ES2883605T3 - Anemómetro ultrasónico y procedimiento para determinar al menos una componente de un vector de velocidad del viento o la velocidad del sonido en la atmósfera - Google Patents

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Abstract

Anemómetro ultrasónico (7) para determinar un vector de viento tridimensional o tanto un vector de viento tridimensional como también una velocidad del sonido con al menos un transductor de sonido (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) que trabaja al menos temporalmente como emisor con una superficie de emisión de sonido para emitir ondas sonoras y al menos un transductor de sonido (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) que trabaja al menos temporalmente como receptor con una superficie de detección de sonido para recibir al menos parcialmente las ondas sonoras emitidas y con una unidad de evaluación que, sobre la base de un tiempo de tránsito registrado, que necesitan las ondas sonoras en un recorrido de medición situado entre la superficie de emisión de sonido del al menos un emisor y la superficie de detección de sonido del al menos un receptor para cubrir este recorrido de medición, determina el vector de viento o el vector de viento y la velocidad del sonido, caracterizado por que los transductores de sonido (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) que trabajan al menos temporalmente como emisor y/o como receptor están dispuestos de tal manera que se proporcionan al menos un recorrido de medición sustancialmente perpendicular a la superficie de la tierra y al menos dos recorridos de medición inclinados respecto a esta, no orientados horizontalmente, en el que los tres recorridos de medición no están dispuestos de forma coplanar y los ejes del haz orientados perpendicularmente a la superficie de las superficies de emisión de sonido no coinciden con los ejes del al menos un recorrido de medición sustancialmente perpendicular a la superficie de la tierra y que la unidad de evaluación está configurada para determinar una componente de viento vertical del vector de viento usando un tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir el recorrido de medición perpendicular a la superficie de la tierra y una componente de viento horizontal del vector de viento usando un tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir los al menos dos recorridos de medición inclinados.

Description

DESCRIPCIÓN
Anemómetro ultrasónico y procedimiento para determinar al menos una componente de un vector de velocidad del viento o la velocidad del sonido en la atmósfera
La invención se refiere a un anemómetro ultrasónico para medir la velocidad de un viento en contra con al menos un emisor para emitir ondas sonoras y al menos un receptor para registrar al menos parcialmente las ondas sonoras emitidas y con una unidad de evaluación que, sobre la base de un tiempo de tránsito registro de las ondas sonoras, en un recorrido de medición situado entre el emisor y el receptor, determina el tamaño de al menos una componente del vector de viento y/o de la velocidad del sonido.
Se conocen diferentes instrumentos de medición con los que se realiza la medición local de la velocidad de un campo de flujo, en particular la velocidad del viento. Los anemómetros ultrasónicos son un tipo especial de equipos de medición del viento o los llamados anemómetros. Los anemómetros ultrasónicos conocidos desde hace mucho tiempo utilizan el principio de medir el tiempo de tránsito de las ondas sonoras entre el emisor y el receptor. En este caso se aprovecha que las ondas sonoras se arrastran por el medio en el que se propagan, de modo que el tiempo de tránsito de las señales en un recorrido de medición de longitud fija depende del flujo a través del recorrido de medición. Con ayuda de ondas sonoras de alta frecuencia o de gran ancho de banda, los tiempos de tránsito se pueden determinar de manera especialmente exacta, de modo que las ondas sonoras de alta frecuencia se utilizan preferentemente en recorridos de medición con distancia corta. Dado que la velocidad del sonido depende tanto de la temperatura del aire como también de la humedad, los tiempos de tránsito normalmente se determinan en ambas direcciones, es decir, bidireccionalmente. La llamada temperatura virtual también se puede calcular a partir de la suma de estos dos tiempos de tránsito.
Los anemómetros ultrasónicos conocidos disponen normalmente de varios recorridos de medición entre los emisores y receptores ultrasónicos individuales, a través de las que se mide la velocidad del sonido en diferentes direcciones espaciales. Una electrónica de medición calcula la velocidad del viento horizontal y vertical a partir de los valores medidos.
Para las mediciones de las tres componentes del viento, en particular para medir los valores medios correspondientes, y la velocidad del sonido, así como sus fluctuaciones turbulentas en la atmósfera, los anemómetros ultrasónicos se utilizan en distintos modos de realización, como se exponen en la directiva VDI 3786 hoja 12. Dependiendo de la realización del cabezal sensor se utilizan uno, dos o tres recorridos de medición. Estos se forman por transductores de sonido que sirven como emisores y receptores, que se sitúan en los extremos de los recorridos de medición y envían y/o reciben señales sonaras a lo largo de los recorridos de medición. Un criterio esencial para la disposición de los recorridos de medición y los transductores de sonido es la minimización de los errores de medición debidos a deformaciones del flujo o sombras de los propios transductores de sonido. El error que ocurre es el mayor cuando la dirección del flujo es paralela a un recorrido de medición y el menor cuando la dirección del flujo es perpendicular a el recorrido de medición.
En este contexto, se conoce un anemómetro ultrasónico por el documento DE 689 01 800 T2, con el que se registran y evalúan los tiempos de tránsito de las ondas sonoras en distintos recorridos de medición entre los transductores ultrasónicos individuales. El anemómetro ultrasónico descrito dispone de una disposición de transductores ultrasónicos emisores y receptores que están dispuestos de tal manera que definen al menos tres trayectorias de transmisión de ultrasonidos distintas en el aire. Además, está prevista una electrónica de medición de modo que, sobre la base de la medición de los tiempos de propagación de las ondas ultrasónicas a lo largo de las distintas trayectorias, se determinen tanto la dirección del viento como también la velocidad del viento, teniendo en cuenta los tiempos de propagación medidos.
