SE516686C2 - Koppanemometer - Google Patents

Description

20 25 30 35 516 686 2 alltså kunna mäta totalvektoms storlek oberoende av med vilken vinkel, såväl horisontellt som vertikalt, den anblåser anemometem.

Alla kända anemometrar är mer eller mindre känsliga för vindar med vertikala in- fallsvinklar, d.v.s. för vindar som ej är riktade i horisontalplanet. Detta ställer till stora problem vid mätning av vindhastigheten i de fall kraven på mätnoggrannhet är stora. Det existerar idag ingen koppanemometer som kan mäta vinden enligt angiven definition.

Om anemometem ej har en plan vinkelrespons medför det också att en eventuell felmontering av anemometem, d.v.s. om den ej monteras helt vertikalt, gör att vindmätningen blir felaktig. Vidare följer luftströmningen i sluttande terräng huvud- sakligen markens yta och en anemometer med icke plan vinkelrespons kommer under sådana förhållanden att mäta en felaktig vindhastighet.

Ovan beskrivna problem löses genom att anemometem ges en helt ny utformning som i huvudsak ger en plan vinkelrespons. Detta uppnås genom att koppama ges en bestämd utfonnning i enlighet med vad som anges i det efterföljande själv- ständiga patentkravet. Övriga patentkrav anger fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritningar, där fig. 1 visar en känd koppanemometer, fig. 2 visar en utföringsform av en koppanemometer enligt uppfinningen, fig. 3a visar geometrin hos en kopp i fig. 2, fig. 3b visar ett snitt genom koppen i fig. 3a, fig. 4a visar en utföringsforrn av en kopp med en horisontell skiva i koppen, fig. 4b visar ett snitt genom koppen i fig. 4a, fig. 5 visar hur mantelytan av en konisk kopp, enligt en första utföringsform av uppfinningen, ser ut i ett plan, fig. 6 visar hur mantelytan av en konisk kopp, enligt en andra utföringsforrn av uppfinningen, ser ut i ett plan och fig. 7 visar ett diagram över vinkelresponsen för en koppanemometer enligt en utföringsforrn av uppfinningen jämfört med vinkelresponsen för en känd koppanemometer. 10 15 20 25 30 35 516 686 Utgångspunkten för föreliggande uppfinning är en koppanemometer med minst två koppar 1 fästa på armar 2 som i sin tur är fästa vid ett nav 3. Navet är fäst vid en rotationsaxel som är lagrad i en hals 4 till ett hus 5.

Med kopp avses här en allmänt sett koppformad kropp med en konkav inre yta 6 och en konvex yttre yta 7. Ytoma möts vid koppens öppning. Ett specialfall, som nonnalt används vid anemometrar, utgör koppar som är rotationssymmetriska kring en symmetriaxel. Monterad i anemometem är en sådan kopps symmetriaxel väsentligen tangent till koppamas rotationsbana. Allmänt kan man säga att koppar- nas öppning är riktad väsentligen längs tangenten till koppamas rotationsbana. Det är möjligt att vid uppfinningen utgå från godtycklig kopp. Se nedan för en beskriv- ning av en föredragen utföringsform. Vanligen har en anemometer av detta slag tre eller fyra koppar. I fig. 1 visas en känd sådan anemometer med tre koppar 1.

Det grundläggande vid uppflnningen är att koppens öppning i kombination med dess välvda del ges ett med infallsvinkeln varierande tvärsnitt. De varierande tvär- snitten kommer, likt vingprofiler med olika tvärsnittsforrner, vid anblåsning att av- länka strömningen på olika sätt beroende på anströmningsvinkeln. Den med an- strömningsvinkeln varierande avlänkningen ger enligt Newtons tredje lag (lagen om verkan och âterverkan) upphov till varierande krafter på koppama och därrned vari- erande moment kring rotationsaxeln. Rätt utfomiat kan man uppnå en i huvudsak flat vinkelrespons för anemometem.

En lämplig variant för att åstadkomma detta är att ge koppama 1 en i huvudsakligen triangelfonnad öppningsform. Triangelforrnen kan skapas genom att kopparna stympas i tre snitt som bildar ett triangelforrnat rör.

