Thies Clima

The world of weather data

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.