Vindmåler - Anemometer

Et halvkuleformet koppanemometer av typen oppfunnet i 1846 av John Thomas Romney Robinson .

Et vindmåler er en enhet som brukes til å måle vindhastighet og retning . Det er også et vanlig værstasjonsinstrument . Begrepet er avledet fra det greske ordet anemos , som betyr vind , og brukes til å beskrive ethvert vindhastighetsinstrument som brukes i meteorologi . Den første kjente beskrivelsen av et vindmåler ble gitt av Leon Battista Alberti i 1450.

Historie

Vindmåleren har endret seg lite siden utviklingen på 1400 -tallet. Leon Battista Alberti (1404–1472) sies å ha oppfunnet det første mekaniske vindmåleren rundt 1450. I de påfølgende århundrene utviklet mange andre, inkludert Robert Hooke (1635–1703) sine egne versjoner, med noen som feilaktig ble kreditert som oppfinneren. I 1846 forbedret John Thomas Romney Robinson (1792–1882) designet ved å bruke fire halvkuleformede kopper og mekaniske hjul. I 1926 utviklet den kanadiske meteorologen John Patterson (3. januar 1872-22. februar 1956) et tre-koppers vindmåler, som ble forbedret av Brevoort og Joiner i 1935. I 1991 la Derek Weston til muligheten til å måle vindretning. I 1994 utviklet Andreas Pflitsch det soniske vindmåleren.

Hastighetsanemometre

Kopp vindmålere

Koppanemometer animasjon

En enkel type vindmometer ble oppfunnet i 1845 av pastor John Thomas Romney Robinson , fra Armagh Observatory . Den besto av fire halvkuleformede kopper montert på horisontale armer, som var montert på et vertikalt skaft. Luftstrømmen forbi koppene i hvilken som helst horisontal retning dreide akselen med en hastighet som var omtrent proporsjonal med vindhastigheten. Derfor produserte en telle akselens svinger over et angitt tidsintervall en verdi proporsjonal med gjennomsnittlig vindhastighet for et bredt spekter av hastigheter. Det kalles også et rotasjonsanemometer.

På et vindmåler med fire kopper er det lett å se at siden koppene er plassert symmetrisk på enden av armene, har vinden alltid hulen på en kopp presentert for den og blåser på baksiden av koppen motsatt slutten av korset. Siden en hul halvkule har en dragkoeffisient på .38 på den sfæriske siden og 1.42 på den hule siden, genereres mer kraft på koppen som presenterer sin hule side for vinden. På grunn av denne asymmetriske kraften genereres dreiemoment på anemometerets akse, noe som får det til å snurre.

Teoretisk sett bør rotasjonshastigheten til vindmåleren være proporsjonal med vindhastigheten fordi kraften som produseres på et objekt er proporsjonal med hastigheten til væsken som strømmer forbi den. I praksis påvirker imidlertid andre faktorer rotasjonshastigheten, inkludert turbulens produsert av apparatet, økende motstand mot dreiemomentet som produseres av koppene og støttearmene, og friksjon av festepunktet. Da Robinson først designet vindmåleren, hevdet han at koppene beveget seg en tredjedel av vindens hastighet, upåvirket av koppstørrelsen eller armlengden. Dette ble tilsynelatende bekreftet av noen tidlige uavhengige eksperimenter, men det var feil. I stedet er forholdet mellom vindens hastighet og koppene, vindmålefaktoren , avhengig av dimensjonene til koppene og armene, og kan ha en verdi mellom to og litt over tre. Hvert tidligere eksperiment med et vindmåler måtte gjentas etter at feilen ble oppdaget.

Tre-koppers vindmåler utviklet av kanadieren John Patterson i 1926 og påfølgende koppforbedringer av Brevoort & Joiner fra USA i 1935 førte til et kopphjulsdesign med en nesten lineær respons og hadde en feil på mindre enn 3% opptil 60 mph (97 km/t). Patterson fant ut at hver kopp ga maksimalt dreiemoment når den var 45 ° i forhold til vindstrømmen. Tre koppers vindmåler hadde også et mer konstant dreiemoment og reagerte raskere på vindkast enn fire koppers vindmåler.