Om koppen är rotationssymmetrisk, såsom i specialfallet en kon, ger stympningen upphov till en bågforrnig urgröpning i koppväggen, se fig. 3b. Bågens högsta punkt 8, mätt vinkelrätt från det plan 9 som tangerar koppens tre höm 10,11,12 bör vara ca 1/3 del av det maximala avståndet från nämnda plan till koppens högsta punkt 13.

När den stympade kopprofilen anblåses i en riktning som är normal till ett av snitten ser vinden en bågforrnad urgröpning i den främre delen och ett höm i den bortre delen. Om istället kopprofilen anblåses i en riktning, som är vinklad ca i30° från 10 15 20 25 30 35 516 686 4 norrnalen, och riktad i ett plan som spänns upp av de tre hömen, ser vinden en bågforrnad urgröpning i den främre delen och en bågformad urgröpning i den bortre delen. Dessa, beroende på infallsvinkeln, varierande kopprofiler som luftflödet passerar ger upphov till varierande krafter och därmed varierande moment kring rotationsaxeln.

Ifig. 2 visas en utföringsform av en koppanemometer enligt uppfinningen med tre koppar 1. Det är emellertid möjligt att använda ett annat antal koppar utan att frångà uppfinningstanken.

Som ovan angivits är grunden för uppfinningen att varje kopp är stympad vid sin öppning med tre snitt 14,15,16 som väsentligen liggeri tre plan som är parallella med koppamas rotationsbanas tangent vid öppningen och som, projicerat på ett fjärde plan 9 som tangerar koppens tre höm, väsentligen bildar en triangel, se fig. 3a. Ett av de tre hömen 10 är fäst vid armen 2 från navet 3.

Goda resultat har uppnåtts med en utföringsform av uppfinningen där triangeln, sedd i nämnda plan, väsentligen är liksidig. De tre hömen 10,11,12 är lämpligen avskuma eller avrundade. Rundade höm har visat sig fungera mycket väl och visas i figurema.

Vid tillverkning av koppar enligt uppfinningen kan man enkelt med lämpligt verktyg, en mindre cirkelsåg e|.dyl., genomföra de önskade snitten. Nedan ges ett exempel på hur man kan framställa en mall för mantelytan på en kopp som uppfyller kraven enligt uppfinningen. Med mallen som hjälp är det lättare att utföra snitten på ett kontrollerat sätt.

Tidigare nämndes att såväl halvsfäriska koppar som koniska dito är kända vid kopp- anemometrar. Vinkelresponsen för sfäriska koppar har en tendens att vara mer hastighetsberoende än för koniska koppar för aktuella vindhastigheter. Det är därför lämpligt att använda koniska koppar vid uppfinningen. En lämplig toppvinkel mot konens symmetriaxel är c:a 45 °. l fig. 5 visas, utfläkt i ett plan, hur en tillverkningsmall ser ut för mantelytan av en konforrnad kopp som har 45 ° toppvinkel mot symmetriaxeln och en liksidigt triangu- lär projektion på ett plan som har symmetriaxeln som normal. Hörnen är avrundade.

Mantelytans rand är sammansatt av 7 stycken kurvor A - G. Kurvoma beskrivs i 10 15 20 i 516 686 5 lokala koordinatsystem (x,y) med origo på radien R och med vinkeln cp avsatt från positiva X-axeln i ett globalt koordinatsystem (X, Y). De lokala koordinatsystemen har y-axeln riktad radiellt utåt och x-axeln riktad i negativ çp-led.

Kurvoma för hömen hari det lokala koordinatsystemet (x,y) formeln šwl »b-læiïi och kurvoma för sidoma hari det lokala koordinatsystemet (x,y) formeln l _ a*(š)1.s1 +b R" R ' Konstantema a och b för respektive kurva framgår av tabell 1.