Además, el documento US 5 343 744 A describe un anemómetro ultrasónico con transductores de sonido que están establecidos para emitir o recibir señales ultrasónicas. Sobre la base de los cambios en el tiempo de tránsito de las señales ultrasónicas en diferentes recorridos de medición, la velocidad del viento o sus diferentes componentes se determinan finalmente en un plano. De acuerdo con la solución técnica descrita, los transductores ultrasónicos están dispuestos inclinados de tal manera que los recorridos de medición que discurren entre los transductores de sonido no coincidan con los ejes de haz que son perpendiculares a la superficie de los transductores de sonido. Mediante la disposición inclinada de los transductores ultrasónicos se consigue que tres recorridos de medición se extiendan en un plano horizontal con la ayuda de tres transductores de sonido y, por lo tanto, el número de transductores ultrasónicos necesarios para una medición correspondiente se reduce en comparación con una disposición en la que los ejes de rayo de los transductores ultrasónicos coinciden con los ejes del recorrido de medición.
Además, por el documento US 3633415 A se conoce un dispositivo de medición para medir la velocidad de flujo de gases y líquidos en un plano.
En general, se utilizan dos tipos diferentes de disposiciones de recorrido de medición con los anemómetros ultrasónicos normalmente utilizados. En un primer tipo de cabezal sensor, un recorrido de medición es vertical y dos recorridos de medición están orientados horizontalmente. Por el contrario, con un segundo tipo de cabezal sensor, tres recorridos de medición están típicamente inclinados en un ángulo de 45° a 60° y sus ángulos de azimut relativos son de 120°.
La estructura habitual del anemómetro ultrasónico teniendo en cuenta el tiempo de tránsito se basa, por tanto, en la disposición de recorridos de propagación antiparalelos en los que se mide el tiempo de tránsito del sonido. Para ello, se requieren respectivamente transductores ultrasónicos en ambos extremos de cada recorrido de medición, que preferentemente funcionan alternativamente como emisor y como receptor. Normalmente se utilizan transductores de sonido recíprocos en la actualidad, que reúnen respectivamente en si la función de transmisión y recepción.
Un propósito frecuente en la determinación de las tres componentes del viento, en particular los valores medios correspondientes, y la velocidad del sonido, incluyendo las fluctuaciones turbulentas en la atmósfera, es la determinación de los flujos verticales denominados «de covarianza de remolinos (Eddy Covariance)» de mezclas de aire y energía, tal y como forman parte de programas de medición internacionales, como AmeriFlux, EUROFLUX y Mediflux. En particular, los flujos de calor, vapor de agua, dióxido de carbono y metano se supervisan de esta manera.
En tales mediciones existen requisitos de alta exactitud, ante todo para la medición de la componente del viento vertical. Los lugares de medición se eligen preferentemente de modo que el vector de viento en promedio está dirigido casi horizontalmente.
En este contexto, la disposición del transductor de sonido del primer tipo descrito anteriormente con un recorrido de medición vertical y dos horizontales, debido al recorrido de medición dispuesto verticalmente con un flujo casi horizontal entrega directamente la componente de viento vertical, que en estas condiciones se ve afectada por errores especialmente bajos debido a los efectos de sombreado. Una desventaja esencial de esta disposición es la orientación horizontal de los otros recorridos de medición. De este modo, el rango de dirección del viento utilizable es limitado, ya que los sectores con una dirección de flujo casi o completamente paralela al recorrido presentan un gran error de sombreado y dan como resultado una calidad correspondientemente más baja de las componentes del viento horizontal medidas. El recorrido vertical permite una alta exactitud de medición de la componente de viento vertical, pero una desventaja de esta orientación de recorrido es que el sensor inferior se moja por la lluvia o el rocío o, en el caso de los cabezales sensores calentados, por el agua de deshielo. Este efecto se explica por el hecho de que la conversión de vibraciones electromecánicas en vibraciones sonoras del aire se realiza a través de una superficie vibrante o una membrana, con lo que la energía sonora se irradia preferentemente perpendicular a la membrana. Por lo tanto, las membranas del recorrido de medición vertical están orientadas horizontalmente, lo que conduce a que las gotas de lluvia o rocío se acumulan en la membrana inferior y pueden conducir a una perturbación o incluso interrupción de la medición. Una situación similar se produce para el sensor superior, ya que, mediante la lluvia, el rocío o, en particular en el caso de los cabezales sensores calentados, el agua de deshielo se forman gotas que luego cuelgan en los transductores de sonido y cubren parcial o completamente su superficie.
Con una disposición de sensores correspondiente al segundo tipo con recorridos de medición inclinados se evitan las desventajas descritas anteriormente, de modo que los anemómetros ultrasónicos realizados apropiadamente se utilizan ampliamente en los programas de medición de covarianza de remolinos. Sin embargo, es una desventaja que la componente del viento vertical deba determinarse a partir de las mediciones a lo largo de los recorridos de medición inclinados. Por lo tanto, los efectos de sombreado en estos recorridos de medición influyen en la exactitud de la componente de viento vertical derivada. Investigaciones más recientes han demostrado que con los ángulos de inclinación utilizados, los efectos de sombreado dan como resultado una subestimación significativa de la componente del viento vertical y, por lo tanto, de los flujos de covarianza de remolinos. Además, es desventajoso para la exactitud de la componente vertical que esta deba determinarse indirectamente mediante combinación de las tres componentes inclinadas.
