Ultraschall-Doppler-Anemometer

Animation eines Schalensternanemometers

Geräte zur Messung der Windgeschwindigkeit werden gemeinhin als Anemometer (von griechisch anemos (ἄνεμος) = Wind) oder Windmesser bezeichnet. Allerdings hat sich der Begriff Anemometer inzwischen auch als Bezeichnung für alle Instrumente zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen eingebürgert.

International standardisiert wird die Windgeschwindigkeit zum meteorologischen Datenaustausch in der bodennahen Grenzschicht in 10 Meter Höhe gemessen, da die Windgeschwindigkeit am Boden lokal sehr unterschiedlich sein kann. Ansonsten wird sie in der Höhe gemessen, in der die Messdaten zur Windgeschwindigkeit gebraucht werden. Dies kann zum Beispiel an verschiedenen Höhenmesspunkten relativ zur Rotor-Höhe einer geplanten Windkraftanlage sein, für die man ein Standortgutachten vom Jahresmittel der vorhandenen Windenergie erstellen will. Andererseits gibt es für das Anemometer noch sehr viele andere Anwendungen, wie insbesondere in der Seefahrt und in der Luftfahrt, aber auch im Bergbau, wo dieses Messinstrument zur Messung des zur Ventilation benötigten Luftstroms eine sehr elementare Rolle spielt. Auch in der Heiz- und Lüftungstechnik werden Anemometer zur Bestimmung des Volumens der transportierten Luft oder Wasser verwendet. Die Bewegung jeder Flüssigkeit und jeden Gases wird mit einem Gerät gemessen, als dessen universeller Allgemeinbegriff die Bezeichnung Anemometer allgemein anerkannt und gebraucht wird.

Die Messung kann je nach Bauart beispielsweise durch mechanische Übersetzung des Winddruckes auf eine Anzeigevorrichtung, thermisch, etwa durch Windkühlung eines Hitzedrahts, akustisch und elektromechanisch, durch Messung von Ultraschallpulsen oder durch Messung des Volumenstroms, erfolgen. Ebenso kann die Windgeschwindigkeit auch über den Staudruck gemessen werden, den der Wind auf eine Rohröffnung ausübt. Dort bewegt dieser Druck eine in einem siphonartig gebogenen Rohr befindliche Flüssigkeit, an deren Pegelstand die Windstärke abgelesen werden kann.

Geschichte

• Das älteste bekannte Anemometer ist die Windplatte, die auch Platten-, Schwingplatten-, Druckplatten-, oder auch Deflektionsplatten-Anemometer genannt wird. Dieses Instrument wurde vermutlich 1450 von dem italienischen Architekten Leon Battista Alberti erfunden und danach von Leonardo da Vinci um 1500 in einer Skizze nach eigener Bauweise beschrieben.

• Im Jahr 1667 erwähnt die Königliche Gesellschaft in London erneut ein Schwingplatten-Anemometer. Die Wiedererfindung wird Robert Hooke zugeschrieben. Sir Robert Hooke und Sir Christopher Wren hatten ein gemeinsames Interesse an der Meteorologie, beide starteten sehr früh mit ihren Entdeckungen und entwickelten im Alter von 15 Jahren den ersten Thermographen. 1663 wurde die Apparatur mit einem Niederschlags- und Windmesser erweitert. Zwischen 1672 und 1678 hat Hooke einem von ihm entwickelten kombiniertem Wetteraufzeichnungsgerät ein erstes Flügelrad-Anemometer ^[1] hinzugefügt. Eine Beschreibung davon wurde 1726 im Weather Wiser veröffentlicht. Nach Fertigstellung seines Wetteraufzeichnungsgerätes arbeitete er an der Weiterentwicklung des Flügelanemometers und stellte 1683 ein tragbares Gerät vor, welches die Anzahl der Umdrehungen anzeigen und den Anstellwinkel der Flügel zum Wind verändern konnte.

