WO2016142071A1

WO2016142071A1 - Ultraschallwindmesser

Info

Publication number: WO2016142071A1
Application number: PCT/EP2016/000442
Authority: WO
Inventors: Gerhard Peters
Original assignee: Metek Meteorologische Messtechnik Gmbh
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2016-09-15
Also published as: DE102015003069A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwindmesser (1) sowie ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft von anströmendem Wind mit wenigstens einem Sender (2) zum Emittieren von Schallwellen und zumindest einem Empfänger (3) zum wenigstens teilweisen Aufnehmen der emittierten Schallwellen und mit einer Auswerteeinheit (4), die unter Zugrundelegung einer erfassten Laufzeit der Schallwellen zwischen Sender (2) und Empfänger (3) die wenigstens eine Eigenschaft des anströmenden Windes ermittelt. Die beschriebene technische Lösung zeichnet sind dadurch aus, dass Sender (2) und Empfänger (3) derart angeordnet sind, dass wenigstens zwei Empfänger (3) zumindest teilweise die von einem Sender (2) emittierten Schallwellen aufnehmen und in der Auswerteeinheit (4) jeweils die einfache Schalllaufzeit der Schallwellen zwischen dem einen Sender (2) und den zumindest zwei Empfängern (3) der Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft des anströmenden Windes zugrunde gelegt wird.

Description

Ultraschallwindmesser

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwindmesser zur Messung der Geschwindigkeit von anströmendem Wind mit wenigstens einem Sender zum Emittieren von Schallwellen und mindestens einem Empfänger zum wenigstens teilweisen Aufnehmen der emittierten Schallwellen und mit einer Auswerteeinheit, die unter Zugrundelegung einer erfassten Laufzeit der Schallwellen zwischen Sender . um Empfänger die Geschwindigkeit des anströmenden Windes ermittelt.

Es gibt unterschiedliche Messinstrumente, mit denen die lokale Messung der Geschwindigkeit eines Strömungsfeldes, insbesondere der Windgeschwindigkeit, erfolgt. Eine besondere Gattung von Windmessgeräten bzw. sogenannten Anemometern sind die Ultraschallanemometer, wobei im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Ultraschallanemometern bekannt sind, die jeweils unterschiedliche Messprinzipien nutzen.

Eine spezielle, vergleichsweise junge Entwicklung auf dem Gebiet der Ultra- schallwindmessung basiert auf der Ausnutzung der akustischen Resonanz für die Messung. Hierbei ist in den entsprechenden Windmessern ein Hohlraum vorgesehen, in dem die Schallwellen derart reflektiert werden, dass es zu einer akustischen Resonanz kommt. Üblicherweise befindet sich in dem Hohlraum eine Mehrzahl schwingender Membranen, die akustisch Ultraschallwellen er- zeugen und empfangen. Durch die wiederholte Reflexion zwischen den Reflektoren wird eine quasi stehende Welle senkrecht zur Windrichtung und eine Transversalwelle parallel zur Windrichtung erzeugt. Strömt nun Luft entlang der Achse zwischen den Reflektoren, beeinflusst das die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle und erzeugt eine Phasenverschiebung, die gemessen wird. Zum Ausgleich von Änderungen der Schallgeschwindigkeit, zum Beispiel durch Temperaturänderungen, wird die Ultraschallfrequenz kontinuierlich so ange- passt, dass der Hohlraum in Resonanz betrieben wird. Auf diese Weise wird die Messung der Windgeschwindigkeit unabhängig von der variablen Schallgeschwindigkeit.

Die zweite, bereits länger bekannte Art von Ultraschallwindmessgeräten basiert auf der Messung der Laufzeit der Schallwellen. Hierbei wird ausgenutzt, dass Schallwellen von dem Medium, in dem sie sich ausbreiten, mitgeführt werden, sodass die Laufzeit von Signalen über eine Messstrecke fester Länge von der Durchströmung der Messstrecke abhängt. Mit Hilfe von Schallwellen hoher Frequenz bzw. hoher Bandbreite können Laufzeiten besonders genau bestimmt werden, sodass auf Messstrecken mit kurzer Distanz bevorzugt hochfrequente Schallwellen zum Einsatz kommen. Da die Schallgeschwindigkeit sowohl von der Lufttemperatur als auch von der Luftfeuchte abhängt, werden üblicherweise Laufzeiten in beiden Richtungen, also bidirektional, bestimmt. Aus der Summe dieser beiden Laufzeiten kann ferner die sogenannte virtuelle Temperatur be- rechnet werden.

