Wind Wind Messung der Windrichtung
und 
Windgeschwindigkeit
Das
Ultrasonic Anemometer 2D dient zur 2 dimensionalen Erfassung der horizontalen
Komponenten der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung sowie der Virtuell
-Temperatur. Aufgrund der hohen Messrate eignet sich das Gerät hervorragend
zur trägheitslosen Böen- und Spitzenwertmessung.
Die erreichte Genauigkeit bei der Messung der Lufttemperatur (Virtuell-Temperatur)
übertrifft die der klassischen Verfahren, bei denen Temperaturmessfühler
in einem Wetter- und Stahlungschutz verwendet werden.
Die Messwerte werden als analoge Signale oder als Datentelegramm über eine
serielle Schnittstelle bereitgestellt.
Die Sensorik als auch der Gerätekörper wird im Bedarfsfall bei kritischen
Umgebungstemperaturen automatisch beheizt. Somit wird die Funktion auch bei
Schneefall und Eisregen sichergestellt, sowie die Möglichkeit einer Vereisung
weitgehend verhindert.
2. Arbeitsweise
Das
Ultrasonic Anemometer 2D besteht aus 4 Ultraschall -Wandlern, von denen
sich jeweils 2 Wandler im Abstand von 200 mm gegenüberstehen.
Die dadurch gebildeten zwei Messstrecken stehen senkrecht zueinander.
Die Wandler fungieren sowohl als Schallsender als auch als Schallempfänger.
Über die Steuerungselektronik wird die jeweilige Messstrecke und deren
Messrichtung angewählt.
Mit dem Start einer Messung läuft eine Sequenz von 8 Einzelmessungen in
alle 4 Richtungen der Messstrecken mit maximaler Geschwindigkeit ab.
Die Messrichtungen (Schallausbreitungsrichtungen) verlaufen im Uhrzeigersinn
rotierend, zuerst von Süd nach Nord, dann von West nach Ost, von Nord nach
Süd und schliesslich von Ost nach West.
Aus den 8 Einzelmessungen der Streckenrichtungen werden die Mittelwerte gebildet
und zur weiteren Berechnung verwendet.
Die benötigte Zeit für eine Messsequenz liegt bei ca. 20 msec bei
+20°C.
3. Messprinzip
3.1 Windgeschwindigkeit und Richtung
Der
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalles in ruhender Luft überlagert sich
die Geschwindigkeitskomponente einer Luftbewegung in Windrichtung.
Eine Windgeschwindigkeitskomponente in Ausbreitungsrichtung des Schalles unterstützt
dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit, führt also zu einer Erhöhung derselben,
eine Windgeschwindigkeitskomponente entgegen der Ausbreitungsrichtung führt
dagegen zu einer Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Die aus der Überlagerung resultierende Ausbreitungsgeschwindigkeit führt
zu unterschiedlichen Laufzeiten des Schalles bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten
und Richtungen über eine feststehende Messstrecke
Da die Schallgeschwindigkeit stark von der Temperatur der Luft abhängig
ist, wird die Laufzeit des Schalles auf jeder der beiden Messstrecken in beide
Richtungen gemessen. Dadurch kann der Einfluss der von der Temperatur abhängigen
Schallgeschwindigkeit auf das Messergebniss durch Subtraktion der Reziproken
der gemessenen Laufzeiten ausgeschaltet werden.
Durch Kombination von zwei senkrecht aufeinander stehenden Messstrecken erhält
man die Messergebnisse des Betrages und Winkels des Windgeschwindigkeitsvektors
in Form von rechtwinkligen Anteilen.
Nach Messung der rechtwinkligen Geschwindigkeitskomponenten über die Messstrecken,
werden diese anschliessend durch den µ-Prozessor des Anemometers in Polarkoordinaten
transformiert und als Betrag und Winkel der Windgeschwindigkeit ausgegeben.
Wie
bereits erwähnt, ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalles stark
von der Temperatur der Luft abhängig, jedoch annähernd unabhängig
von Luftdruck und Luftfeuchte. Daher kann diese physikalische Eigenschaft der
Gase für eine Temperaturmessung der Luft genutzt werden.
Da es sich hierbei um eine Messung der Gastemperatur ohne den Umweg der thermischen
Kopplung zu einem Messfühler handelt, wird diese Messgrösse als „Virtuell
Temperatur“ bezeichnet.
Die Vorteile die diese Messgrösse bietet, sind zum einen ihre trägheitsfreie
Reaktion auf die tatsächliche Gastemperatur, zum anderen die Vermeidung
von Messfehlern wie sie z.B. durch Aufheizung eines festkörperlichen Temperatursensors
durch Strahlung bekannt sind.
Bei Lufttemperaturmessungen mit einem Messfühler in einem Wetter- und Strahlungsschutz
treten in freier Umgebung Messfehler auf. Bei Erwärmung des Schutzes durch
Sonneneinstrahlung werden zu hohe Messwerte gemessen, bei Regen und Wind werden
durch Verdunstungsabkühlung zu niedrige Messwerte ermittelt. Die in der
Praxis ermittelten Messfehler solcher Thermometer können bis zu ±2
K betragen.
In diesem Kontext bietet die beim 2D-Anemometer spezifizierte Messgenauigkeit
von ±1 K über den gesamten Temperaturbereich von - 4O ºC bis
+70 ºC eine recht genaue Bestimmung der Lufttemperatur, ohne die Nachteile,
die durch den Einsatz eines Wetter- und Strahlungsschutz entstehen.
Technische Daten:
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