Anemometer (Deutsch)

Cup-Anemometer

Eine einfache Art von Anemometer wurde 1845 von Dr. John Thomas Romney Robinson vom Armagh Observatory erfunden. Es bestand aus vier halbkugelförmigen Bechern, die an horizontalen Armen montiert waren und auf einem vertikalen Schaft montiert waren. Der Luftstrom vorbei an den Bechern in jeder horizontalen Richtung drehte die Welle mit einer Geschwindigkeit, die in etwa proportional zur Windgeschwindigkeit war., Das Zählen der Windungen der Welle über ein festgelegtes Zeitintervall erzeugte daher einen Wert, der proportional zur durchschnittlichen Windgeschwindigkeit für einen breiten Drehzahlbereich war. Es wird auch Rotationsanemometer genannt.

Auf einem Anemometer mit vier Bechern ist leicht zu erkennen, dass der Wind immer die Mulde einer Tasse hat, da die Becher symmetrisch am Ende der Arme angeordnet sind und auf der Rückseite der Tasse am gegenüberliegenden Ende des Kreuzes weht. Da eine hohle Hemisphäre einen Luftwiderstandskoeffizienten von hat .38 auf der kugelförmigen Seite und 1.,42 auf der hohlen Seite wird mehr Kraft auf den Becher erzeugt, der seine hohle Seite dem Wind präsentiert. Aufgrund dieser asymmetrischen Kraft wird ein Drehmoment auf der Achse des Anemometers erzeugt, wodurch es sich dreht.

Theoretisch sollte die Rotationsgeschwindigkeit des Anemometers proportional zur Windgeschwindigkeit sein, da die auf einem Objekt erzeugte Kraft proportional zur Geschwindigkeit der an ihm vorbeiströmenden Flüssigkeit ist., In der Praxis beeinflussen jedoch andere Faktoren die Drehzahl, einschließlich Turbulenzen, die von der Vorrichtung erzeugt werden, zunehmenden Luftwiderstand im Gegensatz zu dem Drehmoment, das von den Bechern und Stützarmen erzeugt wird, und Reibung des Montagepunkts. Als Robinson sein Anemometer zum ersten Mal entwarf, behauptete er, dass sich die Becher ein Drittel der Windgeschwindigkeit bewegten, unabhängig von der Bechergröße oder Armlänge. Dies wurde anscheinend durch einige frühe unabhängige Experimente bestätigt, war aber falsch., Stattdessen hängt das Verhältnis der Windgeschwindigkeit und der der Becher, des Anemometerfaktors, von den Abmessungen der Becher und Arme ab und kann einen Wert zwischen zwei und etwas mehr als drei haben. Jedes vorherige Experiment mit einem Anemometer musste wiederholt werden, nachdem der Fehler entdeckt worden war.

Der 1926 vom Kanadier John Patterson und 1935 von Brevoort & Joiner of the United States entwickelte Drei-Cup-Anemometer führte zu einem Cupwheel-Design mit nahezu linearer Reaktion und einem Fehler von weniger als 3% bis zu 97 km/h., Patterson stellte fest, dass jede Tasse ein maximales Drehmoment erzeugte, wenn sie bei 45° zum Windstrom war. Das Drei-Cup-Anemometer hatte auch ein konstanteres Drehmoment und reagierte schneller auf Böen als das Vier-Cup-Anemometer.

Das Drei-Cup-Anemometer wurde 1991 vom Australier Dr. Derek Weston weiter modifiziert, um sowohl die Windrichtung als auch die Windgeschwindigkeit zu messen. Weston fügte einer Tasse ein Tag hinzu, wodurch sich die Cupwheel-Geschwindigkeit erhöht und verringert, wenn sich das Tag abwechselnd mit und gegen den Wind bewegt., Die Windrichtung wird aus diesen zyklischen Änderungen der Cupwheel-Geschwindigkeit berechnet, während die Windgeschwindigkeit aus der durchschnittlichen Cupwheel-Geschwindigkeit bestimmt wird.