Bekannte Ultraschallanemometer verfügen üblicherweise über mehrere Messstrecken zwischen den einzelnen Ultraschallsendern und -empfängern, über die die Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Raumrichtungen gemessen wird. Aus den ermittelten Messwerten berechnet eine Messelektronik die horizontale und die vertikale Windgeschwindigkeit.

Gegenüber mechanischen Anemometern, wie beispielsweise Scha- lensternanemometern, zeichnen sich Ultraschallanemometer vor allem durch die höhere Genauigkeit, das Fehlen vonTrägheit im System sowie größere Langzeitstabilität aus. Ein weiterer Vorzug von Ultraschallanemometern auch gegenüber Staudruckanemometern ist ihre hohe Genauigkeit bei geringen Windgeschwindigkeiten. Die Messrate hängt hierbei von der Schalllaufzeit auf den Messstrecken ab. So werden beispielsweise bei drei Messstrecken von je 20 cm Länge, die nacheinander jeweils in beide Richtungen gemessen werden, Gesamtschalllaufzeiten von etwa 5 ms erreicht. Auf diese Weise sind bis zu 200 Messzyklen pro Sekunde möglich.

Aus der DE 689 01 800 T2 ist ein Ultraschallwindmesser der konventionellen Art bekannt, mit dem die Laufzeiten von Schallwellen zwischen unterschiedli- chen Ultraschallwandlern ausgewertet werden. Der beschriebene Ultraschallwindmesser verfügt über eine Anordnung von emittierenden und empfangenen Ultraschallwandlern, die derart angeordnet sind, dass sie mindestens drei verschiedene Ultraschallübertragungsbahnen in der Luft definieren. Weiterhin ist eine Messelektronik vorgesehen, sodass auf der Grundlage der Messung der Ausbreitungszeiten der Ultraschallwellen entlang der verschiedenen Bahnen sowohl die Windrichtung als auch die Windgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der gemessenen Ausbreitungszeiten ermittelt werden.

Der übliche Aufbau der die Laufzeit berücksichtigenden Ultraschallwindmesser basiert somit auf der Anordnung antiparalleler Ausbreitungsstrecken, auf denen die Laufzeit des Schalls sowohl auf dem Hin- als auch dem Rückweg gemessen wird. Hierfür sind jeweils an beiden Enden jeder Messstrecke ein Sender und ein Mikrofon erforderlich. Üblicherweise werden dafür reziproke Schallwandler eingesetzt, die die Sende- und Empfangsfunktion jeweils in sich vereinen.'

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Windmessgeräte, die die Laufzeit der emittierten und empfangenen Schallwellen auswerten. Um mit derartigen Ultra- schallwindmessern auch über einen längeren Zeitraum eine präzise Messung der Windgeschwindigkeit und/oder der Windrichtung auch bei unterschiedlichen Anströmwinkeln sicherzustellen, ist die Bereitstellung einer geeigneten Geometrie sowie eine stabile Fixierung der einzelnen Ultraschallwandler, die gleichzeitig die Luftströmung nur wenig beeinflusst, mit erheblichem Aufwand verbun- den. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass derartige Windmessgeräte vielfach unter extremen Wind- und Wetterverhältnissen, beispielsweise in größeren Höhen, auf See und/oder auf speziellen Forschungs- oder Wetterstationen, eingesetzt werden. Sowohl die einzelnen Ultraschallwandler als auch die im Bereich des Windmessgerätes vorgesehene Kabelführung sowie die Elektronik müssen somit regelmäßig über längere Zeiträume teilweise extremen Wetterbedingungen sicher standhalten. Darüber hinaus sind die Steuerelektroniken, die für die bekannten Ultraschallwindmessgeräte verwendet werden, aufgrund der Vielzahl von Messungen, die innerhalb eines vergleichsweise kleinen Messzeitraumes durchgeführt und ausgewertet werden müssen, verhältnismäßig groß.