Tre-koppers vindmåler ble ytterligere modifisert av australske Dr. Derek Weston i 1991 for å måle både vindretning og vindhastighet. Weston la til en brikke i en kopp, noe som får kopphastighetshastigheten til å øke og redusere når taggen beveger seg vekselvis med og mot vinden. Vindretningen beregnes ut fra disse sykliske endringene i cupwheel speed, mens vindhastigheten bestemmes ut fra den gjennomsnittlige cupwheel speed.

Tre koppers vindmålere brukes for tiden som industristandard for vindressursvurderingsstudier og praksis.

Vane vindmålere

En av de andre formene for mekanisk hastighetsanemometer er vingeanemometeret . Det kan beskrives som en vindmølle eller et propellanemometer. I motsetning til Robinson anemometer, hvis rotasjonsakse er vertikal, må vingeanemometeret ha sin akse parallell med vindretningen og derfor horisontal. Siden vinden også varierer i retning og aksen må følge endringene, må det brukes en vindblad eller annen utstyr for å oppfylle det samme formålet.

Et vingeanemometer kombinerer dermed en propell og en hale på samme akse for å oppnå nøyaktige og presise vindhastighets- og retningsmålinger fra det samme instrumentet. Viftehastigheten måles med en turtall og konverteres til en vindhastighet med en elektronisk brikke. Derfor kan volumetrisk strømningshastighet beregnes hvis tverrsnittsarealet er kjent.

I tilfeller der luftbevegelsens retning alltid er den samme, som i ventilerende sjakter i gruver og bygninger, brukes vindvinger kjent som luftmålere og gir tilfredsstillende resultater.

  • Vane vindmålere

  • Vane stil av vindmåler

  • Vindelflate propell anemometer som omfatter en vindfløy for orientering

  • Håndholdt lavhastighets vindmåler

  • Håndholdt digitalt vindmåler eller Byram anenometer.

Hot-wire vindmålere

Varmtrådssensor

Varmetrådsanemometre bruker en fin ledning (i størrelsesorden flere mikrometer) elektrisk oppvarmet til en viss temperatur over omgivelsene. Luft som strømmer forbi tråden kjøler tråden. Siden den elektriske motstanden til de fleste metaller er avhengig av metallets temperatur ( wolfram er et populært valg for varme ledninger), kan det oppnås et forhold mellom trådens motstand og luftens hastighet. I de fleste tilfeller kan de ikke brukes til å måle retningen på luftstrømmen, med mindre de er kombinert med en vindvinge.

Det finnes flere måter å implementere dette på, og hot-wire-enheter kan videre klassifiseres som CCA ( konstant strømanemometer), CVA ( konstant spenningsanemometer ) og CTA (konstant temperaturanemometer). Spenningsutgangen fra disse vindmålerne er dermed resultatet av en slags krets i enheten som prøver å opprettholde den spesifikke variabelen (strøm, spenning eller temperatur) konstant, etter Ohms lov .

I tillegg brukes også PWM ( pulsbreddemodulering ) anemometre, der hastigheten utledes av tidslengden til en gjentagende puls av strøm som bringer ledningen opp til en spesifisert motstand og deretter stopper til et terskel "gulv" er nådd, da sendes pulsen igjen.

Hot-wire vindmålere, selv om de er ekstremt delikate, har ekstremt høy frekvensrespons og fin romlig oppløsning sammenlignet med andre målemetoder, og brukes som sådan nesten universelt for detaljert undersøkelse av turbulente strømninger, eller enhver strømning der raske hastighetsfluktuasjoner er renter.

En industriell versjon av fintrådsanemometeret er termisk strømningsmåler , som følger samme konsept, men bruker to pinner eller strenger for å overvåke variasjonen i temperatur. Strengene inneholder fine ledninger, men innkapsling av ledningene gjør dem mye mer holdbare og i stand til å måle luft-, gass- og utslippsstrøm i rør, kanaler og stabler nøyaktig. Industrielle applikasjoner inneholder ofte smuss som vil skade det klassiske varmtråds vindmåleren.

Tegning av et laseranemometer. Laserlyset sendes ut (1) gjennom frontlinsen (6) på vindmåleren og spres tilbake fra luftmolekylene (7). Den tilbakespredte strålingen (prikker) kommer inn i enheten på nytt og reflekteres og ledes inn i en detektor (12).