• Nach einer weiteren Variante des Flügelrad-Anemometers durch Christian Wolf im Jahr 1743 hat Wolltmann 1790 ein Wasserströmungsmesser mit Flügelrad erfunden. Das Instrument verfügte über zwei Flügel und einen Umdrehungszähler. Man sagt Wolltmann nach, er habe vorgeschlagen, dieses als Anemometer zu verwenden.

• 1837 wurde von dem Chefingenieur einer französischen Mine Charles Combes ein von Wolltmanns Wasserströmungsmesser abgeleitetes Anemometer gebaut. Dieses hatte einen Schutzreifen um das Flügelrad und ebenfalls ein Rotations-Zählwerk. Zwischen 1845 und 1862 wurde das Messgerät um einen Schalter erweitert, mit dem das Zählwerk ein- und ausgekoppelt werden konnte. Diese Apparatur wurde später noch um eine Rückstellmöglichkeit erweitert, mit der der Zähler des Zählwerkes auf Null gestellt werden konnte. Dieses Anemometer konnte für Windstärken von 0,4 bis 5 m/s eingesetzt werden, so wie es in der Minenbelüftung erforderlich war..

• Ein Anemometer mit rotierendem Repeller – wie bei einer Windturbine mit horizontal liegender Rotationsachse – wurde auch von Benjamin Biram entwickelt. Er patentierte damit um 1842 erstmals ein Anemometer mit rotierenden Flügeln. Man verwendete diese Anemometer damals, um den Atemluftstrom zu messen, mit dem Minen und Bergwerke in England ventiliert wurden. Diese Messgeräte werden auch nach Benjamin Biram als Biram's Anemometer bezeichnet, und sie wurden dann seit 1845 von John Davis in Derby für Messungen in Minen und Gebäuden hergestellt.

• Ab ca. 1862 wurde Auch Birhams Anemometer mit einem umlaufenden Schutzring versehen und von Casarelli erstmals hergestellt.

• Von L.Casella of London wurde dann um ca. 1870 ein Anemometer entwickelt, um die Lüftung in einem Krankenhaus zu messen. Dieses Instrument konnte nun schon Strömungen von 0,27 bis 50 m/s messen.

• Eine andere Messmethode mit einem Staudruckrohr wird nach James Lind als Lind's Anemometer bezeichnet.

• Das erste manometrische Anemometer, um ein solches handelt es sich bei dem Lind'schen Anemometer, wurde 1721 von Pierre Daniel Huet, Bischof von Avranches in der Normandie, Frankreich, beschrieben. Der Apparat bestand aus einem mit Quecksilber gefüllten 'U'-Rohr. Das eine Ende des Rohres wurde um 90 Grad abgewinkelt und mit der Öffnung zum Wind ausgerichtet. Der Unterschied der Quecksilber Höhen im U-Rohr ist zum Winddruck und folglich zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit proportional.

• Der englische Pastor Stephen Hales beschrieb 1743 eine ähnliche Vorrichtung. Dieser Apparat wurde mit Wasser gefüllt und war so für niedrigere Windgeschwindigkeiten empfindlicher.

• 1775 beschrieb dann Lind in seinem Werk Description and use of a portable windgauge ein Druckrohr-Anemometer, welches das erste praktische Instrument seiner Art war.

• 1846 wurde dann vom Astronomen Thomas Robinson durch ein neu von ihm entwickeltes Anemometer mit Halbkugelschalen die Windstärke gemessen. Diese Konstruktion hatte zunächst nur zwei solcher Schalen, später wurde dann zwecks gleichmäßigerer Drehkraft ein weiteres Schalenpaar überkreuz dazu angeordnet. Dieses Anemometer ist als Schalen- oder Schalenstern-Anemometer noch heute im Gebrauch und wird vielerorts für meteorologische Messungen noch verwendet. Es dürfte wohl auch die bekannteste Bauform eines Anemometers sein.