Partiendo de los equipos de medición del viento ultrasónicos conocidos, así como los requisitos y problemas explicados anteriormente, la invención tiene el objetivo de desarrollar un equipo de medición del viento ultrasónico con el que se mida y evalúe el tiempo de tránsito de las ondas sonoras, de tal forma que los problemas descritos anteriores se eviten de forma fiable y se implemente una determinación muy exacta de las componentes individuales del vector de viento, en particular la componente de viento vertical, y/o la velocidad del sonido. El anemómetro a especificar también debe poseer una estructura constructiva comparativamente simple. Al mismo tiempo, debe asegurarse que, dependiendo de los requisitos de medición respectivos, sea posible descartar en gran medida las perturbaciones de los transductores de sonido debido a las diferentes condiciones climáticas. Otra característica esencial debe consistir en que la electrónica de control sea relativamente fácil de implementar y, en conjunto, pueda estar disponible un equipo de medición del viento ultrasónico robusto, simple y económico de fabricar.
El objetivo anterior se consigue con un anemómetro ultrasónico de acuerdo con la reivindicación 1. Un procedimiento igualmente adecuado se especifica en la reivindicación 6 y con la reivindicación 10 se reivindica un uso preferente de un anemómetro realizado de acuerdo con la invención. Los perfeccionamientos ventajosos de la invención se especifican en las reivindicaciones dependientes y se explican con más detalle en la siguiente descripción con referencia parcial a las figuras.
La invención se refiere a un anemómetro ultrasónico para determinar un vector de viento tridimensional o tanto al menos un vector de viento tridimensional como también una velocidad del sonido con al menos un emisor con una superficie de emisión de sonido para emitir ondas sonoras y al menos un receptor con una superficie de detección de sonido para recibir al menos parcialmente las ondas sonoras emitidas y con una unidad de evaluación que, sobre la base de un tiempo de tránsito registrado, que necesitan las ondas sonoras en un recorrido de medición situado entre la superficie de emisión de sonido del al menos un emisor y la superficie de detección de sonido del al menos un receptor para cubrir este recorrido de medición, determina el vector de viento o el vector de viento y la velocidad del sonido. La solución técnica de acuerdo con la invención se destaca por que los transductores de sonido que trabajan al menos temporalmente como emisor y/o como receptor están dispuestos de tal manera que se proporcionan al menos un recorrido de medición sustancialmente perpendicular a la superficie de la tierra y al menos dos recorridos de medición inclinados respecto a esta, no orientados horizontalmente, en el que los tres recorridos de medición no están dispuestos de forma coplanar y los ejes del rayo orientados perpendicularmente a la superficie de las superficies de emisión de sonido no coinciden con los ejes del al menos un recorrido de medición sustancialmente perpendicular a la superficie de la tierra y que la unidad de evaluación está configurada para determinar una componente de viento vertical del vector de viento usando un tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir el recorrido de medición perpendicular a la superficie de la tierra y una componente de viento horizontal del vector de viento usando un tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir los al menos dos recorridos de medición inclinados. La característica técnica esencial del anemómetro realizado de acuerdo con la invención consiste por tanto en que al menos un recorrido de medición orientado verticalmente está dispuesto entre un emisor y un receptor, aunque la superficie de emisión de sonido así como la superficie de detección de sonido están inclinados con respecto a la horizontal. Los términos "vector de velocidad del viento" y "vector de viento" utilizados a continuación deben considerarse equivalentes, ya que el vector correspondiente contiene regularmente tanto información sobre la velocidad como también la dirección del viento.
De esta manera, se proporciona un sensor ultrasónico para la medición tridimensional exacta de los valores medios de las tres componentes del viento y la velocidad del sonido, así como sus fluctuaciones turbulentas, con lo que, en particular, la medición de la componente del viento vertical media y su fluctuación es posible con una exactitud especialmente alta. Al mismo tiempo, la medición de los valores medios de las tres componentes del viento y la velocidad del sonido y sus fluctuaciones turbulentas es de manera preferente insensible a las influencias atmosféricas.
De acuerdo con la invención, la unidad de evaluación está realizada de tal manera que se determina al menos una componente vertical del vector de velocidad del viento. Debido a la disposición de los sensores, en particular de los transductores ultrasónicos, en la que está previsto al menos un recorrido de medición vertical que se sitúa entre las superficies del transductor de sonido inclinadas con respecto a la horizontal, se puede garantizar una determinación especialmente exacta de la componente del viento vertical del vector del viento. Preferentemente, la unidad de evaluación también está configurada de tal manera que se determina un valor medio de al menos una componente del vector de velocidad del viento, en particular la componente vertical.