Ausgehend von den bekannten Ultraschallwindmessgeräten sowie den zuvor erläuterten Anforderungen und Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallwindmessgerät, mit dem die Laufzeit von Schallwellen gemessen und ausgewertet wird, derart weiterzubilden, dass dieses mit einem vergleichsweise einfachen konstruktiven Aufbau herstellbar ist. Hierbei soll das anzugebende System gleichzeitig sicherstellen, dass es in Abhängigkeit der jeweiligen Messanforderungen möglich ist, das Messgerät mit einer möglichst geringen Anzahl von Sendern und Empfängern auszustatten. Gleichfalls sollte sichergestellt werden, dass die Steuerelektronik vergleichsweise einfach realisiert werden kann und insgesamt ein robustes, einfaches und kostengünstig herzustellendes Ultraschallwindmessgerät zur Verfügung gestellt werden kann. Die zuvor geschilderte Aufgabe wird mit einem Windmessgerät gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit sowie der Windrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweise Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwindmesser zur Messung wenigstens einer Eigenschaft von anströmendem Wind mit wenigstens einem Sender zum Emittieren von Schallwellen und zumindest einem Empfänger zum wenigstens teilweisen Aufnehmen der emittierten Schallwellen und mit einer Auswerteeinheit, die unter Zugrundelegung einer erfassten Laufzeit der Schallwellen zwischen Sender und Empfänger die wenigstens eine Eigenschaft des anströmenden Windes ermittelt. Der erfindungsgemäße Ultraschallwindmesser ist derart weitergebildet worden, dass wenigstens zwei Empfänger zumindest teilweise die von einem Sender emittierten Schallwellen aufnehmen und in der Auswerteeinheit jeweils die einfache Schalllaufzeit der Schallwellen zwischen dem einen Sender und den zumindest zwei Empfängern der Ermittlung der wenigstens einen Windeigenschaft zugrunde gelegt wird. Wesentlich an der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit, dass die von einem Sender emittierten Schallwellen von wenigstens zwei Empfängern aufgenommen werden und jeweils die Ankunftszeit mit den verschieden positionierten Empfängern gemessen wird nachdem die Schallwellen die einfache Wegstrecke zwischen Sender und Empfänger zurückgelegt haben. Dies bedeutet, dass auf jeder Messstrecke zwischen dem einen Sender und den wenigstens zwei Empfängern die Schalllaufzeit nur unidirektional, also nur auf einer Strecke, gemessen wird. Unter einer Eigenschaft des anströmenden Windes ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine Geschwindigkeit und/oder wenigstens eine Richtungskomponente zu verstehen. Gemäß einer speziellen Anwendung der Erfindung ist es denkbar, dass eine Gondel mit dem daran befestigten Rotor einer Windkraftanlage unter Zuhilfenahme eines erfindungsgemäß ausgeführten Windmessers bedarfsgerecht relativ zum Windausgerichtet wird. Durch eine spezielle Anordnung die einen Sender und mehr als zwei Empfänger aufweist, ist es ferner möglich, zusätzlich zur Windgeschwindigkeit auch einzelne Richtungskomponenten des Windes und/oder sogar die genaue Windrichtung, teilweise sogar einen dreidimensionalen Windvektor genau zu be- stimmen.

Vorzugsweise werden als Empfänger vergleichsweise kleine und wasserdichte Mikrofone, wie sie heutzutage beispielsweise in Mobiltelefonen zum Einsatz kommen, verwendet. Weiterhin bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Steue- relektronik zur Ansteuerung des Senders und der Empfänger, die bevorzugt auch die Auswerteeinheit beinhaltet, einfach zu realisieren ist, da keine Sende- Empfangsschaltungen benötigt werden, die die empfindlichen Mikrofonverstärker vor dem Sendepuls schützen. Vielmehr werden für den erfindungsgemäßen Windmesser die Sender, beispielsweise in Form von Ultraschallwandlern, aus- schließlich zum Emittieren der Schallwellen eingesetzt, während die Empfänger, insbesondere besonders kleine, wasserdichte Mikrofone, nur zum Empfangen der emittierten Schallwellen verwendet werden. .