Laser Doppler vindmålere

I laser Doppler -velocimetri bruker laser Doppler -anemometre en lysstråle fra en laser som er delt inn i to stråler, hvorav den ene forplanter seg ut av vindmåleren. Partikler (eller bevisst introdusert frømateriale) som strømmer sammen med luftmolekyler i nærheten av der strålen kommer ut reflekterer, eller tilbakespreder, lyset tilbake til en detektor, der det måles i forhold til den opprinnelige laserstrålen. Når partiklene er i stor bevegelse, produserer de et Doppler -skift for måling av vindhastighet i laserlyset, som brukes til å beregne hastigheten på partiklene, og derfor luften rundt vindmåleren.

2D ultralydanemometer med 3 baner

Ultralydanemometre

3D ultralydanemometer

Ultralydanemometre, først utviklet på 1950 -tallet, bruker ultralyds lydbølger for å måle vindhastigheten. De måler vindhastighet basert på tidspunktet for flyging av soniske pulser mellom par av transdusere . Målinger fra par transdusere kan kombineres for å gi en måling av hastighet i 1-, 2- eller 3-dimensjonal strømning. Den romlige oppløsningen er gitt av banelengden mellom transdusere, som vanligvis er 10 til 20 cm . Ultralydanemometre kan ta målinger med meget fin tidsoppløsning , 20 Hz eller bedre, noe som gjør dem godt egnet for turbulensmålinger . Mangel på bevegelige deler gjør dem passende for langvarig bruk i eksponerte automatiserte værstasjoner og værbøyer der nøyaktigheten og påliteligheten til tradisjonelle kopp-og-vane vindmålere påvirkes negativt av salt luft eller støv. Deres største ulempe er forvrengning av luftstrømmen av strukturen som støtter transduserne, noe som krever en korreksjon basert på vindtunnelmålinger for å minimere effekten. En internasjonal standard for denne prosessen, ISO 16622 Meteorologi - Ultralydanemometre/termometre - Akseptasjonstestmetoder for gjennomsnittlige vindmålinger er i generell sirkulasjon. En annen ulempe er lavere nøyaktighet på grunn av nedbør, der regndråper kan variere lydhastigheten .

Siden lydens hastighet varierer med temperaturen, og er praktisk talt stabil med trykkendring, brukes ultralydanemometre også som termometre .

To-dimensjonale (vindhastighet og vindretning) soniske vindmålere brukes i applikasjoner som værstasjoner , skipsnavigasjon, luftfart, værbøyer og vindturbiner. Overvåking av vindturbiner krever vanligvis en oppdateringsfrekvens for vindhastighetsmålinger på 3 Hz, enkelt oppnådd med soniske vindmåler. Tredimensjonale soniske vindmålere er mye brukt for å måle gassutslipp og økosystemflukser ved hjelp av virvelkovariansemetoden når de brukes med hurtigrespons infrarøde gassanalysatorer eller laserbaserte analysatorer.

To-dimensjonale vindsensorer er av to typer:

  • To ultralydbaner : Disse sensorene har fire armer. Ulempen med denne sensortypen er at når vinden kommer i retning av en ultralydbane, forstyrrer armene luftstrømmen, noe som reduserer nøyaktigheten av den resulterende målingen.
  • Tre ultralydbaner : Disse sensorene har tre armer. De gir en bane redundans av målingen som forbedrer sensornøyaktigheten og reduserer aerodynamisk turbulens.

Akustiske resonansanemometre

Akustisk resonansanemometer

Akustiske resonansanemometre er en nyere variant av sonisk vindmåler. Teknologien ble oppfunnet av Savvas Kapartis og patentert i 1999. Mens konvensjonelle soniske anemometre er avhengige av tidspunktet for flygemåling, bruker akustiske resonanssensorer resonerende akustiske (ultralyd) bølger i et lite spesialbygd hulrom for å utføre målingen.

Akustisk resonansprinsipp

Innebygd i hulrommet er en rekke ultralydtransdusere, som brukes til å lage separate stående bølgemønstre ved ultralydfrekvenser. Når vinden passerer gjennom hulrommet, skjer en endring i bølgens eiendom (faseskift). Ved å måle faseforskyvningen i de mottatte signalene fra hver transduser, og deretter ved å matematisk behandle dataene, kan sensoren gi en nøyaktig horisontal måling av vindhastighet og retning.