Al contrario de los anemómetros ultrasónicos conocidos, de acuerdo con la invención se implementa un recorrido de medición vertical, aunque las superficies de los transductores de sonido o las superficies de la membrana del transductor de sonido están inclinadas con respecto a la horizontal. Dado que el eje de haz de las señales ultrasónicas está dirigido perpendicular a las superficies de la membrana, los ejes de haz y del recorrido de medición ya no coinciden. Por este motivo, se utilizan preferentemente transductores de sonido con una característica de emisión y recepción suficientemente amplia. De manera preferente, los receptores o emisores están dispuestos de tal manera que se proporcionan al menos uno, preferentemente dos o tres recorridos de medición sustancialmente perpendiculares a la superficie de la tierra, que se utilizan para determinar la componente del viento vertical, y al menos uno, preferentemente dos recorridos de medición inclinados, que se utilizan para determinar la componente del viento horizontal. Con la solución técnica de acuerdo con la invención, las tres componentes del viento pueden implementarse con una influencia de flujo significativamente reducida a través de la estructura que soporta los emisores y receptores, ya que los emisores y/o receptores están inclinados al menos parcialmente y, sin embargo, las ondas sonoras se transmiten a través de un recorrido de medición vertical y al menos uno inclinado. Aquí es sustancialmente importante que se proporcione un recorrido de medición vertical o perpendicular a la superficie de la tierra con un emisor y/o receptor inclinado. En este contexto, se debe enfatizar que bajo vertical o perpendicular debe entenderse una orientación al menos casi vertical o perpendicular, ya que la orientación está influenciada ante todo mediante las tolerancias de fabricación y montaje. En conjunto, el sombreado de un recorrido de medición es el más bajo cuando se fluye perpendicularmente contra el recorrido de medición. Dado que el vector de viento medio está dirigido horizontalmente, las desviaciones verticales comparativamente pequeñas del viento instantáneo se pueden medir con la mayor exactitud cuando el recorrido de medición correspondiente es vertical. Las desviaciones en la disposición de los recorridos de medición conducen en último término a que el recorrido de medición ya no sea exactamente perpendicular al vector de viento instantáneo y, por lo tanto, es inevitable un error de sombreado mínimo correspondiente. Esto no se deteriora significativamente mientras la desviación de la dirección del recorrido de medición de la vertical sea menor que las típicas desviaciones angulares verticales del vector de viento, por ejemplo menor que la desviación estándar del ángulo de inclinación del vector de viento.
Para condiciones de instalación típicas, esta desviación estándar en la media climática es de aproximadamente 5°. De manera preferente, el ángulo de inclinación de un recorrido de medición designado como perpendicular o vertical se sitúa por lo tanto en un rango entre 0° y 5°.
En un modo de realización especial de la invención, la superficie de emisión de sonido y/o la superficie de detección de sonido disponen de una membrana. Para emitir ondas sonoras, la membrana se excita de tal manera que las ondas sonoras necesarias se generan mediante su movimiento dirigido. Si se utiliza una membrana para recibir ondas sonoras, entonces esta se deforma mediante las ondas sonoras recibidas y se transmite una señal correspondiente a la unidad de evaluación. En cualquier caso, es sustancial que se registre y evalúe el tiempo de tránsito que necesita el sonido para cubrir la distancia de medición entre el emisor y el receptor.
Además, es ventajoso que el emisor y/o el receptor se puedan calentar al menos temporalmente. De esta manera, se puede evitar de forma fiable una congelación de los emisores y/o los receptores o una formación de hielo correspondiente en esta zona. Dado que las superficies de membrana de los transductores ultrasónicos, entre las que está previsto el recorrido de medición vertical, están inclinados con respecto a la horizontal, el agua que se forma puede fluir o se evita la formación de gotas.
De acuerdo con la invención se utiliza un emisor cuyas ondas sonoras se reciben por al menos dos receptores dispuestos a una distancia entre sí, simultáneamente o en diferentes momentos. Un anemómetro ultrasónico de este tipo se destaca en este caso dado que entre el primer emisor con la primera superficie de emisión de sonido y al menos un segundo receptor con una segunda superficie de emisión de sonido se forma una segunda recorrido de medición inclinado respecto a la vertical y que la unidad de evaluación, sobre la base de un tiempo de tránsito registrado, que necesitan las ondas sonoras para cubrir el segundo recorrido de medición, determina el vector de viento o el vector de viento y la velocidad del sonido. De acuerdo con este modo de realización, sólo está previsto un emisor, mientras que sin embargo se forman al menos dos recorridos de medición, de las que uno está dispuesto verticalmente y al menos uno está dispuesto inclinado con respecto a la vertical.
En otra configuración de la invención es concebible que la unidad de evaluación esté realizada de tal manera que, dependiendo de la dirección del viento, se utilice un recorrido de medición de un grupo de al menos dos recorridos de medición para determinar la al menos una componente del vector de velocidad del viento y/o de la velocidad del sonido. De manera ventajosa es posible así seleccionar el recorrido de medición o los recorridos de medición para determinar el vector del viento, incluyendo las componentes del viento, que proporcionan los valores de medición más fiables. En este contexto, es concebible que se seleccionen los recorridos de medición que, teniendo en cuenta la dirección actual del viento, estén menos sombreados respecto al viento. El anemómetro ultrasónico realizado de acuerdo con la invención se utiliza preferentemente por sí mismo para determinar la dirección del viento actual. Sin embargo, igualmente es posible suministrar a la unidad de evaluación una señal adecuada, que representa la dirección del viento actual, desde un anemómetro externo.
De acuerdo con el modo de realización está previsto que la unidad de evaluación esté realizada de tal manera que se determinen respectivamente tres componentes del vector de velocidad del viento. Sobre la base de la determinación de las tres componentes del vector del viento se puede lograr una determinación especialmente exacta de la dirección del viento en el espacio, aquí en la atmósfera. De este modo, asimismo se logra una determinación especialmente exacta de la velocidad del viento e incluso la velocidad del sonido.