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind der eine Sender und die zumindest zwei Empfänger derart angeordnet, dass diese in einer Ebene ein.gleichschenkeliges Dreieck aufspannen. Für die Realisierung der vorzugsweise in die Steuerelektronik integrierten Auswerteeinheit, bietet eine derartige Anordnung den Vorteil, dass der Zusammenhang zwischen den Schalllaufzeiten und der wenigstens einen zu ermittelnden Eigenschaft des anströ- menden Windes eine besonders einfache Form annimmt. Die Symmetrie der Anordnung aus Sender und wenigstens zwei Empfängern ist allerdings nicht zwingend erforderlich.

In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein dritter Emp- fänger vorgesehen und die Auswerteeinheit derart ausgeführt, dass auf der Grundlage jeweils der einfachen Schalllaufzeit der Schallwellen zwischen dem einen Sender und den zumindest drei Empfängern ein zweidimensionaler Windvektor bestimmt wird. Auf diese Weise ist es mit der erfindungsgemäßen Windmessanordnung möglich, nicht nur die Windgeschwindigkeit, sondern auch die Windrichtung zu bestimmen.

Bevorzugt ist es ferner denkbar, dass wenigstens vier nicht-komplanar angeordnete Empfänger vorgesehen sind. In diesem Fall ist die Auswerteeinheit vor- zugsweise derart ausgeführt, dass auf der Grundlage jeweils der einfachen Schalllaufzeit der Schallwellen zwischen dem einen Sender und den zumindest vier Empfängern ein dreidimensionaler Windvektor bestimmt wird. Mit dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung ist es somit möglich, die Windge- schwindigkeit und hierbei sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente des Windes und damit einen Windvektor im dreidimensionalen Raum zu^' bestimmen.

Durch die Verwendung nur eines Senders, dessen emittierte Schallwellen von vier nicht-komplanar angeordneten Empfängern aufgenommen werden, wobei jeweils lediglich die einfachen Schalllaufzeiten zwischen Sender und Empfängern ausgewertet werden, wird ein Windmessgerät zur Verfügung gestellt, das trotz eines vergleichsweise einfachen konstruktiven Aufbaus und einer gleichzeitig einfachen Gestaltung sowohl der Steuerelektronik als auch der Auswerteeinheit eine hochgenaue Windmessung ermöglicht.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwindmessers ist die Auswerteeinheit derart ausgeführt, dass bei der Windgeschwindigkeitsermittlung durch den Sender, die Empfänger und/oder durch Elemente, an denen die Sender und/oder die Empfänger befestigt sind, verursachte Beeinflussungen der Windströmung bei der Windgeschwindigkeitsermittlung berücksichtigt werden. Um eine zuverlässige Korrektur zu gewährleisten, sind in der Auswerteeinheit bevorzugt gerätespezifische Korrekturwerte und/oder Korrekturinformationen hinterlegt, durch die neben der konstruktiven Gestaltung des Ultraschallwindmessers insbesondere auch die Anströmrichtung des Windes berücksichtigt werden.

Zusätzlich zu einem Ultraschallwindmessgerät betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft anströmenden Windes. Das erfindungsgemäß ausgeführte Verfahren basiert darauf, dass von wenigs- tens einem Sender Schallwellen emittiert werden, die zumindest teilweise von wenigstens einem Empfänger aufgenommen werden, und dass schließlich eine Laufzeit der Schallwellen zwischen dem Sender und dem Empfänger erfasst wird und auf der Grundlage der erfassten Laufzeit mit einer Auswerteeinheit eine Eigenschaft des anströmenden Windes ermittelt wird. Das erfindungsge- mäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, das von einem Sender Schallwellen emittiert werden, die zumindest teilweise von wenigstens zwei Empfängern aufgenommen werden, dass jeweils die einfache Laufzeit des Schalls zwischen dem Sender und den wenigstens zwei Empfängern erfasst wird und dass auf der Grundlage der erfassten einfachen Schalllaufzeiten eine Geschwindigkeit und/oder wenigstens eine Richtungskomponente des anströmenden Windes ermittelt wird. Es werden somit auf den Strecken zwischen dem Sender und den jeweils zwei Empfängern die Zeiten ermittelt, die die emittierten Schallwel- len für die Zurücklegung der entsprechenden Strecke benötigen.