Tabell 1 Kurva vinkel A -37,3 O,2581 19,0 B 5,1 O,3583 -0,3226 C 47,6 O,2581 19,0 D 90,0 O,3583 -0,3226 E 132,4 O,2581 19,0 F 174,9 O,3583 -0,3226 G -142,7 O,2581 19,0 Kurvomas placering i det globala koordinatsystemet (X Y) enligt figur 5 erhålls genom följande koordinattransforrnationer X = R=r=cos Y = Rw=sinqa +y1=sin , Lyckade prov har utförts med koppar som har en radie R i mallen som är 46.5 mm.

Sektom S i figuren skall uteslutas när mallen skall rullas ihop för att bilda en kon. S beräknas som skillnaden mellan vinkel ga för kurva A och vinkel çø för kurva G, dvs. s = p, - ps = -37,3 -(-142,7)=1os,4° Mallen ger gränsen för de delar som skall behållas av en ren kon när delar av konens kanter vid öppningen bearbetas bort. De beskrivna funktionema ger en 10 15 20 25 516 686 6 kopp som med god approximation i projektion uppvisari huvudsak raka snitt och avnmdade höm.

Viss ytterligare förbättring av den plana vinkelresponsen kan ofta uppnås om den yttre kanten 16 av koppen inte ges en rent linjär projektion på ett plan som har symmetriaxeln som normal utan att något mer gods sparas av den ursprungliga fullständiga konen. På motsvarande sätt kan ofta uppnås en ytteltigare förbättring av den plana vinkelresponsen, främst i området +10 ° till +40 °, om något mer gods sparas av den ursprungliga fullständiga konen vid den övre kanten 15.

I en sådan förbättrad kopp, som visas i figur 6, bildas tillverkningsmallen av mantelytan på samma sätt som ovan, men med de konstanter a och b för respektive kurva som framgår av tabell 2. I figur 6 framgår den nya kurvoma D' och F' av de kraftiga linjema samtidigt som de tidigare kurvoma enligt den första varianten visas med tunnare linjer som jämförelse.

Tabell 2 Kurva vinkel A -37,3 0,2581 19,0 B 5,1 03583 -0,3226 C 47,6 0,2581 19,0 D' 90,0 o, 1928 -0,2731 E 132,4 0,2581 19,0 F' 174,9 0,1735 -0,2667 G -142,7 0,2581 19,0 Storleken på sektom S enligt figur, och som skall uteslutas är densamma som tidigare.

För att vinkelresponsen skall bli så plan som möjligt skall koppama placeras på lämpligt avstånd från navets centrum. För konventionella koniska koppar skall radien, definierad som det kortaste avståndet mellan rotationsaxeln och koppamas symmetriaxel, vara ca 120% av diametem på koppens öppning. I fallet med rotationssymmetríska koppar med triangelformad öppning bör radien vara ca 95% av diametem på den cirkel som omskriver koppens öppning, dvs. tangerar de tre yttersta hömen. Vid koppar enligt fig. 5 eller fig. 6 har härvid goda resultat uppnåtts. 10 15 20 25 30 35 516 686 7 En koppanemometers rotationsaxel löper normalt in i anemometems överdel som oftast är formad som en hals 4. I halsen är rotationsaxeln normalt lagrad, dels i ett övre lager som sitteri halsens överdel och dels i ett nedre lager som sitteri halsens nedre del. Vid nedre delen övergår halsen till ett bredare hus 5 som oftast inrymmer utrustning för registrering av rotationsaxelns varvtal. Allmänt sett bör navet 3 och halsen 4 vara långa och smala och av väsentligen samma diameter, samt huset 5 vara smalt för att inte onödigtvis störa strömningsfältet runt anemometem. Om överdelen av navet avslutas tvärt uppstår en obalans i strömningsfältet som menligt inverkar på noggrannheten. Det är därför lämpligt att förlänga navet 3 uppåt, så att en i huvudsak strömningsmässig symmetri skapas i området för nav 3, armar 2 och koppar 1. Förlängningen 18 kan vara utformad som en cyllndrisk, konisk eller elipsoidformad förlängning.

