DE4000526A1 - Ultraschall-anemometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Anemometer nach dem

Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind Ultraschall-Anemometer mit Ultraschall-Meßstrecken bekannt, bei denen zwei im Abstand zueinander gerichtete Schallgeber und Schallempfänger vorgesehen sind. Die in Verbindungsrichtung von Schallgeber und Schallempfänger verlaufende Windrichtungskomponente ändert je nach Wind­ stärke die Laufzeit der Ultraschallimpulse zwischen Schall­ geber und Schallempfänger. Durch drei verschieden orientierte Meßstrecken läßt sich auf diese Weise der drei-dimensionale Windvektor festlegen.

Ein grundsätzliches Problem bei diesen Meßverfahren ist, daß die Schallgeber bzw. -empfänger selbst einen Störkörper in der zu messenden Strömung darstellen. Es wurde daher versucht, Schallgeber und -empfänger so klein wie möglich auszubilden. Es verbleiben jedoch die Störungen durch die erforderlichen Halter, insbesondere wenn der drei-dimensionale Windvektor erfaßt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall- Anemometer der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß eine Störung der Meßgröße durch das Meßgerät so weit wie möglich vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Nach der Erfindung ist ein Ultraschall-Anemometer mit wenig­ stens einer Ultraschall-Meßstrecke vorgesehen, bei dem die Änderung der Schall-Laufzeit in Verbindungsrichtung von Schallgeber und Schallempfänger zur Feststellung der Wind­ richtungskomponente auswertbar ist. Erfindungsgemäß sind Schallgeber bzw. Schallempfänger gegenüberliegend in Aus­ nehmungen von zwei horizontal übereinanderliegenden im Ab­ stand angeordneten ringförmigen Haltern aufgenommen. Diese Halter weisen vorzugsweise ein aerodynamisch geformtes Pro­ fil auf, so daß Turbulenzen an den Haltern weitestgehend vermieden werden.

Durch die ringförmige Anordnung der Halter ist gewährleistet, daß Restturbulenzen unabhängig von der Windrichtung sind. Dies ist insbesondere für Turbulenzmessungen von Bedeutung, bei denen zeitliche Änderungen der Meßgröße möglichst unver­ fälscht erfaßt werden müssen. Eine konstante Beeinflussung des Mittelwertes ist dabei im wesentlichen ohne Bedeutung.

Die Ausführungsform nach Anspruch 2 der Erfindung verursacht die geringsten Störungen, jedoch ist es hierbei erforderlich, sämtliche Windrichtungskomponenten aus der geometrischen Addition der Windrichtungskomponenten der verschiedenen Meß­ strecken zu ermitteln, insbesondere auch die vertikale Wind­ richtungskomponente, die in der Praxis in der Regel sehr klein ist. Diese Ausführungsform hat jedoch den besonderen Vorteil, daß keine, die Kreissymmetrie verletzende Halterung vorhanden ist, und Regentropfen von den Ringoberflächen besser abfließen, da alle Oberflächen geneigt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Anemometers,

Fig. 2 eine Seitenansicht in anderer Orientierung,

Fig. 3 eine Aufsicht und

Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Ringes.

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen An­ ordnung. Es sind zwei vertikal übereinander im Abstand an­ geordnete Ringe 1, 2 vorgesehen, deren Ringebene jeweils horizontal ausgerichtet ist. Der Durchmesser der Ringe be­ trägt beispielsweise 300 mm.

Der untere Ring 2 weist drei um 120° versetzte Stützen 4 auf, die in einem Mast 5 zusammenlaufen. Oberer und unterer Ring sind durch drei Verbindungsstreben 3 miteinander verbun­ den. Die Streben sind hohl ausgebildet und dienen gleichzei­ tig als Kabelkanal. Die Streben 3 sind gegenüber den Stützen 4 um 30° versetzt angeordnet.