Erfindungsgemäß kann die Bestimmung einer Richtungskomponente des anströmenden Windes auch derart realisiert werden, dass kein Wert für die ermittelte Richtung ausgegeben wird sondern auf vorteilhafte Weise unter Berück- sichtigung der ermittelten Windrichtung lediglich ein Steuersignal erzeugt wird, beispielsweise um ein windangeströmtes Bauteil in einer bestimmten Art relativ zur Windrichtung auszurichten. In diesem Fall ist es denkbar, dass auf der Grundlage der ermittelten Schalllaufzeiten zwischen dem Sender und jeweils den Empfängern eine Aktion, etwa das Ausrichten eines windangeströmten Bauteils, durchgeführt wird. Die Richtung des anströmenden Windes wird in diesem Fall quasi nur indirekt ermittelt, in dem die gewünschte Ausrichtung des Bauteils relativ zur Windrichtung erfolgt. Die Ausgabe eines Wertes für die Windrichtung ist hierbei nicht zwingend. Gemäß einer besonderen Ausführungsform befindet sich der Sender und/oder die wenigstens zwei Empfänger im Bereich einer Nabe, insbesondere am Spinner, einer Windkraftanlage. In diesem Fall emittiert der Sender wiederum

Schallwellen, die von den wenigstens zwei Empfängern aufgenommen werden, wobei jeweils die einfache Laufzeit zwischen dem Sender und einem Empfän- ger erfasst und auf der Grundlage der erfassten Schalllaufzeiten zumindest zeitweise eine Ausrichtung der Rotoren der Windkraftänlage vorgenommen wird. Grundsätzlich ist es gemäß dieser technischen Lösung denkbar den Rotor und/oder die Gondel einer Windkraftanlage auf einen Sollwert relativ zur Anströmrichtung des Windes einzustellen.

Wie die obigen Ausführungen zeigen, ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung wenigstens einer Eigenschaft des anströmenden Windes bevorzugt im Rahmen der Planung, des Baus, des Betriebs, der Wartung und/oder der Überwachung wenigstens einer Windkraftanlage und/oder einer Kraftwerksanlage denkbar. Ebenso ist es grundsätzlich denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das entsprechende Verfahren auf einem Schiff einzusetzen, wobei der Einsatz sowohl auf Sportschiffen, insbesondere auf Segelyachten, als auch in der Berufsschifffahrt denkbar ist. Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 : Grafische Darstellung der Schallaufzeiten in einem bewegten Medium;

Figur 2: Schematische Darstellung eines Ultraschallwindmessgeräts mit einer Anordnung bestehend aus einem Sender und zwei Empfängern; .

Figur 3: Anordnung von einem Sender und zwei Empfängern auf einer Gerade;

'

Figur 4: 3D-Ultraschallwindmessgerät;

Figur 4: Ultraschallwindmessgerät mit einem Sender und sechs Empfängern;

Figur 5: Anordnung von einem Sender und zwei Empfängern auf einer Gerade und einer zusätzlichen Platte zur Reflexion der emittierten Schallwellen; Figur 6: Ultraschallwindmessgerät mit einem Sender und vier Empfängern;

Figur 7: Darstellung des erfassten Mittelwerts der Windgeschwindigkeit in

21 verschiedenen Stellungen des Windmessgeräts relativ zum anströmenden Wind aufgrund einer Drehung des Geräts um insge- samt 80°;

Figur 8: Ultraschallwindmessgerät mit einem Sender und zwei Empfängern und einer Reflektorplatte zur Umlenkung der emittierten Schallwellen und

Figur 9: Darstellung des erfassten Mittelwerts der Windgeschwindigkeit in

181 verschiedenen Stellungen des Windmessgeräts relativ zum anströmenden Wind aufgrund einer Drehung des Geräts um insgesamt 360°.

Mit Hilfe von Figur 1 wird zunächst das einem Ultraschallwindmessgerät 1 , mit dem Schalllaufzeiten erfasst und ausgewertet werden, zugrunde liegende Messprinzip erläutert. Figur 1 zeigt in einer grafischen Darstellung die Schallausbreitung von einem Sender 2 an der Position s im Ursprung des Koordinatensystems zu einem Empfänger 3 am Ort ρ_έ = {x y^ zj in einem mit der konstanten Geschwindigkeit rh = {u, v, w] homogen bewegten Medium. Die Lauf- zeit von s nach p, sei f, .