Junto a un equipo de medición del viento ultrasonido especialmente realizado, la invención también se refiere a un procedimiento para determinar al menos un vector de viento tridimensional o tanto un vector de viento tridimensional como también una velocidad del sonido. En el procedimiento de acuerdo con la invención, las ondas sonoras se emiten con al menos un emisor con una superficie de emisión de sonido y las ondas sonoras emitidas se reciben con al menos un receptor con una superficie de detección de sonido. Además, el vector de viento o el vector de viento y la velocidad del sonido se determinan con una unidad de evaluación sobre la base de un tiempo de tránsito registrado que necesitan las ondas sonoras en un recorrido de medición situado entre la superficie de emisión de sonido del al menos un emisor y la superficie de detección de sonido del al menos un receptor para cubrir este recorrido de medición.
El procedimiento de acuerdo con la invención se destaca por que los transductores de sonido que trabajan al menos temporalmente como emisores y/o receptores se disponen de tal manera que al menos un primer recorrido de medición entre una superficie de emisión de sonido de un emisor y una superficie de detección de sonido de un receptor se dispone aproximadamente verticalmente a la superficie de la tierra y al menos dos recorridos de medición entre una superficie de emisión de sonido de un emisor y una superficie de detección de sonido de un receptor se disponen inclinados respecto a esta, en el que los tres recorridos de medición no están dispuestas de forma coplanar y las dos recorridos de medición inclinados no están orientadas horizontalmente y por que la unidad de evaluación determina una componente de viento vertical del vector de viento utilizando el tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir el recorrido de medición orientado verticalmente a la superficie de la tierra y una componente de viento horizontal del vector de viento utilizando el tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir el recorrido de medición inclinado y por que los emisores se disponen de tal manera que los ejes del haz orientados perpendicularmente a la superficie de las superficies de emisión de sonido no coincidan con los ejes del al menos un recorrido de medición sustancialmente perpendicular a la superficie de la tierra.
De manera preferente, el procedimiento se perfecciona de tal manera que, debido a la disposición especial del al menos un emisor y del al menos un receptor, se determina con especial exactitud una componente vertical del vector de viento. En este caso, se determina preferentemente un valor medio de la al menos una componente del vector de viento.
De acuerdo con un perfeccionamiento especial de la invención, dependiendo de la dirección del viento, se selecciona al menos un recorrido de medición de un grupo de al menos dos recorridos de medición para tomar por base el al menos un recorrido de medición seleccionado para la determinación de la al menos una componente del vector de velocidad del viento y/o de la velocidad del sonido. De esta manera, se minimizan al menos los efectos de sombreado del viento que repercuten negativamente sobre el resultado de la medición, en particular condicionado mediante los transductores ultrasónicos y/o las varillas a las que están fijados.
La invención también se refiere a un uso especial de un anemómetro ultrasónico realizado de acuerdo con la invención. Así, este es adecuado de manera especial para determinar flujos de covarianza de remolinos verticales de mezclas de aire y/o energía.
En el anemómetro descrito para la medición preferente de la componente del viento vertical se reúnen la alta exactitud del anemómetro conocido con un recorrido de medición vertical y dos horizontales y la robustez frente a las influencias atmosféricas de los anemómetros con recorridos de medición inclinados.
En este caso, el anemómetro de acuerdo con la invención se caracteriza porque no se requieren recorridos de medición dirigidos horizontalmente para determinar las componentes horizontales del viento, sino que el vector de viento tridimensional, incluyendo sus componentes horizontales, se puede determinar generalmente con tres recorridos de medición no coplanares. Por tanto, en el anemómetro realizado de acuerdo con la invención, los dos recorridos restantes no están orientados horizontalmente, sino inclinados. De esta manera, se evita la restricción conocida debido al sombreado de recorrido en los equipos de medición del viento conocidos con un recorrido de medición vertical y dos horizontales.
Mediante la característica de haz ancho de los transductores de sonido preferentemente usados resulta la posibilidad de implementar los recorridos de medición de una manera especialmente simple. En este caso es concebible emparejar uno o también ambos transductores de sonido del recorrido vertical con otros transductores de sonido, de modo que se utilicen al mismo tiempo para abarcar los recorridos de medición inclinados necesarios.
A continuación, la invención se explica con más detalle sin restringir el concepto inventivo general sobre la base de ejemplos de modo de realización especiales en referencia a las figuras. A este respecto muestran:
Fig. 1: equipo de medición del viento ultrasónico en el que el transductor de sonido inferior del recorrido de medición vertical se utiliza simultáneamente para medir dos componentes de viento inclinadas;
Fig. 2: equipo de medición del viento ultrasónico en el que se utilizan seis transductores de sonido, que abarcan tres recorridos de medición verticales;
Fig. 3: equipo de medición del viento ultrasónico con un marco de sujeción formado por tres puntales verticales, en el que se utilizan seis transductores de sonido, entre los que discurren los recorridos de medición, así como Fig. 4: equipo de medición del viento ultrasónico con puntal central, en el que se utilizan ocho transductores de sonido, entre los que discurren los recorridos de medición.
La figura 1 muestra un equipo de medición del viento ultrasónico 7 en el que el transductor de sonido inferior 2 del recorrido de medición vertical se utiliza simultáneamente para medir dos componentes de viento inclinadas. Los transductores de sonido 1 y 2 abarcan el recorrido de medición vertical 1 -2 y los recorridos de medición inclinados 1-3 y 1-4 se implementan con los transductores 1 y 3 o 1 y 4. Los ángulos de recorrido y longitudes de recorrido reales pueden diferir de este ejemplo.