Fordi akustisk resonansteknologi muliggjør måling i et lite hulrom, har sensorene en tendens til å være typisk mindre enn andre ultralydsensorer. Den lille størrelsen på akustiske resonansanemometre gjør dem fysisk sterke og lette å varme, og derfor motstandsdyktige mot ising. Denne kombinasjonen av funksjoner betyr at de oppnår høy datatilgjengelighet og er godt egnet for vindturbinkontroll og til andre bruksområder som krever små robuste sensorer som slagmarkens meteorologi. Ett problem med denne sensortypen er målenøyaktighet sammenlignet med en kalibrert mekanisk sensor. For mange sluttbruk blir denne svakheten kompensert av sensorens levetid og det faktum at den ikke krever omkalibrering når den er installert.

Ping-pong ball vindmålere

Et vanlig vindmåler for grunnleggende bruk er konstruert av en bordtennisball festet til en snor. Når vinden blåser horisontalt, presser den på og flytter ballen; Fordi pingpongballer er veldig lette, beveger de seg lett i lett vind. Måling av vinkelen mellom strengballapparatet og vertikalen gir et estimat av vindhastigheten.

Denne typen vindmålere brukes mest for undervisning på ungdomsskolenivå, som de fleste elevene lager på egen hånd, men en lignende enhet ble også fløyet på Phoenix Mars Lander .

Trykkanemometre

Britannia Yacht Club klubbhus tur, burgee og vindmåler på taket

De første designene av vindmålere som måler trykket ble delt inn i plate- og rørklasser.

Plateanemometre

Dette er de første moderne vindmålere. De består av en flat plate hengt opp fra toppen slik at vinden avleder platen. I 1450 oppfant den italienske kunstarkitekten Leon Battista Alberti det første mekaniske vindmåleren; i 1664 ble den gjenoppfunnet av Robert Hooke (som ofte feilaktig blir betraktet som oppfinneren av det første vindmåleren). Senere versjoner av denne formen besto av en flat plate, enten firkantet eller sirkulær, som holdes normal for vinden av en vindvinge. Vindens trykk på ansiktet balanseres av en fjær. Kompresjonen av fjæren bestemmer den faktiske kraften som vinden utøver på platen, og denne leses enten av på en passende måler eller på en opptaker. Denne typen instrumenter reagerer ikke på lett vind, er unøyaktige for høy vindavlesning og er trege til å reagere på variabel vind. Plateanemometre har blitt brukt til å utløse høyvindalarmer på broer.

Røranemometre

Røranemometer oppfunnet av William Henry Dines. Den bevegelige delen (høyre) er montert på den faste delen (venstre).
Instrumenter ved Mount Washington Observatory . Pitotrørets statiske vindmåler er til høyre.
Det spisse hodet er pitotporten. De små hullene er koblet til den statiske porten.

James Linds anemometer fra 1775 besto av et glass U -rør som inneholdt et flytende manometer (trykkmåler), med den ene enden bøyd i horisontal retning for å vende mot vinden og den andre vertikale enden forblir parallell med vindstrømmen. Selv om Lind ikke var den første, var den den mest praktiske og mest kjente vindmåleren av denne typen. Hvis vinden blåser inn i munnen på et rør, forårsaker det et trykkøkning på den ene siden av manometeret. Vinden over den åpne enden av et vertikalt rør forårsaker liten endring i trykket på den andre siden av manometeret. Den resulterende høydeforskjellen i de to beina på U -røret er en indikasjon på vindhastigheten. Imidlertid krever en nøyaktig måling at vindhastigheten er direkte inn i den åpne enden av røret; små avvik fra vindens sanne retning forårsaker store variasjoner i avlesningen.

Det vellykkede metalltrykksrøranemometeret til William Henry Dines i 1892 utnyttet samme trykkforskjell mellom den åpne munnen på et rett rør som vender mot vinden og en ring med små hull i et vertikalt rør som er lukket i den øvre enden. Begge er montert i samme høyde. Trykkforskjellene som handlingen er avhengig av er svært små, og det kreves spesielle midler for å registrere dem. Opptakeren består av en flyter i et forseglet kammer som er delvis fylt med vann. Røret fra det rette røret er koblet til toppen av det forseglede kammeret, og røret fra de små rørene ledes inn i bunnen inne i flottøren. Siden trykkforskjellen bestemmer flottørens vertikale posisjon, er dette et mål på vindhastigheten.