Ein mit konstantem Wind bewegtes Koordinatensystem stellt ein Inertialsystem dar, in dem die gleichen Naturgesetze gelten wie in einem ruhenden System. Ein Beobachter im System befindet sich daher relativ zum Wind in Ruhe. In die- sem Koordinatensystem bewegen sich der Sender und der Empfänger mit der Geschwindigkeit—rh . Ein Schallsignal, das zum Zeitpunkt t=0 vom Sender 2 gesendet wird, erreiche den Empfänger 3 zur Zeit f,. Zu diesem Zeitpunkt ist der Empfänger 3 zum Ort = Pj(0) - gedriftet mit rrii = rh^■ t_t .

Die Entfernung vom Ursprung des Schallsignals bis zum Empfänger 3 ist also I i(tj)l · Der Schall breitet sich kugelförmig mit der Geschwindigkeit c aus, so dass dieser nach der Zeit t,- die Strecke c^■ t_t zurückgelegt hat. Hieraus folgt, dass das Schallsignal den Empfänger 3 erreicht hat, wenn gilt: c · t_t = \vc {td\ (GI.1 )

Ergänzend ist in Figur 2 schematisch eine Anordnung von Ultraschallwandlern bestehend aus einem Sender 2 und zwei Mikrofonen 3, wie sie in einem erfindungsgemäß ausgeführten Ultraschallwindmessgerät 1 zum Einsatz kommt, gezeigt. Das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäß ausgeführten Ultra- schallwindmessers 1 wird anhand eines Senders 2 und zweier Mikrofone 3 beschrieben.

Es werden die einfachen Schalllaufzeiten zwischen dem Sender 2 (s) und jeweils den Mikrofonen 3 ( ι, P2) erfasst und mit Hilfe einer Auswerteeinheit 4 ausgewertet, um schließlich die Geschwindigkeit des anströmenden Windes zu bestimmen.

Für die Erläuterung wird angenommen, dass der Sender 2 und die Mikrofone 3 ein gleichschenkliges Dreieck aufspannen, da der Zusammenhang zwischen den Schalllaufzeiten und dem Wind dann eine besonders einfache Form annimmt Die Symmetrie ist allerdings nicht zwingend.

Um neben der Windgeschwindigkeit auch den zweidimensionalen Windvektor bestimmen zu können, wird der in Figur 2 gezeigten Basisanordnung mindes- tens ein weiteres Mikrofon 3 hinzugefügt. Ferner kann durch Verwendung von mindestens vier nicht-komplanar angeordneten Mikrofonen 3 der dreidimensionale Windvektor bestimmt werden.

Im Folgenden wird angenommen, dass sich der Sender 2 im Koordinatenur- sprung befindet und die Empfänger 3 bzw. Mikrofone die Koordinaten-

Pi = {-x, 0, z}, p₂ = {χ, Ο, ζ}. Nach Gleichung 1 ergibt sich für die Beziehung zwischen Windkomponenten und den Laufzeiten

und c_{2 =} ( _ _u) _{+ v}ä + (i - w) (GI. 3) Die Subtraktion von Gleichung 2 und Gleichung 3 führt zu:

Wegen d² = x² + z² und der Beziehung a² - b² = (a + b) · (a - b) kann Gleichung 4 in die folgende Form gebracht werden:

0 = d^2■ (Gl. 5)

nach u aufgelöst erhält man daraus

'

u = u'^■ [1 + q w ] (Gl. 6) mit ü' = -^■ (- - -) (Gl. 7) .

und 2z w

(Gl. 8)