De acuerdo con un perfeccionamiento a modo de ejemplo del modo de realización de acuerdo con la figura 1, que no forma parte de la invención reivindicada, es concebible mover el transductor de sonido 2 adicionalmente hacia arriba y los transductores de sonido 3 y 4 hacia abajo. Mediante este desplazamiento se evita o al menos reduce un sombreado eventual mediante el transductor de sonido 2 en los recorridos 1 -3 así como 1 -4, también para direcciones de flujo inclinadas.
Los tiempos de tránsito de las ondas sonoras registrados en los recorridos de medición se transmiten a una unidad de evaluación, en la que se determinan tres componentes del viento sobre la base de los tiempos de tránsito registrados, con lo que se puede determinar en particular el componente del viento vertical con especial exactitud debido a la disposición especial de los recorridos de medición.
Además, la figura 2 muestra otro modo de realización a modo de ejemplo de un equipo de medición del viento ultrasónico 7. En este caso, se utilizan seis transductores 1, 2, 3, 4, 5, 6, con los que se abarcan tres recorridos de medición verticales (1 -2, 3 -4, 5 -6). Con los mismos transductores se pueden implementar simultáneamente seis recorridos de medición inclinados (1 -4, 1 -6, 3 -2, 3 -6, 5 -2, 5 -4). Aquí se pueden implementar recorridos de medición de forma redundante sin mayor esfuerzo en comparación a una disposición de transductor de sonido convencional para el vector de viento tridimensional. Por tanto, dependiendo de la dirección de flujo respectiva se puede hacer una selección de aquellos recorridos de medición que debido a su posición permitan esperar los menores efectos de sombreado para un flujo dado. De forma alternativa o complementaria, mediante determinación múltiple se pueden determinar los valores de consenso para las componentes del viento, que posibilitan una mayor fiabilidad y exactitud que las mediciones individuales en recorridos de medición individuales. La estructura simétrica de la disposición superior e inferior de los transductores de sonido es ventajosa en comparación con la forma de realización de la variante de la figura 1.
Las conexiones a trazos de la figura 2 también podrían utilizarse en principio. Pero son de importancia secundaria dado que presentan la orientación horizontal indeseada y además se desvían demasiado de los respectivos ejes de haz, con lo que se reducen la intensidad de la señal útil y por lo tanto la exactitud de las mediciones.
Para la evaluación de los tiempos de tránsito registrados, está prevista de nuevo una unidad de evaluación adecuada, que determina las componentes del vector de viento a partir de los tiempos de tránsito registrados. La entrega de la información sobre el vector de viento determinado se puede realizar a través de un monitor o una pantalla o cualquier otra unidad de visualización adecuada.
La figura 3 muestra un equipo de medición del viento ultrasónico 7 con un marco de sujeción formado por tres puntales verticales curvos 14, en el que se utilizan seis transductores de sonido 1 -6, que abarcan tres recorridos de medición. En este contexto, la figura 3a) muestra una vista lateral y la figura 3b) muestra una vista en planta de un equipo de medición de viento ultrasónico 7.
En equipo de medición del viento ultrasónico 7 representado es sustancial que en la zona central este previsto un pie de sujeción 8 para fijarlo en un techo o en la punta de un mástil con un puntal central 9 que discurre verticalmente hacia arriba. En el extremo de este puntal central 9 están previstas de nuevo tres barras de brazo saliente 13 fijadas a un receptor inferior 11. Las barras de brazo saliente 13 adyacentes, en cuyos extremos está fijado respectivamente un transductor ultrasónico 1 -3, forman respectivamente un ángulo de 120° en un plano horizontal. Las barras de brazo saliente 13 están inclinadas preferentemente en un ángulo entre 15° y 20° con respecto a la horizontal, de modo que los transductores ultrasónicos 1 -6 dispuestos en el extremo de las barras de brazo saliente 13 y firmemente conectados a las barras 13 también están inclinados en este ángulo con respecto a la horizontal.
Además de las barras de brazo saliente 13 para los transductores ultrasónicos 1 -6, tres puntales verticales 14 en forma de U o C están fijados al extremo superior del puntal central 9 en el receptor inferior 11, que discurren desde aquí hasta un receptor superior 12 del equipo de medición del viento ultrasónico 7. En la zona del receptor inferior 11, los puntales verticales curvos 14 están fijados respectivamente por debajo de las barras de brazo saliente 13 en las que están dispuestos los transductores ultrasónicos 1 -3.
En el receptor superior 12 del equipo de medición del viento ultrasónico 7, los puntales verticales curvos 14 están dispuestos respectivamente por encima de las barras de brazo saliente 13 para los transductores ultrasónicos 4 -6 y girados en un ángulo de 60° en la horizontal con respecto a las barras de brazo saliente 13 con los transductores ultrasónicos 4 -6.
Mediante el modo de realización representado en la figura 3 a modo de ejemplo, en el que se implementa de nuevo al menos un recorrido de medición vertical entre dos transductores ultrasónicos 1 -6 con superficies de salida de sonido inclinadas con respecto a la horizontal, se proporciona un equipo de medición del viento ultrasónico 7 que se puede montar de manera preferente en lugares expuestas para una medición del viento, como por ejemplo en las puntas de mástiles. Al mismo tiempo, los puntales verticales curvos 14 están realizados de tal manera que, por un lado, se garantiza una suficiente rigidez y resistencia del anemómetro y, al mismo tiempo, se consigue un flujo de viento casi libre de perturbaciones de los transductores ultrasónicos 1 -6 individuales.