Einsatzbereiche

• Fest montierte Geräte messen im Regelfall die Windrichtung mittels eines zusätzlichen Windrichtungsgebers, einer leichten Fläche, die sich wie eine Windfahne oder ein Wetterhahn in den Wind dreht. Zur Messung und Erfassung von Windverhältnissen wird auch ein Windschreiber eingesetzt, der die unterschiedlichen Windrichtungen früher in alten Modellen mit einem Schreibgerät auf einer sich per Uhrwerk absenkenden papierbespannten Trommel aufzeichnete. Die Bewegungen der Wetterfahne wurden dann als Ausschwenkungen eines Schreibstiftes auf Papier sichtbar, und weil sich die Trommel abwärts bewegte, wurde so auf dem Papier ein Zick-Zack-Muster aufgezeichnet, anhand dessen sich die Windrichtungen über einen bestimmten Zeitraum hinweg aufzeichnen ließen. Heutzutage funktionieren Windschreiber elektronisch, die Daten werden auf einem elektronischen Speicher festgehalten oder werden direkt auf einen Computer übertragen, wo sie gespeichert und ausgewertet werden können. Das dient dann beispielsweise der Erstellung einer Statistik zum Jahresmittel eines Standortes, an dem man eine Windkraftanlage aufstellen will und wo man vorher die Messdaten der Windverhältnisse zur Berechnung der technischen Auslegung der Anlage, sowie des zu erwartenden Energieertrages benötigt. Speziell anwendungsorientierte Anemometerkonstruktionen gibt es für Segelboote, in der Nautik und im Flugwesen. Für automatische, ortsfeste Wetterstationen gibt es preiswerte fertige Systeme, aber auch aufwendige professionelle Versionen, deren Messwerte über Datenleitung oder Funk-Telemetrie auf einen PC oder direkt auf ein Display geleitet werden.

• In der Luftfahrt lassen sich Richtung und Stärke des Windes aus der Abdrift bestimmen, wenn die Eigengeschwindigkeit bekannt ist. Auf kleinen Flugplätzen verwendet man außer Anemometern einen Windsack für die Messung der Windrichtung, wie er z.B. auch auf Autobahn-Brücken üblich ist. Auf größeren Flughäfen werden meist von mehreren Messpunkten aus die Daten der Windmessung einschließlich der Windrichtung digital zur Flugüberwachung übertragen, wo sie dann ausgewertet werden. Über Sprechfunk kann der Pilot die Winddaten und meist auch Prognosen vom Fluglotsen erfragen. Auf der Strecke werden die Windverhältnisse für mehrere Flugflächen eines jeden Gebietes vorausberechnet, um die Flugplanung zu erleichtern.

• Auch bei Geräten für die Geschwindigkeitsmessung von Luftströmungen oder Strömungen von Gasgemischen in technischen Anlagen wird die Bezeichnung Anemometer verwendet.

• In der Heizungs und Lüftungstechnik bedient man sich ebenfalls der Anemometer als Messinstrument zur Anzeige des Volumenstromes der Luft in Kubik.

Windplatte

Modell einer Windplatte.Windgeschwindigkeit kann an einer Skala abgelesen werden.

Zwei bekannte Ausführungen: Schwingplatte und Deflektionsplatte.

• Schwingplatten-Anemometer: Rechtwinkelige Platte, die an ihrer oberen Kante drehbar gelagert ist. Je nach Windgeschwindigkeit wird die Platte mehr oder weniger aus ihrer senkrechten Lage bewegt. An einer Skala hinter der Platte kann über den Winkel derselben die Windstärke abgelesen werden. ^[2]

• Deflektionsplatten-Anemometer, auch Druckplatten-Anemometer genannt: Hier steht eine Platte flächig frontal gegen den Wind und wird von diesem ohne Veränderung des Neigungswinkels auf einer Gleitschiene linear zur Windrichtung verschoben. Ein Zugseil, welches über eine Lenkrolle mit einem Gewicht straff gehalten wird, bewegt einen Zeiger über eine ablesbare Skala.^[3]

