Anemometer

Cup anemometers

een eenvoudig type anemometer werd uitgevonden in 1845 door Rev Dr John Thomas Romney Robinson, van Armagh Observatory. Het bestond uit vier hemisferische cups gemonteerd op horizontale armen, die werden gemonteerd op een verticale schacht. De luchtstroom langs de cups in elke horizontale richting draaide de as met een snelheid die ongeveer evenredig was met de windsnelheid., Daarom produceerde het tellen van de windingen van de as over een bepaald tijdsinterval een waarde evenredig aan de gemiddelde windsnelheid voor een breed scala van snelheden. Het wordt ook wel een rotatieanemometer genoemd.

op een anemometer met vier kopjes is het gemakkelijk te zien dat, aangezien de kopjes symmetrisch op het uiteinde van de armen zijn geplaatst, de wind altijd de holte van een beker heeft gepresenteerd aan het en waait op de achterkant van de beker aan de andere kant van het kruis. Omdat een holle hemisfeer een luchtweerstandscoëfficiënt heeft van .38 aan de bolzijde en 1.,42 aan de holle kant wordt meer kracht gegenereerd op de beker die zijn holle kant aan de wind presenteert. Door deze asymmetrische kracht wordt koppel gegenereerd op de as van de anemometer, waardoor deze draait.

theoretisch moet de draaisnelheid van de anemometer evenredig zijn met de windsnelheid omdat de kracht die op een object wordt geproduceerd evenredig is met de snelheid van de vloeistof die erlangs stroomt., In de praktijk zijn echter andere factoren van invloed op de rotatiesnelheid, waaronder turbulentie die door het apparaat wordt geproduceerd, toenemende weerstand in tegenstelling tot het koppel dat wordt geproduceerd door de cups en steunarmen, en wrijving van het montagepunt. Toen Robinson voor het eerst zijn anemometer ontwierp, beweerde hij dat de cups een derde van de snelheid van de wind bewogen, niet beïnvloed door de cupmaat of armlengte. Dit werd blijkbaar bevestigd door enkele vroege onafhankelijke experimenten, maar het was onjuist., In plaats daarvan hangt de verhouding tussen de windsnelheid en die van de cups, de anemometerfactor, af van de afmetingen van de cups en armen, en kan een waarde tussen twee en iets meer dan drie hebben. Elk eerder experiment met een anemometer moest worden herhaald nadat de fout werd ontdekt.de drie-cup anemometer ontwikkeld door de Canadese John Patterson in 1926 en de daaropvolgende cup verbeteringen door Brevoort & Joiner uit de Verenigde Staten in 1935 leidde tot een cupwiel ontwerp met een bijna lineaire respons en had een fout van minder dan 3% tot 97 km/u., Patterson ontdekte dat elke beker een maximumkoppel produceerde wanneer deze op 45° stond ten opzichte van de windstroom. De drie-cup anemometer had ook een meer constant koppel en reageerde sneller op windstoten dan de vier-cup anemometer.de drie-cup anemometer werd verder aangepast door de Australische Dr.Derek Weston In 1991 om zowel de windrichting als de windsnelheid te meten. Weston voegde een tag toe aan één beker, waardoor de cupwheel snelheid toeneemt en afneemt als de tag afwisselend met en tegen de wind beweegt., De windrichting wordt berekend op basis van deze cyclische veranderingen in de cupwheel snelheid, terwijl de windsnelheid wordt bepaald op basis van de gemiddelde cupwheel snelheid.

drie-cup anemometers worden momenteel gebruikt als de industrie standaard voor wind resource assessment studies & praktijk.

Vleugelanemometers

een van de andere vormen van mechanische snelheids-anemometer is de vleugelanemometer. Het kan worden beschreven als een windmolen of een propeller anemometer., In tegenstelling tot de Robinson-anemometer, waarvan de draaias verticaal is, moet de vleugelanemometer zijn as evenwijdig hebben aan de windrichting en dus horizontaal. Bovendien, aangezien de wind in richting varieert en de as zijn veranderingen moet volgen, moet een windvaan of een ander middel worden gebruikt om hetzelfde doel te bereiken.

een vleugelanemometer combineert dus een schroef en een staart op dezelfde as om nauwkeurige en nauwkeurige windsnelheids-en richtingsmetingen van hetzelfde instrument te verkrijgen., De snelheid van de ventilator wordt gemeten door een toerenteller en omgezet in een windsnelheid door een elektronische chip. Daarom kan het volumedebiet worden berekend als het oppervlak van de dwarsdoorsnede bekend is.