En el ejemplo de modo de realización mostrado en la figura 3 a modo de ejemplo, dos transductores ultrasónicos 1 -6 con superficie de entrada o salida de sonido inclinada están dispuestos respectivamente uno sobre otro. En este caso, se utilizan de manera preferente transductores ultrasónicos 1 -6, que emiten ondas sonoras en diferentes direcciones y pueden recibir ondas sonoras desde diferentes direcciones, con lo que los transductores de sonido 1 -6 presentan muy preferentemente una característica de emisión o recepción semiesférica.
Para medir la velocidad y la dirección del viento entrante, con el equipo de medición del viento 7 representado en la figura 3 se pueden medir y evaluar tanto los tiempos de tránsito de las ondas sonoras entre dos transductores ultrasónicos 1 -6 dispuestos verticalmente uno sobre otro como también respectivamente entre uno de los transductores de sonido inferiores 1 -3 y los transductores de sonido superiores 4 -6. En este caso, por cada transductor de sonido 1 -6 se pueden abarcar en este caso tres recorridos de medición, con lo que al menos uno de estos recorridos de medición discurriendo en dirección vertical. Para la implementación de la invención, en este caso es básicamente irrelevante si los transductores de sonido 1 -6 individuales emiten sucesivamente o simultáneamente y si están previstos emisores y receptores fijos por debajo de los transductores ultrasónicos 1 -6 0 los transductores ultrasónicos 1 -6 individuales funcionan respectivamente alternativamente como emisor y como receptores.
Para la evaluación de los tiempos de tránsito registrados, está prevista de nuevo una unidad de evaluación adecuada, que determina las componentes del vector de viento a partir de los tiempos de tránsito registrados. La entrega de la información sobre el vector de viento determinado se puede realizar a través de un monitor o una pantalla o cualquier otra unidad de visualización adecuada.
En la fig. 4 está representada otro modo de realización a modo de ejemplo de un equipo de medición ultrasónico 7. En este caso, la figura 4a) muestra una vista lateral y la figura 4b) muestra una vista en planta de un dispositivo 7 de medición de viento ultrasónico.
Los transductores ultrasónicos 1-6, 15, 16 están fijados, como ya se ha explicado en relación con la figura 3, a barras de brazo saliente 13 que están dispuestas inclinadas con respecto a la horizontal.
Sin embargo, de acuerdo con el modo de realización mostrado en la figura 4 a modo de ejemplo están previstos ocho transductores ultrasónicos 1 -6, 15, 16, de los que cuatro están dispuestos respectivamente en un plano horizontal. Los transductores ultrasónicos 1-6, 15, 16 adyacentes forman respectivamente un ángulo de 90° en un plano horizontal y están fijados a los receptores 11, 12 del equipo de medición del viento ultrasónico 7 mediante barras de brazo saliente 13. Cuatro transductores ultrasónicos 1-3, 15 están fijados respectivamente a un receptor inferior 11 y cuatro a un receptor superior 12.
De nuevo está previsto un pie de sujeción 8, al que está fijado un puntal de sujeción central 9, que discurre en la dirección vertical hasta un receptor inferior 11 para fijas las barras de brazo saliente 13 a los transductores ultrasónicos 1 -3, 15. De acuerdo con este modo de realización, los receptores inferior y superior 11, 12 para la fijación de las barras de brazo saliente 13 a los transductores ultrasónicos 1 -6, 15, 16 no están conectadas entre sí mediante puntales verticales curvos 14 que discurren en la zona exterior, sino a través de una barra central 10 dispuesta en el centro. En este caso, los transductores ultrasónicos 1 -6, 15, 16 también están dispuestos de tal manera que se asegura un flujo del viento casi sin perturbaciones y el equipo de medición del viento ultrasónico 7 se puede montar de manera preferente en las puntas de los mástiles.
Para medir la velocidad y la dirección del viento entrante, con el equipo de medición del viento 7 representado en la figura 4 se pueden medir y evaluar de nuevo tanto los tiempos de tránsito de las ondas sonoras entre dos transductores ultrasónicos 1 - 6, 15, 16 dispuestos verticalmente uno sobre otro como también respectivamente entre uno de los transductores de sonido inferiores 1 - 3, 15 y los transductores de sonido superiores 4 - 6 , 16. En este caso, por cada transductor de sonido 1 - 6, 15, 16 se pueden abarcar en este caso cuatro recorridos de medición, con lo que uno de estos recorridos de medición discurriendo en dirección vertical. Para la implementación de la invención, en este caso es básicamente irrelevante si los transductores de sonido 1- 6 , 15, 16 individuales emiten sucesivamente o simultáneamente y si están previstos emisores y receptores fijos por debajo de los transductores ultrasónicos 1 - 6, 15, 16 o los transductores ultrasónicos 1 - 6 , 15, 16 individuales funcionan respectivamente alternativamente como emisor y como receptores.
Para la evaluación de los tiempos de tránsito registrados, en este ejemplo de modo de realización también está prevista una unidad de evaluación adecuada, que determina las componentes del vector de viento a partir de los tiempos de tránsito registrados. La entrega de la información sobre el vector de viento determinado se puede realizar a través de un monitor o una pantalla o cualquier otra unidad de visualización adecuada.