Diese einfachen Messvorrichtungen können nur ungenau die Windgeschwindigkeit anzeigen, teils dadurch bedingt, dass es in der Natur des Windes liegt, selten gleichmäßig zu strömen, teils dadurch, dass bei der Reaktion der Windplatte ein Massenträgheitsmoment ein sofortiges Ansprechen verhindert. Zudem pendelt oder schwingt die Platte eigenen Gesetzen der Schwerkraft oder des Rückfederns – je nach Bauweise – gehorchend und zeigt dann abweichende Ergebnisse an.

Flügelrad-Anemometer

Modell eines Flügelrad-Anemometers (ohne Anzeigevorrichtung).

• Der Wind versetzt das Flügelrad in Bewegung und eine Anzeigevorrichtung gibt über die Umdrehungsgeschwindigkeit des Flügelrades die Windgeschwindigkeit wieder. Bei sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten ist die Messung wegen der notwendigen Überwindung des Anlaufwiderstandes, der auch bei relativ niedrigen Reibungswiderständen im Drehlager des Flügelrades noch vorhanden ist, etwas ungenau. Bei modernen handgehaltenen Instrumenten ist das Flügelrad sehr winzig und die Lagerreibung sehr gering. Zudem muß dort nicht, wie bei historischen Flügelradanemometern, auch noch der mechanische Messmechanismus mit der Drehkraft des Flügelrades betrieben werden, weil diese Geräte digital mit einer Lichtschranke arbeiten, die von den Flügeln des Flügelrades durchlaufen wird. So können moderne Flügelradanemometer weit messgenauer arbeiten als ihre historischen Vorläufer.

• Die modernen Flügelrad-Anemometer sind meist kleine handliche Geräte für den mobilen Betrieb, größere, stationäre Flügelräder mit Wetterfahne zur Nachführung desselben in die Windrichtung werden an manchen Wetterstationen noch eingesetzt, zum Beispiel auf der Zugspitze, sonst stationär im allgemeinen nur forschungsbedingt zum Messen schwacher Strömungen in Windkanälen. Die Stärken solcher Anemometer liegen im Messbereich solcher Strömungen.

• Handgeräte sieht man im Einsatz beim Flug- und dem Segelsport, im privaten Gebrauch, aber auch im professionellen Einsatz unter anderem in der Lüftungs- und Heizungstechnik.

Staudruckanemometer

• Dieses Anemometer ist ein manometrisches Messinstrument. Wird eine auf dem Kopf stehende heberförmige und Wasser enthaltende Röhre mit umgebogenem Schenkel dem Wind entgegengehalten, so staut sich die Luft über dem Wasser an und drückt dieses auf der am anderen Rohrausgang gelegenen Seite etwas in die Höhe. Jedes Kilogramm Winddruck auf einen Quadratmeter Fläche bringt einen Überdruck von fast genau einem Millimeter Wasserhöhe hervor. Diese Variante des Staudruckanemometers nennt man Lind'sche Röhre. Biegt man den Schenkel nicht um, sondern stellt ihn senkrecht parallel zur Heberform in die Höhe, so erzeugt flach über die Öffnung dieses Rohrstückes vorbeistreichender Wind einen Sog, so dass das Wasser nun auf dieser Seite der U Form ansteigt. Das ist die Magius'sche Röhre. Man kann den wiederum abgebogenen Schenkel der dann Lind'schen Röhre auch mit der Öffnung zur Leeseite des Windes stellen, dann ist die Saugwirkung noch stärker und das Wasser hebt sich deutlich stärker an. Alle Wirkungen hängen linear mit der Windstärke zusammen, so dass am Wasserstand in der Röhre die Windstärke abgelesen werden kann. Bei stationären Einrichtungen muss ein solches Instrument immer durch eine Windfahne zum Wind ausgerichtet werden. Ein Nachteil, der mit dieser Bauweise verbunden ist, besteht in der relativen Unempfindlichkeit des Gerätes bei Messungen von schwachen Luftströmungen.