Sofern für das erfindungsgemäß ausgeführte Ultraschallwindmessgerät 1 ein Sender 2 und lediglich zwei Empfänger 3 verwendet werden, ist zunächst zu vermuten, dass die Querempfindlichkeit dieser Anordnung gegenüber den bekannten Ultraschallwindmessern 1 , die auf antiparallelen Ausbreitungsstrecken die Schalllaufzeit bidirektional messen, eine besondere Querempfindlichkeit zur vertikalen Windkomponente vorliegt. Diese Mehrdeutigkeit könnte durch ein weiteres Mikrofon 3, das zusammen mit den vorhandenen Mikrofonen 3 jeweils eine nicht-horizontale Messstrecke aufspannen würde, beseitigt werden. Im Folgenden wird allerdings gezeigt, dass die Querempfindlichkeit gering und für die meisten Anwendungen vernachlässigbar ist. Da die Schallgeschwindigkeit c groß gegen die Windgeschwindigkeit ist, gilt für alle Laufzeiten t; = d/c und somit:

2 c

(Gl

d 7(w) = f (Gl. 10)

wegen w « c und z < d ist \q(w) \ « 1 und somit u = u' . Ausmultiplizieren der rechten Seite von 1 + ergibt den Absolutfehler

Sa = u' (Gl- 12) Der Relativfehler eines 2D-Anemometers wird üblicherweise auf den Betrag der Windgeschwindigkeit rh bezogen: ö_r = ^ (Gl. 13)

' rh-d-c Bei Schräganströmung mit dem Erhebungswinkel a sind u = u' = m^■ cos und w = m^■ sin a. Daraus folgt der Relativfehler „ z m . 1-z-m . „ _/r,. _Λ . >

ö_r =— cos sin = sin 2a (Gl. 14) r d-c 2- d-c '

Er geht gegen Null bei horizontaler und bei vertikaler Anströmung und wird maximal bei a = 45°. Bei einem angenommenen Verhältnis z/d = 1/V2 , was ei- nem Öffnungswinkel der Sender-/Empfängeranordnung von 90° entspricht, ergibt sich als Obergrenze für den Relativfehler:

Der Relativfehler nimmt somit proportional zur Windgeschwindigkeit zu. Bei rh = 30 m/s ist ö_r < 3,1% . Bei einer Schräganströmung von beispielsweise a = 15° halbiert sich dieser Wert.

Figur 3 zeigt eine Anordnung mit einem Sender 2 und zwei Empfängern 3 eines Ultraschallwindmessgeräts 1 , die auf einer Gerade angeordnet sind. Eine derartige Anordnung kann auf bevorzugte Weise in einem erfindungsgemäß ausgeführten Ultraschallwindmessgerät 1 eingesetzt werden, wobei es denkbar ist, einen Sender 2 zu wählen, der in zumindest einen großen Raumbereich

Schallwellen emittiert, so dass eine Mehrzahl von Empfängern 3, von denen sich jeweils wenigstens zwei auf einer Gerade mit dem Sender 2 befinden, verwendet werden. Es wird wiederum die einfache Schalllaufzeit zwischen Sender 2 und dem jeweiligen Empfänger 3 gemessen und mittels einer Auswerteeinheit 4 die Geschwindigkeit und/oder wenigstens eine Richtungskomponente des anströmenden Windes ermittelt.

Wesentlich an der in Figur 3 gezeigten Anordnung ist, dass sie keine Querempfindlichkeit aufweist. Werden nur ein Sender 2 und zwei Empfänger 3, die auf einer Geraden liegen, verwendet, könnte ein Fall eintraten, bei dem der Windvektor parallel zur Messstrecke gerichtet ist und es zu erheblichen Abschattun- gen durch die Sensoren kommen würde. Grundsätzlich wäre es denkbar, eine entsprechende Messordnung mittels eines geeigneten Hilfsmittels, beispielsweise einer Windfahne automatisiert aus einer derart ungünstigen Position heraus zu bewegen. Insgesamt eignet sich diese Anordnung bestehend aus einem Sender 2 und zwei Empfängern 3, die auf einer Gerade liegen, für geneigte und/oder senkrechte Messtrecken, wie sie vor allem in 3D-Ultraschallwindmessgeräten 1 vorhanden sind. In diesem Zusammenhang zeigt Figur 4 ein Windmessgerät 1 mit einem Sender 2 und insgesamt sechs Empfängern 3, wobei sich jeweils zwei Empfänger 3 auf einer Gerade mit dem Sender 2 befinden. Die Strecken -pi-S-p6, P2-S-P5 und P3- S-p₄ liegen jeweils auf einer Geraden, die um einen Neigungswinkel von 30° gegenüber der Vertikalen geneigt sind und einen Horizontalwinkel bzw. Azimut von 120° einschließen. Der Sender 2 (S) im Zentrum zeichnet sich durch eine omnidirektionale Strahlcharakteristik aus. Es werden wiederum die einfachen Schallaufzeiten zwischen dem Sender 2 und den einzelnen Empfängern 3 er- fasst und der Auswertung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung zugrunde gelegt. Die in Figur 4 gezeigte Anordnung von Sender 2 (S) und Empfängern 3 (Ρι - Ρβ) stellt eine möglichst geringe Beeinflussung der Messgenauigkeit durch Minimierung der durch die Sensoren verursachten Abschattungseffekte sicher. Mit dieser Ausführungsform der Erfindung kann trotz vergleichsweise einfach ausgeführter Steuerelektronik und Auswerteeinheit 4 eine genaue Messung der Windgeschwindigkeit sowie des Windvektors im dreidimensionalen Raum realisiert werden.