Lista de referencias
1 Transductor de sonido
2 Transductor de sonido
3 Transductor de sonido
4 Transductor de sonido
5 Transductor de sonido
6 Transductor de sonido
7 Equipo de medición del viento ultrasónico
8 Pie de sujeción
9 Puntal central abajo
Puntal central medio Receptor inferior Receptor superior Barra de brazo saliente Puntales verticales curvos Transductor de sonido Transductor de sonido

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Anemómetro ultrasónico (7) para determinar un vector de viento tridimensional o tanto un vector de viento tridimensional como también una velocidad del sonido con al menos un transductor de sonido (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) que trabaja al menos temporalmente como emisor con una superficie de emisión de sonido para emitir ondas sonoras y al menos un transductor de sonido (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) que trabaja al menos temporalmente como receptor con una superficie de detección de sonido para recibir al menos parcialmente las ondas sonoras emitidas y con una unidad de evaluación que, sobre la base de un tiempo de tránsito registrado, que necesitan las ondas sonoras en un recorrido de medición situado entre la superficie de emisión de sonido del al menos un emisor y la superficie de detección de sonido del al menos un receptor para cubrir este recorrido de medición, determina el vector de viento o el vector de viento y la velocidad del sonido,
caracterizado por que los transductores de sonido (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) que trabajan al menos temporalmente como emisor y/o como receptor están dispuestos de tal manera que se proporcionan al menos un recorrido de medición sustancialmente perpendicular a la superficie de la tierra y al menos dos recorridos de medición inclinados respecto a esta, no orientados horizontalmente, en el que los tres recorridos de medición no están dispuestos de forma coplanar y los ejes del haz orientados perpendicularmente a la superficie de las superficies de emisión de sonido no coinciden con los ejes del al menos un recorrido de medición sustancialmente perpendicular a la superficie de la tierra y que la unidad de evaluación está configurada para determinar una componente de viento vertical del vector de viento usando un tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir el recorrido de medición perpendicular a la superficie de la tierra y una componente de viento horizontal del vector de viento usando un tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir los al menos dos recorridos de medición inclinados.
2. Anemómetro ultrasónico de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado por que la superficie de emisión de sonido y/o la superficie de detección de sonido presenta una membrana.
3. Anemómetro ultrasónico de acuerdo con la reivindicación 1 o 2,
caracterizado por que el emisor y/o el receptor se pueden calentar al menos temporalmente.
4. Anemómetro ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado por que la unidad de evaluación está realizada de tal manera que, dependiendo de la dirección del viento, se utiliza un recorrido de medición de un grupo de al menos dos recorridos de medición para determinar el vector de viento o el vector de viento y la velocidad del sonido.
5. Anemómetro ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado por que la unidad de evaluación está realizada de tal manera que se determina un valor medio de al menos una componente del vector de velocidad del viento.
6. Procedimiento para determinar un vector de viento tridimensional o tanto un vector de viento tridimensional como también una velocidad del sonido, en el que con al menos un transductor de sonido (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) que trabaja al menos temporalmente como emisor con una superficie de emisión de sonido se emiten ondas sonoras y con al menos un transductor de sonido (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) que trabaja al menos temporalmente como receptor con una superficie de detección de sonido se reciben las ondas sonoras emitidas y en el que con una unidad de evaluación, sobre la base de un tiempo de tránsito registrado, que necesitan las ondas sonoras en un recorrido de medición situado entre la superficie de emisión de sonido del al menos un emisor y la superficie de detección de sonido del al menos un receptor para cubrir este recorrido de medición, se determina el vector de viento o el vector de viento y la velocidad del sonido,
caracterizado por que los transductores de sonido (1, 2, 3, 4, 5, 6, 15, 16) que trabajan al menos temporalmente como emisores y/o receptores se disponen de tal manera que al menos un primer recorrido de medición entre una superficie de emisión de sonido de un emisor y una superficie de detección de sonido de un receptor se dispone aproximadamente verticalmente a la superficie de la tierra y al menos dos recorridos de medición entre una superficie de emisión de sonido de un emisor y una superficie de detección de sonido de un receptor se disponen inclinados respecto a esta, en el que los tres recorridos de medición no están dispuestas de forma coplanar y las dos recorridos de medición inclinados no están orientadas horizontalmente y por que la unidad de evaluación determina una componente de viento vertical del vector de viento utilizando el tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir el recorrido de medición orientado verticalmente a la superficie de la tierra y una componente de viento horizontal del vector de viento utilizando el tiempo de tránsito que necesitan las ondas sonoras para cubrir el recorrido de medición inclinado y por que los emisores se disponen de tal manera que los ejes del haz orientados perpendicularmente a la superficie de las superficies de emisión de sonido no coincidan con los ejes del al menos un recorrido de medición sustancialmente perpendicular a la superficie de la tierra.
7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6,
caracterizado por que se determina una componente vertical del vector viento.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6 o 7,
caracterizado por que se determina un valor medio de la al menos una componente del vector viento.
9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 a 8,
caracterizado por que dependiendo de la dirección del viento se selecciona al menos un recorrido de medición de un grupo de los al menos dos recorridos de medición, a fin de tomar por base el al menos un recorrido de medición seleccionado para determinar el vector de viento o el vector de viento y la velocidad del sonido.
10. Uso de un anemómetro ultrasónico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 para determinar de flujos de covarianza de remolinos verticales de mezclas de aire y/o energía.
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