Die zur Verbindung des oberen und unteren Ringes vorgesehenen Vertikalstreben gehen vorzugsweise von der Oberseite des oberen Ringes 1 über einen 180° Bogen nach außen in die vertikal ge­ richteten Hauptteile der Streben über, und verlaufen am un­ teren Ende ebenfalls um einen 180° Bogen auf die Unterseite des unteren Ringes 2. Damit sind die Streben 3 soweit wie mög­ lich aus dem Einflußbereich der Meßrichtungen 6 herausgenommen.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in Seitenansicht, jedoch um 30° gegenüber der Ansicht von Fig. 1 gedreht, wo­ bei die Ringe im Schnitt dargestellt sind.

Es sind zwei Sensoren 7, 8 gezeigt, die als Ultraschallgeber bzw. Ultraschallempfänger ausgebildet und gegeneinander ge­ richtet sind. Die auf diese Weise gebildete Meßstrecke ist mit der Ziffer 6 bezeichnet. Die dargestellte Meßstrecke ver­ läuft in diesem Fall um 45° gegenüber der Vertikalen versetzt. Es sind zwei weitere Meßstrecken vorgesehen, die ebenfalls um 45° gegenüber der Vertikalen geneigt sind und die untereinander um 120° in Azimutrichtung versetzt angeordnet sind.

In alternativer Ausführungsform können auch zwei um 90° in Azimutrichtung gegeneinander und um 45° gegen die Vertikale geneigte Meßstrecken vorgesehen sein, wobei zusätzlich eine vertikale Meßstrecke vorgesehen ist, die z. B . zwischen zwei Diagonalstreben des oberen und unteren Rings angeordnet sein kann. Es sind andere geometrische Ausbildungen der Meßstrek­ ken je nach Anwendungsfall möglich. Die beiden Ringe 1, 2 können auch nebeneinander jeweils vertikal ausgerichtet sein. Es wird jedoch die übereinanderliegende horizontalliegende Ausführungsform bevorzugt, da hierbei die Einflüsse von Wit­ terungsverhältnisse die geringsten Restfehler verursachen.

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße Anord­ nung. Es sind die Vertikalstreben 3 dargestellt, die um 120° gegeneinander versetzt sind. Gegenüber den Vertikalstreben 3 sind die Stützen 4 um 30° versetzt angeordnet. Die Meßstrec­ ken 6 verlaufen um 60° gegenüber den Stützen 4 und um 30° gegenüber den Vertikalstreben 3 versetzt. Durch diese Aus­ bildung werden die Störeinflüsse der Stützen und Vertikal­ streben auf die Meßstrecken minimiert.

Zur Ermittlung des Windvektors werden die Laufzeitänderungen des zwischen den Sensoren 7 und 8 verlaufenden Ultraschalls ausgewertet. Die geometrische Verknüpfung der Meßstrecken der verschiedenen Ausrichtungen erlaubt die Feststellung des drei­ dimensionalen Windvektors.

Die durch die Ringe zur Aufnahme von Schallgeber und -em­ pfänger verursachte Ablenkung und Beeinflussung der Strömung ist unabhängig von der Windrichtung, soweit von der verti­ kalen Windkomponente abgesehen wird. Dies ist insbesondere für Turbulenzmessungen von Bedeutung, bei denen zeitliche Änderungen der Meßgrößen möglichst unverfälscht erfaßt werden müssen. Eine konstante Beeinflussung des Mittelwertes ist da­ bei nicht von Bedeutung.

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch den unteren Ring 2. Das Querschnittsprofil ist im wesentlichen als in horizontaler Richtung verlaufendes aerodynamisches symme­ trisches Tragflügelprofil ausgebildet. Ein derartiges Pro­ fil verursacht die geringstmögliche Störung der Strömungs­ verhältnisse. Gleichzeitig können Regentropfen von der Ober­ fläche des Profils gut abfließen.

Der Ring 2 besteht vorzugsweise aus zwei Halbringen 9, 10, die aufeinander gesetzt sind. Im Inneren des Ringes ist ein umlaufender Kabelkanal 11 zur elektrischen Verbindung der Sensoren ausgebildet. Um 45° gegenüber der Symmetrieachse des Ringes geneigt ist eine sacklochförmige Ausnehmung 12 vorgesehen, in die der Sensor, nämlich Schallgeber bzw. Schallempfänger, einsetzbar ist. Die Oberfläche des Sensors schließt so weit wie möglich bündig mit der Oberfläche des Ringes ab, so daß die Strömungsstörungen im wesentlichen ver­ nachlässigbar sind. Allerdings sollte nach Einsetzen des Sen­ sors in die Ausnehmung 12 keine Vertiefung mehr vorhanden sein, um kein Ansammeln von Wasser zu ermöglichen. Alternativ kann ein Abflußloch vorhanden sein. Der Ring 1 ist entsprechend aus­ gebildet.

