурата на проводника е само с около 200 - 300 К по-висока. Това намалява възможностите за приложение на метода и той се използва при температури на потока, не по-високи от 700 - 800 К. Недостатък на метода е и високата чувствителност на елемента към замърсяване, което обяснява затрудненото му използване в запрашени потоци.
Предимства на термоанемометрите са подчертаната вече висока чувствителност, както и широкият диапазон на измерване. Недостатъци са чупливост на нишката, нелинейна измервателна характеристика, загуба на чувствителност с времето и др. Поради малката механична якост на чувствителните елементи с проводник и сравнително сложните електрически схеми са изработени специални сонди, с вградени съпротивления. Те се използват за въздушни потоци със скорости от 0,02 до 5 m/s, отличават се с относителна грешка +/- 5% и обхват на работната температура от 0 до 40оС.

Акустични анемометри - измерват скоростта и посоката
С акустичните анемометри се определя както скоростта на потока, така и посоката му, на базата на ултразвукови вълни. За тази цел анемометърът е оборудван с две двойки ултразвукови преобразователи, разположени едни срещу други. Последователно, всеки преобразовател излъчва ултразвуков сигнал, с посока през въздушния поток към срещуположния преобразувател. Ако посоките на потока и ултразвуковия сигнал съвпадат, сигналът ще премине разстоянието от излъчващия до приемащия преобразовател по-бързо. Съответно, ако потокът има противоположна на сигнала посока, времето, за което ултразвуковият сигнал ще достигне до срещуположния преобразувател, ще е по-дълго. Чрез пресмятане на времето, необходимо на звуковия сигнал да достигне до срещуположния преобразовател и да се върне обратно, се определя скоростта на потока. Посоката на въздушния поток се определя в зависимост от ъгъла, под който той пресича ултразвуковите вълни.
Акустичните анемометри се използват широко, тъй като се отличават с висока точност и конструкция, в която отсъстват движещи се части. Също така те запазват оптималните си експлоатационни характеристики в турбулентна среда.

Лазер-доплеровият анемометър -високоточен
Скоростта на въздушните потоци при лазер-доплеровите анемометри се измерва, благодарение на лазерен лъч. За разлика от вече разгледаните уреди тези анемометри осигуряват безконтактно измерване на скоростта на газообразни, течни и твърди среди, съдържащи светоотразяващи частици.
Принципът им на действие се основава на измерване разликата в честотите на вълните, възникващи в резултат от отражението на лазерния лъч в движещите се частици.
Оптическите анемометри се характеризират с висока точност и бързодействие, както и вече подчертаното отсъствие на контакт между уреда и контролирания поток. Измерват скоростта на въздушния поток в много широк диапазон от няколко микрометра в секунда до няколко километра в секунда. Въпреки предимствата си, лазерните анемометри са сложни като конструкция и скъпи уреди, поради което се използват по-широко в индустрията.