Drei-Cup-Anemometer werden derzeit als Industriestandard für Windressourcenbewertungsstudien verwendet & Praxis.

Flügelanemometer

Eine der anderen Formen des mechanischen Geschwindigkeitsanemometers ist das Flügelanemometer. Es kann als Windmühle oder Propelleranemometer beschrieben werden., Im Gegensatz zum Robinson-Anemometer, dessen Drehachse vertikal ist, muss das Flügelanemometer seine Achse parallel zur Windrichtung und daher horizontal haben. Da der Wind in der Richtung variiert und die Achse seinen Änderungen folgen muss, muss außerdem eine Windfahne oder eine andere Konstruktion verwendet werden, um den gleichen Zweck zu erfüllen.

Ein Flügelanemometer kombiniert somit einen Propeller und ein Heck auf derselben Achse, um genaue und präzise Windgeschwindigkeits-und Richtungsmessungen vom selben Instrument zu erhalten., Die Drehzahl des Lüfters wird durch einen Drehzahlzähler gemessen und durch einen elektronischen Chip in eine Windgeschwindigkeit umgewandelt. Daher kann die volumetrische Durchflussrate berechnet werden, wenn die Querschnittsfläche bekannt ist.

In Fällen, in denen die Richtung der Luftbewegung immer gleich ist, wie in Lüftungsschächten von Minen und Gebäuden, werden Windschaufeln verwendet, die als Luftzähler bezeichnet werden, und liefern zufriedenstellende Ergebnisse.,

• Vane anemometers

• Vane style of anemometer

• Helicoid propeller anemometer incorporating a wind vane for orientation

• Hand-held low-speed vane anemometer

• Hand-held digital anemometer or Byram anenometer.,

Hot-Wire-Anemometer

Hot-Wire-Anemometer verwenden einen feinen Draht (in der Größenordnung mehrerer Mikrometer), der elektrisch auf eine Temperatur über der Umgebung erwärmt wird. Luft, die an dem Draht vorbeiströmt, kühlt den Draht. Da der elektrische Widerstand der meisten Metalle von der Temperatur des Metalls abhängt (Wolfram ist eine beliebte Wahl für Heißdrähte), kann eine Beziehung zwischen dem Widerstand des Drahtes und der Geschwindigkeit der Luft erhalten werden., In den meisten Fällen können sie nicht zur Messung der Richtung des Luftstroms verwendet werden, es sei denn, sie sind mit einer Windfahne gekoppelt.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu implementieren, und Heißdrahtgeräte können weiter als CCA (Konstantstromanemometer), CVA (Konstantspannungsanemometer) und CTA (Konstanttemperatur-Anemometer) klassifiziert werden. Der Spannungsausgang dieser Anemometer ist somit das Ergebnis einer Art Schaltung innerhalb des Geräts, die versucht, die spezifische Variable (Strom, Spannung oder Temperatur) nach dem ohmschen Gesetz konstant zu halten.,

Zusätzlich werden PWM-Anemometer (Pulsweitenmodulation) verwendet, wobei die Geschwindigkeit durch die Zeitlänge eines sich wiederholenden Stromimpulses abgeleitet wird, der den Draht auf einen bestimmten Widerstand bringt und dann stoppt, bis ein Schwellenwert „Boden“ erreicht ist, zu welchem Zeitpunkt der Impuls erneut gesendet wird.,

Heißdrahtanemometer sind zwar äußerst empfindlich, weisen jedoch im Vergleich zu anderen Messmethoden einen extrem hohen Frequenzgang und eine sehr feine räumliche Auflösung auf und werden daher fast überall zur detaillierten Untersuchung turbulenter Strömungen oder Strömungen eingesetzt, bei denen schnelle Geschwindigkeitsschwankungen von Interesse sind.