Zur Vermeidung von Störungen sind auch die Vertikalstreben 3 vorzugsweise ebenfalls als aerodynamisches Profil ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist einen Meßbereich der Windgeschwindigkeit von beispielsweise 0-30 m/s über 360° auf, wobei eine Auflösung der Windgeschwindigkeit von 0,05 m/s möglich ist. Durch eine geeignete Datenverarbeitungsanlage können beispielsweise Mittelwerte über unterschiedliche Zeit­ räume ermittelt werden und weitere meteorologische Meßgrößen erfaßt werden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß an den Ringen Temperaturfühler vorhanden sind, die beispielsweise zur genauen Erfassung der Umgebungstemperatur dienen, an­ dererseits es jedoch auch erlauben, Vereisungen festzustel­ len, um bei Minus-Temperaturen eine Enteisungseinrichtung einzuschalten.

Bezugszeichenliste

 1 oberer Ring
 2 unterer Ring
 3 Verbindungsstrebe
 4 Stütze
 5 Mast
 6 Meßrichtung
 7 Sensor
 8 Sensor
 9 Halbring
10 Halbring
11 Kabelkanal
12 Ausnehmung
13 Schallstrahlrichtung

Claims (10)

1. Ultraschall-Anemometer mit wenigstens einer Ultraschall- Meßstrecke, bestehend aus im Abstand zueinander gerichte­ tem Schallgeber und Schallempfänger, wobei die Änderung der Schall-Laufzeit in Verbindungsrichtung von Schallgeber und Schallempfänger zur Feststellung der Windrichtungskom­ ponente auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Schall­ geber und Schallempfänger (7, 8) gegenüberliegend in Aus­ nehmungen (12) von zwei horizontal übereinanderliegenden im Abstand angeordneten ringförmigen Haltern (1, 2) auf­ genommen sind.

2. Ultraschall-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß drei Meßstrecken mit je einem Paar von Schallgebern/-empfängern vorgesehen sind, die um 45° ge­ genüber der Vertikalen und um 120° in Azimutrichtung ver­ setzt zueinander gerichtet sind.

3. Ultraschall-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Meßstrecken mit je einem Paar von Schallgebern/-empfängern vorgesehen sind, die um 45° gegenüber der Vertikalrichtung und um 90° in Azimutrich­ tung versetzt zueinander gerichtet sind.

4. Ultraschall-Anemometer nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine weitere Meßstrecke in Vertikalrich­ tung vorgesehen ist, wobei das Paar von Schallgeber/-em­ pfänger zwischen zwei Diagonalstreben der Ringe angeord­ net ist.

5. Ultraschall-Anemometer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Ringen nach außen weisenden Flächen der Schallgeber bzw. -empfänger im wesentlichen bündig mit der Oberfläche der Ringe abschließen.

6. Ultraschall-Anemometer nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil der Ringe als in horizontaler Richtung verlaufendes aerodyna­ misches symmetrisches Tragflügelprofil ausgebildet ist.

7. Ultraschall-Anemometer nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ringe aus zwei gleichen aufeinander ge­ setzten Halbprofilringen (9, 10) zusammengesetzt sind.

8. Ultraschall-Anemometer nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ringe durch wenigstens zwei Vertikalstreben (3) miteinander verbunden sind.

9. Ultraschall-Anemometer nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Querschnittsprofil der Vertikalstreben als symmetrisches Tragflügelprofil ausgebildet ist.

10. Ultraschall-Anemometer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalstreben (3) von der Ober­ seite des oberen Ringes ausgehend über einen 180° Bogen außerhalb der Ringe vertikal nach unten verlaufen und über einen weiteren 180° Bogen von der Unterseite her auf den unteren Ring geführt sind.