Schalensternanemometer

• Das verbreitetste Bauprinzip ist das Schalensternanemometer. Dieses erfasst die Windgeschwindigkeit, indem ein mit horizontaler Drehkreisebene und senkrecht stehender Rotationsachse auf einem Mast montiertes Windrad aus mindestens zwei, meist jedoch drei oder vier halbkugelartigen Schalen vom Wind angetrieben wird. Vorteile des Schalensternanemometers sind die einfache Bauweise, die relative Wartungsfreiheit und der robuste mechanische Aufbau; zudem arbeitet das System ohne Windrichtungsführung, und es ist keine aufwendige Messtechnik nötig, da unmittelbar entweder durch optische oder elektromagnetische Impulsgebung ein Signal erzeugt wird. Ältere Modelle hatten noch eine mechanisch funktionierende Anzeige der Umdrehungszahlen über ein Uhrwerk. Nur die Windstärke bedingt die Geschwindigkeit der Rotation des Schalensterns und kann durch letztere ermittelt werden. Meist hat man die Geschwindigkeit im Mittelpunkt einer Kugelschale mit 2,5 (früher wurde 3 angenommen) zu multiplizieren, um die Windgeschwindigkeit zu erhalten.
• Der wesentliche Vorzug eines Schalensterns im Vergleich mit dem Flügelrad besteht darin, dass die Windrichtung keinen Einfluss hat. Das Flügelrad muss stets durch eine Windfahne oder bei Handgeräten manuell so gestellt werden, dass der Wind senkrecht zur Rotordrehkreisebene (Fläche des Windrades) steht.
• Nachteile sind die Trägheit des Schalensterns sowohl beim Anlaufen als auch beim Auslaufen nach starken Böen und die Tatsache, dass nur die horizontale Windkomponente erfasst wird.
• Preiswerte Handgeräte sprechen ab einer Windgeschwindigkeit von etwa 1 m/s (entspricht 3,6 km/h) an, teurere schon bei geringeren Geschwindigkeiten.

Ultraschallanemometer

Ultraschallanemometer.

• Ein Ultraschallanemometer besteht meist aus vier, an den Ecken eines (virtuellen, also offenen) Tetraeders platzierten, Ultraschallsendern/-empfängern. Dieses ebenfalls auf einem Mast montierte Gerät sendet von jedem der vier Sensoren Ultraschallwellen an die drei anderen Sensoren aus, wobei der Wind die Schallwellen sowohl horizontal als auch vertikal versetzt, so dass der Schall entsprechend zeitverzögert den nächsten Sensor erreicht. Aus dieser Verzögerung berechnet die Messelektronik die horizontale und vertikale Windgeschwindigkeit. Vorteile des Ultraschallanemometers sind die höhere Genauigkeit, das Fehlen von Trägheit im System und die zusätzliche Erfassung der vertikalen Windkomponente. 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 Messergebnis durch Subtraktion der Reziproken der gemessenen Laufzeiten ausgeschaltet werden.
• Die Messrate hängt von der Schalllaufzeit auf den Messstrecken ab. Bei drei Messstrecken von je 20 Zentimeter Länge, die nacheinander jeweils in beide Richtungen gemessen werden, beträgt die gesamte Schalllaufzeit rund fünf Millisekunden. Somit sind bis zu 200 Messzyklen pro Sekunde möglich.
• Ein für meteorologische Messungen entwickeltes System ist das SODAR, mit dem man vertikale Messungen durchführen kann und bei dem sich Sender und Empfänger auf derselben Ebene befinden.

• Das Ultraschallanemometer wurde 1996 von Vladimir Agueev et al. erfunden^[4].

