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Thies Clima, Meteorologie und Umweltmesstechnik


Ultrasonic Annemometer 2DUltrasonic Anemometer 2D

Messung der Windrichtung und Windgeschwindigkeit

 

höchste Präzision
wartungsfrei / beheizbar
digitale und analoge Ausgänge
Technische Daten:
Windgeschwindigkeit 
Messbereich: 0...75 m/s, Skalierung des Analogausgangs frei wählbar
Genauigkeit (RMS-Mittel über 360°): ± 0,1 m/s, im Bereich 0... 5 m/s, bzw. ± 2 % vom Messwert, ab > 5 m/s
Windrichtung 
Messbereich: 0...360º
Genauigkeit ± 1º
Datenausgabe Digital 
Schnittstelle RS 485 / 422
Baudrate 1200 bis 230400 einstellbar
Ausgabe Momentanwerte, Windgeschwindigkeit, -richtung und akustische Virtuelltemperatur.
Gleitende Mittelwerte 0,5 sek ... 100 min. frei einstellbar
Standardabweichung für Windgeschwindigkeit, -richtung und akustische Virtuelltemperatur.
Vordefinierte und benutzerdefinierte Telegramme
Ausgaberate 1 pro 1 msek bis 1 pro 60 Sekunden in msek einstellbar
Statuserkennung Heizung, Messstrecken-Ausfall, ΔT Streckentemperaturen
Datenausgabe analog
Elektr. Ausg. 0/2...10 V oder 0/4...20 mA, Windgeschwindigkeit, Windrichtung und virt. Temperatur
Ausgabe Momentanwerte, Gleitende Mittelwerte 0,5 sek bis 100 min frei einstellbar
Auflösung 16 bit
Ausgaberate Aktualisierungsrate 1Hz bis 100 Hz einstellbar
Bürde am Stromausgang max. 400 Ohm
Bürde am Spannungsausgang min. 4000 Ohm
Analoge Eingänge  
Anzahl Bis zu fünf analoge Eingänge möglich. 3x Standard, 2x optional
Auflösung 16 Bit
Abtastrate 0,1 Hz bis 100 Hz pro Kanal
Eingangsbereich 0 - 10V
Datenverarbeitung Ausgabe der Messwerte im anwenderspezifischen Telegramm.
Genauigkeit ± 0,1% im Bereich -50 ... +70°C
Linearität, integral INL: typ. <6LSB
Effektive rauschfreie Bits Typ. 14 Bit bei DC-Versorgung zur Vermeidung von dynamischem Übersprechen in der Anschlussleitung
Allgemein 
Interne Messrate 400 Hz bei 25 ºC
Versorgung Elektronik 8 V bis 42 V DC typ. 1,5 VA, max. 2,5 VA
12 V bis 30 V AC typ. 1,5 VA, max. 2,5 VA
Versorgung Heizung 24V AC/DC ±15%; typ. 80 VA, max. 90 VA @ 24 V
Temperaturbereich Betrieb - 50 ... +70 °C; Lagerung -50 ... +80°C
Messbetrieb mit Heizung bis -75°C möglich
Vereisungsresistenz nach THIES STD 012001
Vereisungsresistenz nach THIES STD 012002
EMV EN 55022: 1998 Klasse B; EN 55024: 1998
EN 61326: 1997, A3: 2003
Funkstörfeldstärke und Störfestigkeit beides Klasse B
Montageart auf Mastrohr 1½", z.B. DIN 2441
Anschlussart 8 pol. Steckverbindung im Schaft oder mit fest angeschlossenem Kabel
Gewicht 2,5 kg
Virtuell Temperatur 
Messbereich - 50...+70 ºC
Genauigkeit ± 0,5 K bis 35 m/s
1. Anwendungsbereich

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. 2,5 ms 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 ausgeschaltet werden.
Durch Kombination von zwei senkrecht aufeinander stehenden Messstrecken erhält man die Messergebnisse des Betrages und Winkels des Windgeschwindigkeitsvektors. Anschliessend erhält man durch transformation in Polarkoordinaten den Winkel und den Windgeschwindigkeitsbetrag.

3.2 Virtuell Temperatur
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.