in gevallen waarin de richting van de beweging van de lucht steeds dezelfde is, zoals in ventilatieschachten van mijnen en gebouwen, worden windvaantjes, luchtmeters genoemd, gebruikt en leveren bevredigende resultaten op.,

• 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.,

hete-draadanemometers

hete-draadanemometers gebruiken een fijne draad (in de Orde van enkele micrometer) die elektrisch wordt verwarmd tot een bepaalde temperatuur boven de omgevingstemperatuur. De lucht die langs de draad stroomt, koelt de draad af. Aangezien de elektrische weerstand van de meeste metalen afhankelijk is van de temperatuur van het metaal (wolfraam is een populaire keuze voor hete draden), kan een relatie worden verkregen tussen de weerstand van de draad en de snelheid van de lucht., In de meeste gevallen kunnen ze niet worden gebruikt om de richting van de luchtstroom te meten, tenzij gekoppeld aan een windvaan.

Er bestaan verschillende manieren om dit te implementeren, en hot-wire apparaten kunnen verder worden geclassificeerd als CCA (constant current anemometer), CVA (constant voltage anemometer) en CTA (constant-temperature anemometer). De spanningsuitgang van deze anemometers is dus het resultaat van een soort circuit in het apparaat dat probeert de specifieke variabele (stroom, spanning of temperatuur) constant te houden, volgens de wet van Ohm.,

daarnaast worden ook PWM-anemometers (pulsbreedtemodulatie) gebruikt, waarbij de snelheid wordt afgeleid door de tijdsduur van een zich herhalende stroompuls die de draad tot een bepaalde weerstand brengt en vervolgens stopt totdat een drempelwaarde “vloer” is bereikt, waarna de puls opnieuw wordt verzonden.,

Warmdraadanemometers zijn uiterst gevoelig, maar hebben in vergelijking met andere meetmethoden een zeer hoge frequentie-respons en een fijne ruimtelijke resolutie, en worden als zodanig bijna algemeen gebruikt voor de gedetailleerde studie van turbulente stromen of elke stroom waarbij snelle snelheidsschommelingen van belang zijn.

een industriële versie van de fijndraadanemometer is de thermische stroommeter, die hetzelfde concept volgt, maar gebruik maakt van twee pinnen of snaren om de variatie in temperatuur te controleren., De snaren bevatten fijne draden, maar het omhullen van de draden maakt ze veel duurzamer en in staat om nauwkeurig te meten lucht, gas en emissies stroom in leidingen, kanalen, en stapels. Industriële toepassingen bevatten vaak vuil dat de klassieke warmdraadanemometer zal beschadigen.

laser Doppler-anemometers

in laser Doppler-velocimetrie gebruiken laser Doppler-anemometers een lichtbundel van een laser die is verdeeld in twee bundels, waarvan er één uit de anemometer wordt gepropageerd. Deeltjes (of opzettelijk ingevoerd zaad materiaal) stromen samen met luchtmoleculen in de buurt waar de straal uitgangen reflecteren, of backscatter, het licht terug in een detector, waar het wordt gemeten ten opzichte van de oorspronkelijke laserstraal., Wanneer de deeltjes in grote beweging zijn, produceren ze een dopplerverschuiving voor het meten van de windsnelheid in het laserlicht, die wordt gebruikt om de snelheid van de deeltjes te berekenen, en dus de lucht rond de anemometer.

Ultrasone anemometers

ultrasone anemometers, voor het eerst ontwikkeld in de jaren 1950, gebruiken ultrasone geluidsgolven om windsnelheid te meten., Ze meten de windsnelheid op basis van de vluchttijd van sonische pulsen tussen paren transducers. Metingen van transducerparen kunnen worden gecombineerd om een meting van de snelheid in 1-, 2-of 3-dimensionale stroom op te leveren. De ruimtelijke resolutie wordt gegeven door de weglengte tussen transducers, die typisch 10 tot 20 cm is. Ultrasone anemometers kunnen metingen uitvoeren met een zeer fijne temporele resolutie, 20 Hz of beter, waardoor ze zeer geschikt zijn voor turbulentiemetingen., Het ontbreken van bewegende delen maakt ze geschikt voor langdurig gebruik in blootgestelde geautomatiseerde weerstations en weerboeien waar de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van traditionele kop-en-vleugelanemometers nadelig worden beïnvloed door zoute lucht of stof. Hun belangrijkste nadeel is de vervorming van de luchtstroom door de structuur die de transducers ondersteunt, die een correctie vereist op basis van windtunnelmetingen om het effect te minimaliseren., Een internationale standaard voor dit proces, ISO 16622 meteorologie-Ultrasone anemometers / thermometers-acceptatie testmethoden voor gemiddelde windmetingen is in het algemeen circulatie. Een ander nadeel is lagere nauwkeurigheid als gevolg van neerslag, waar regendruppels de snelheid van het geluid kan variëren.