Eine industrielle Version des Feindrahtanemometers ist der Wärmedurchflussmesser, der dem gleichen Konzept folgt, jedoch zwei Stifte oder Saiten verwendet, um die Temperaturschwankungen zu überwachen., Die Saiten enthalten feine Drähte, aber die Umhüllung der Drähte macht sie viel haltbarer und in der Lage, Luft -, Gas-und Emissionsströme in Rohren, Kanälen und Stapeln genau zu messen. Industrielle Anwendungen enthalten häufig Schmutz, der das klassische Heißdrahtanemometer beschädigt.

Laser-Doppler-Anemometer

In der Laser-Doppler-Velocimetrie verwenden Laser-Doppler-Anemometer einen Lichtstrahl eines Lasers, der in zwei Strahlen unterteilt ist, wobei sich einer aus dem Anemometer ausbreitet. Partikel (oder absichtlich eingeführtes Samenmaterial), die zusammen mit Luftmolekülen in der Nähe des Austrittsortes des Strahls fließen, reflektieren oder streuen das Licht zurück in einen Detektor, wo es relativ zum ursprünglichen Laserstrahl gemessen wird., Wenn sich die Partikel in großer Bewegung befinden, erzeugen sie eine Dopplerverschiebung zur Messung der Windgeschwindigkeit im Laserlicht, mit der die Geschwindigkeit der Partikel und damit die Luft um das Anemometer berechnet wird.

Ultraschallanemometer

Akustische Resonanzanemometer sind eine neuere Variante des Schallanemometers. Die Technologie wurde von Savvas Kapartis erfunden und 1999 patentiert. Während herkömmliche Schallanemometer auf der Messung der Flugzeit beruhen, verwenden akustische Resonanzsensoren resonante akustische (Ultraschall -) Wellen innerhalb eines kleinen zweckgebundenen Hohlraums, um ihre Messung durchzuführen.,

In den Hohlraum ist ein Array von Ultraschallwandlern eingebaut, die verwendet werden, um die separaten Stehwellenmuster bei Ultraschallfrequenzen zu erzeugen. Wenn Wind durch den Hohlraum strömt, tritt eine Änderung der Welleneigenschaft auf (Phasenverschiebung). Durch Messen der Menge der Phasenverschiebung in den empfangenen Signalen durch jeden Wandler und dann durch mathematische Verarbeitung der Daten kann der Sensor eine genaue horizontale Messung von Windgeschwindigkeit und-richtung bereitstellen.,

Die akustische Resonanztechnologie ermöglicht die Messung innerhalb eines kleinen Hohlraums, die Sensoren sind daher typischerweise kleiner als andere Ultraschallsensoren. Die geringe Größe von akustischen Resonanzanemometern macht sie physisch stark und leicht zu erwärmen und daher widerstandsfähig gegen Vereisung. Diese Kombination von Merkmalen bedeutet, dass sie eine hohe Datenverfügbarkeit erreichen und sich gut für die Steuerung von Windkraftanlagen und für andere Anwendungen eignen, die kleine robuste Sensoren erfordern, z. B. für die Meteorologie auf dem Schlachtfeld., Ein Problem bei diesem Sensortyp ist die Messgenauigkeit im Vergleich zu einem kalibrierten mechanischen Sensor. Für viele Endanwendungen wird diese Schwäche durch die Langlebigkeit des Sensors und die Tatsache ausgeglichen, dass nach der Installation keine Neukalibrierung erforderlich ist.

Ping-Pong-Ball-Anemometer

Ein übliches Anemometer für die grundlegende Verwendung besteht aus einem an einer Schnur befestigten Ping-Pong-Ball. Wenn der Wind horizontal weht, drückt er auf und bewegt den Ball; Da Tischtennisbälle sehr leicht sind, bewegen sie sich bei leichtem Wind leicht., Die Messung des Winkels zwischen der Saitenkugelvorrichtung und der Vertikalen gibt eine Schätzung der Windgeschwindigkeit.

Diese Art von Anemometer wird hauptsächlich für den Unterricht in der Mittelschule verwendet, den die meisten Schüler selbst herstellen, aber ein ähnliches Gerät wurde auch auf Phoenix Mars Lander geflogen.