Verkan av den, trots navets 3 förlängning 18, kvarstående osymmetrin i strömnings- fältet kan minimeras genom att koppamas 1 symmetriaxel vinklas något i förhål- lande till anemometems rotationsplan så att koppamas öppningar pekar något uppåt emot navets förlängning. I fallet med rotationssymmetriska koppar är en vinkel mellan koppamas symmetriaxlar och rotationsplanet på 1-2° är lämplig. För exemplen i fig. 5 och fig. 6 ger detta goda resultat.

Vid mycket stora anströmningsvinklar mot rotationsplanet uppifrån och nerifrån är det svårt att behålla en plan vinkelrespons med koppar enligt ovan. En tydlig för- bättring uppnås genom att man placerar en skiva 17 i koppens botten, vilken skiva ligger huvudsakligen i rotationsplanet eller är parallell med detta. Skivan reducerar det drivande momentet för stora negativa eller positiva infallsvinklar och reducerar därmed övervarvtal hos anemometem för dessa vinklar. l en föredragen utföringsform av uppfinningen med rotationssymmetriska koppar sträcker sig skivan från den punkt 13 där koppens symmetriaxeln träffar koppens botten, längs symmetriaxeln till ca 50% av avståndet till det plan 9 som har symmetriaxeln som normal och som precis berör det från nyssnämnda punkt mest avlägsna hömet.

En ytterligare fördel med en skiva 17 enligt ovan är att den fungerar som en förstyv- ning i radiell led. Detta medför att koppens form, som genom centrifugalkraften har en tendens att deformeras, bättre kan bibehållas. 516 686; 8 Vinkelresponsen för en koppanemometer enligt fig. 6 med en skiva enligt fig. 4 visas i fig. 7 och jämförs här med motsvarande för en känd koppanemometer av den typ som visas i fig. 1. Förbättringen är tydlig.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 51-6 686 9 Patentkrav:

1. Koppanemometer med minst två koppar (1) fästa på var sin arm (2) till ett nav (3) på en rotationsaxel, varvid med kopp avses en allmänt sett koppforrnad kropp med en konkav inre yta (6) och en konvex yttre yta (7), som möts vid koppens öpp- ning, varvid koppamas öppning är riktad väsentligen längs tangenten tili koppamas rotationsbana, k ä n n e t e c k n a d a v att koppama är stympade vid sin öpp- ning med tre snitt (14,15,16), som väsentligen ligger i tre plan som är parallella med koppamas rotationsbanas tangent vid öppningen och som, projicerat på ett fjärde plan (9) som har tangenten som normal, väsentligen bildar en triangel och att resp. kopp är fäst vid sin arm (2) vid ett av de tre hömen (10).

2. Koppanemometer enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att koppar- nas (1) tre höm (10,11,12) är avskuma eller avrundade.

3. Koppanemometer enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att rotationsaxeln löperi en smal hals (4), som uppbär navet (3) med armar (2) och koppar (1) och att navet har en förlängning (18) på dess från halsen vända sida, samt att navet, och förlängningen i ett område närmast navet, har ett tvärsnitt som väsentligen överensstämmer med halsens tvärsnitt i ett område närmast navet, så att en i huvudsak strömningsmässig symmetri skapas i området för nav, armar och koppan

4. Koppanemometer enligt något av patentkraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a d a v att koppama (1) före stympningen är rotationssymmetriska.

5. Koppanemometer enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d a v att den högsta punkten (8) av de bågformiga urgröpning i koppväggen, mätt vinkelrätt från det plan (9) som tangerar koppens tre höm är väsentligen 1/3 del av det maximala avståndet från nämnda plan till koppens högsta punkt (13).

6. Koppanemometer enligt patentkravet 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d a v att koppama (1) före stympningen är koner.

7. Koppanemometer enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a d a v att konema har en toppvinkel mot sin symmetriaxel som är väsentligen 45 °. 10 15 20 sis saa? 10

8. Koppanemometer enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k - n a d a v att triangeln sedd i nämnda fjärde plan (9) är väsentligen liksidig.