omdat de geluidssnelheid varieert met de temperatuur en vrijwel stabiel is bij drukverandering, worden ultrasone anemometers ook gebruikt als thermometers.,

tweedimensionale (windsnelheid en windrichting) sonische anemometers worden gebruikt in toepassingen zoals weerstations, scheepsnavigatie, luchtvaart, weerboeien en windturbines. Het monitoren van windturbines vereist meestal een refresh rate van windsnelheidsmetingen van 3 Hz, gemakkelijk te bereiken door sonische anemometers. Driedimensionale sonische anemometers worden veel gebruikt om gasemissies en ecosysteemfluxen te meten met behulp van de eddy covariance-methode wanneer deze wordt gebruikt met infraroodgasanalysatoren met snelle respons of lasergebaseerde analysatoren.,

tweedimensionale windsensoren bestaan uit twee typen:

• twee ultrageluidpaden: deze sensoren hebben vier armen. Het nadeel van dit type sensor is dat wanneer de wind in de richting van een ultrasone baan komt, de armen de luchtstroom verstoren, waardoor de nauwkeurigheid van de resulterende meting wordt verminderd.
• drie ultrageluidswegen: deze sensoren hebben drie armen. Ze geven één pad redundantie van de meting die de nauwkeurigheid van de sensor verbetert en aerodynamische turbulentie vermindert.,

Acoustic resonance anemometers

Acoustic resonance anemometers zijn een recentere variant van de sonische anemometer. De technologie werd uitgevonden door Savvas Kapartis en gepatenteerd in 1999. Terwijl conventionele sonische anemometers afhankelijk zijn van de tijd van vluchtmeting, gebruiken akoestische resonantiesensoren resonerende akoestische (ultrasone) golven binnen een kleine speciaal gebouwde holte om hun meting uit te voeren.,

ingebouwd in de holte is een array van ultrasone transducers, die worden gebruikt om afzonderlijke staande golfpatronen bij ultrasone frequenties te creëren. Als de wind door de holte gaat, treedt er een verandering in de eigenschap van de golf op (faseverschuiving). Door het meten van de hoeveelheid faseverschuiving in de ontvangen signalen door elke transducer, en vervolgens door wiskundige verwerking van de gegevens, is de sensor in staat om een nauwkeurige horizontale meting van windsnelheid en-richting.,

akoestische resonantie technologie maakt meting in een kleine holte mogelijk, de sensoren zijn daarom meestal kleiner in omvang dan andere ultrasone sensoren. Het kleine formaat van akoestische resonantie-anemometers maakt ze fysiek sterk en gemakkelijk te verwarmen en daardoor bestand tegen ijsvorming. Deze combinatie van functies betekent dat ze hoge niveaus van beschikbaarheid van gegevens te bereiken en zijn zeer geschikt voor windturbine controle en voor andere toepassingen die kleine robuuste sensoren zoals battlefield meteorologie vereisen., Een probleem met dit sensortype is de meetnauwkeurigheid in vergelijking met een gekalibreerde mechanische sensor. Voor veel eindtoepassingen wordt deze zwakte gecompenseerd door de levensduur van de sensor en het feit dat deze niet opnieuw hoeft te worden gekalibreerd zodra deze is geïnstalleerd.

Pingpongbalanemometers

een gemeenschappelijke anemometer voor basisgebruik is opgebouwd uit een pingpongbal die aan een string is bevestigd. Wanneer de wind horizontaal waait, drukt hij op en beweegt de bal; omdat pingpongballen zeer licht zijn, bewegen ze gemakkelijk bij lichte wind., Het meten van de hoek tussen het snaar-kogel apparaat en de verticale geeft een schatting van de windsnelheid.

dit type anemometer wordt meestal gebruikt voor middelbare school niveau instructie, die de meeste studenten maken op hun eigen, maar een vergelijkbaar apparaat werd ook gevlogen op Phoenix Mars Lander.