Den store fordelen med røranemometeret ligger i det faktum at den eksponerte delen kan monteres på en høy stolpe, og krever ingen oljing eller oppmerksomhet i årevis; og registreringsdelen kan plasseres i en hvilken som helst praktisk posisjon. To tilkoblingsrør kreves. Det kan se ut ved første øyekast som om en forbindelse ville fungere, men forskjellene i trykk som disse instrumentene er avhengige av er så små at trykket i luften i rommet der innspillingsdelen er plassert må vurderes. Så hvis instrumentet er avhengig av trykket eller sugeeffekten alene, og dette trykket eller suget måles mot lufttrykket i et vanlig rom, der dørene og vinduene lukkes forsiktig og en avis deretter brennes opp i skorsteinen, vil en effekt kan produseres lik en vind på 16 km/t (10 mi/t); og åpning av et vindu i uvær, eller åpning av en dør, kan fullstendig endre registreringen.

Mens Dines -vindmåleren hadde en feil på bare 1% ved 16 km/t, reagerte den ikke veldig godt på lav vind på grunn av dårlig respons fra flatskivebladet som var nødvendig for å snu hodet i vinden. I 1918 overvunnet en aerodynamisk ving med åtte ganger dreiemomentet til den flate platen dette problemet.

Pitotrør statiske vindmålere

Moderne røranemometre bruker det samme prinsippet som i Dines anemometer, men bruker et annet design. Implementeringen bruker et pitot-statisk rør som er et pitotrør med to porter, pitot og statisk, som vanligvis brukes til å måle flyets hastighet. Pitotporten måler det dynamiske trykket i den åpne munnen på et rør med spiss hode mot vind, og den statiske porten måler det statiske trykket fra små hull langs siden på det røret. Pitotrøret er koblet til en hale slik at det alltid får rørets hode til å vende mot vinden. I tillegg blir røret oppvarmet for å forhindre dannelse av is på røret. Det er to linjer fra røret ned til enhetene for å måle forskjellen i trykk på de to linjene. Måleenhetene kan være manometre , trykktransdusere eller analoge kartopptakere .

Effekt av tetthet på målinger

I røranemometeret måles det dynamiske trykket faktisk, selv om skalaen vanligvis er gradert som en hastighetsskala. Hvis den faktiske lufttettheten er forskjellig fra kalibreringsverdien, på grunn av forskjellig temperatur, høyde eller barometrisk trykk, er det nødvendig med en korreksjon for å få den faktiske vindhastigheten. Omtrent 1,5% (1,6% over 6000 fot) bør legges til hastigheten registrert av et røranemometer for hver 1000 fot (5% for hver kilometer) over havet.

Effekt av glasur

På flyplasser er det viktig å ha nøyaktige vinddata under alle forhold, inkludert nedbør. Anemometri er også nødvendig for å overvåke og kontrollere driften av vindturbiner, som i kalde miljøer er utsatt for isdannelse i skyen. Icing endrer aerodynamikken til et vindmåler og kan blokkere det helt fra drift. Derfor må vindmålere som brukes i disse applikasjonene varmes innvendig. Både koppanemometre og soniske vindmålere er for tiden tilgjengelige med oppvarmede versjoner.

Instrumentplassering

For at vindhastigheten skal være sammenlignbar fra sted til sted, må effekten av terrenget vurderes, spesielt med hensyn til høyde. Andre hensyn er tilstedeværelsen av trær, og både naturlige canyons og kunstige canyons (urbane bygninger). Standard vindmålerhøyde i åpent landlig terreng er 10 meter.

Se også

Merknader

Referanser

  • Meteorological Instruments, WE Knowles Middleton og Athelstan F. Spilhaus, tredje utgave revidert, University of Toronto Press, Toronto, 1953
  • Oppfinnelse av de meteorologiske instrumentene, WE Knowles Middleton, Johns Hopkins Press, Baltimore, 1969

Eksterne linker