9. Koppanemometer enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a d a v att konemas mantelyta är bildad genom att sju stycken kurvorA - G får avgränsa en plan yta, av vilken en sektor S är utesluten och den kvarvarande ytan är rullad till en kon, varvid kurvoma beskrivs i lokala koordinatsystem (x,y) med origo på radien R och med vinkeln :p avsatt från positiva X-axeln i ett globalt koordinatsystem (X, SO och där de lokala koordinatsystemen har y-axeln riktad radiellt utåt och x-axeln riktad i negativ ço-led och där, i det lokala koordinatsystemet, kurvoma för hömen har formeln 2 å: a*{ 1- b* - ï och kurvoma för sidoma har formeln 157 y- = a* + b och konstantema a och b för respektive kurva framgår av R R tabellen Kurva Vinkel A -37,3 0,2581 19,0 B 5,1 0,3583 -0,3226 C 47,6 0,2581 19,0 D 90,0 0,3583 -0,3226 E 132,4 0,2581 19,0 F 174,9 0,3583 -0,3226 G -142,7 0,2581 19,0 och där kurvomas placering i det globala koordinatsystemet (X, Y) erhålls genom koordinattransformationen X = R* cosça + x* sinça + y* cosçp Y = R*sinqa +y=~=sinç> - xwosgø, och sektom S beräknas som skillnaden mellan vinkel q: för kurva A och vinkel çæför kurva o, avs. s = a, _ (p, = -aza -(-142,7)=1os,4°.

10. Koppanemometer enligt patentkravet 7, k ä n n e te c k n a d a v att koner- nas mantelyta är bildad genom att sju stycken kurvor A - G får avgränsa en plan yta, av vilken en sektor S är utesluten och den kvarvarande ytan är rullad till en kon, 10 15 20 516 686 11 varvid kurvoma beskrivs i lokala koordinatsystem (x,y) med origo på radien R och med vinkeln w avsatt från positiva X-axeln i ett globalt koordinatsystem (X, Y) ) och där de lokala koordinatsystemen har y-axeln riktad radiellt utåt och x-axeln riktad i negativ qfled och där, i det lokala koordinatsystemet, kurvoma för hömen har 2 formeln å: a*[ 1- b* - ] och kurvoma för sidoma har formeln .57 å: a* + b och konstantema a och b för respektive kurva framgår av tabellen Kurva vinkel q>° a b A -37,3 O,2581 19,0 B 5,1 O,3583 -0,3226 C 47,6 O,2581 19,0 D' 90,0 0,1928 -0,2731 E 132,4 O,2581 19,0 F' 174,9 O,1735 -0,2667 G -142,7 O,2581 19,0 och där kurvomas placering i det globala koordinatsystemet (X,Y) erhålls genom koordinattransforrnationen X = R* cosgp + x* sin q: + y* cos q; Y = Ri-sinip +y*simp -x*oosgv, och sektom S beräknas som skillnaden mellan vinkel q; för kurva A och vinkel q; för kurva o, dvs. s = a, - fps = -37,s -(-142,7)=1os,4°.

11. Koppanemometer enligt något av patentkraven 8 - 10, k ä n n e t e c k n a d a v att radien, definierad som det kortaste avståndet mellan rotationsaxeln och koppamas (1) symmetriaxel, är ca 95% av diametem på den cirkel som omskriver koppens öppning, dvs. tangerar de tre yttersta hömen (10,11,12).

12. Koppanemometer enligt något av patentkraven 4 - 11, k ä n n e t e c k n a d a v att koppamas öppningar pekar något uppåt emot navets förlängning (18), var- vid koppamas symmetriaxlar bildar en vinkel av 1-2° med anemometems rotations- plan. 10 "S16 686” 12_

13. Koppanemometer enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k - n a d a v atti resp. kopps konkava inre är en skiva (17) placerad som väsentligen ligger i rotationsplanet eller är parallell med detta.

14. Koppanemometer enligt patentkravet 13 med en kopp enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d a v att skivan sträcker sig från den punkt (13) där symmetri- axeln träffar koppens (1) botten, längs symmetriaxeln till ca 50% av avståndet till det plan (9) som har symmetriaxeln som normal och som precis berör det från nyssnämnda punkt mest avlägsna hömet (10,11,12).