• Das Prinzip zur Messung von Luftströmungen durch Laufzeitmessungen von Ultraschallsignalen ist bereits erheblich länger bekannt und die o.g. Patentschrift ist sicherlich nicht die erste mit dem Inhalt eines Ultraschallanemometers.
• Das US-Patent "ULTRASONIC ANEMOMETER" US3693433 vom 26. September 1972 der Japaner KOBORI YASUHIRO und MORITA YUKIJI beschreibt bereits bestimmte Verfahren zur Messung der Signal-Laufzeiten.
• Vermutlich wurden die ersten Versuche zum Prinzip der Ultraschall-Anemometrie bereits in den 40er Jahren im Rahmen der Entwicklung von U-Boot Sonar-Ortungssystemen durchgeführt. Patentschrift US3693433, 26. September 1972

Weitere Prinzipien

Nach der Bauart und dem Messprinzip unterscheidet man neben den oben schon erwähnten Anemometern:^[5]

• Hitzdrahtanemometer

In diesem Fall wird ein Heizdraht erwärmt und mit Wind umströmt. So wird dem Draht Wärme entzogen und mit damit verbundenen Wärmeverlust kann auf die Windgeschwindigkeit geschlossen werden.

• Laser-Doppler-Anemometer
• Phasen-Doppler-Anemometer
• Particle Image Velocimetry
• Surface Pattern Image Velocimetry
• Windschreiber

Mechanische Aufzeichnung der Windrichtung und Windgeschwindigkeit.

• Akustische Anemometer

Dieses Gerät basiert auf einem Ultraschallimpuls, dessen Laufzeit zwischen Sender und Empfänger gemessen wird. Je nach Windgeschwindigkeit nimmt der Impuls dabei unterschiedliche Laufzeiten in Anspruch.

Die verschiedenen hier aufgeführten technischen Versionen unterscheiden sich im anwendbaren Messbereich, in der Größe des beobachtbaren Messvolumens, in der Trägheit (zeitaufgelöste Messungen), in der Richtungsabhängigkeit, in der Genauigkeit sowie im Preis.

Das virtuelle Anemometer nach phänomenologischen Kriterien auf der Beaufortskala

Nicht zuletzt gibt es auch die Möglichkeit, anhand eines virtuellen Anemometers, der Beaufortskala, die Windstärke von Bewegungsveränderungen in der Natur, wie Wolken, Rauch, sich bewegende Gräser, aufwirbelnder Staub, Wellenbildung auf dem Meer und das Schwanken von Ästen oder Bäumen relativ genau abzulesen. Dazu gibt es eine Tabelle, die sogenannte Beaufortskala nach phänomenologischen Kriterien. Menschen, die viel Zeit in der Natur verbracht haben wie Seeleute, Bauern, Hirten und dergleichen, benötigen nicht einmal eine solche Skala.

Quellen

1. ↑ Historische Anemometer
2. ↑ http://www.learnline.de/angebote/sinus/projektnw/materialpool/sonne_wetter/material/Wettermessgeraete.doc
3. ↑ [http://www.geag.de/txt_geschichte1.htm Historische Anemometer
4. ↑ Vladimir Agueev, Bernhard Puttke, Stanislav Rastopov: Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien mittels Ultraschall sowie zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Messgerät, Patentschrift DE 19617961 C2, 6. Mai 1996
5. ↑ http://e-collection.ethbib.ethz.ch/ecol-pool/semarb/semarb_45.pdf

Siehe auch

• Strömungsmesstechnik
• Windrichtungsnachführung
• Windrichtungsgeber
• Navigation

Weblinks

• Beschreibung der Entwicklung und des Aufbaus eines Ultraschall-Anemometers
• Einfache Bauanleitung für ein digitales Kreuzschalenanemometer
• Eigenes Schalenanemometer bauen und mit µController Daten loggen, anzeigen oder ins Netz stellen