Unter Berücksichtigung des Umstands, dass d=| | gilt ergibt sich Gleichung 7 _u' = - (± - ) zu

2x Vt_x t₂

^«< ⁼!^■ GH) ^<GM6>

Sofern nur die horizontalen Komponenten des anströmenden Windes gemes- sen werden sollen, zeigt Figur 5 eine geeignete vereinfachte Anordnung von Sender 2 und Empfängern 3, die Abschattungseffekte im Vergleich zu der in Figur 3 dargestellten Anordnung minimiert. Bei der in Figur 5 gezeigten Anordnung sind, wie im Zusammenhang mit Figur 3 erläutert, ein zentral vorgesehener Sender 2 mit zwei Empfängern 3 auf einer Geraden angeordnet. Die Ab- schattungseffekte aufgrund des Senders 2 und der Empfänger 3 werden dadurch minimiert, dass der vom Sender 2 emittierte Schall an einer horizontalen Platte 6 reflektiert und dann von den Empfängern 3 aufgenommen wird. Die Messtrecken befinden sich jeweils somit zwischen dem Sender 2 und der Reflektorplatte 6 sowie zwischen der Reflektorplatte 6 und den Empfängern 3. Die Bestimmungsgleichung für die Windkomponente parallel zu pi-S-p₂ ist identisch mit Gleichung 7 u' =—^■ (——— j.-Da der Sender 2 und die Empfänger 3 auf

2.x Vti t- einer Geraden liegen, ist auch hier die Komponente z=0, so dass die Querempfindlichkeit zu einer Vertikalkomponente entfällt.

In Figur 6 ist ein erfindungsgemäß ausgeführtes Ultraschallwindmessgerät 1 , das einen Sender 2 und vier komplanar angeordnete Empfänger 3 aufweist, dargestellt. Figur 6a zeigt hierbei die Seitenansicht, während in Figur 6b die Draufsicht des Ultraschallwindmessgerätes 1 zu sehen ist. Der gezeigte Ultraschallwindmesser 1 verfügt weiterhin über eine Steuerelektronik mit Auswerteeinheit 4 zur geeigneten Ansteuerung des Senders 2 und der als Empfänger arbeitenden Mikrofone 3 sowie zur Auswertung der gemessenen Schalllaufzeiten. Wesentlich hierbei ist, dass stets jeweils die einfache Schalllaufzeit zwischen dem einen Sender 2 und jedem einzelnen der vier Empfänger 3 unidirek- tional gemessen und der Windgeschwindigkeitsermittlung zugrunde gelegt wird. Mit Hilfe der in Figur 6 dargestellten Anordnung sowie der Steuerelektronik mit Auswerteeinheit 4 kann ein 2D-Windvektor, nämlich die Richtung der horizontalen Komponente des anströmenden Windes bestimmt werden. Mit der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform ist es somit möglich, die Windrichtung relativ zur Erdoberfläche zu bestimmen. Aufgrund der ampelartigen Aufhängung 5 des Senders kommt es zu einer gestörten Anströmung von links, da sich in diesem Bereich der vertikale Mast für den Sender befindet. Mittels einer Korrekturfunktion, die in der Auswerteeinheit hinterlegt ist, kann der entsprechende Fehler minimiert werden. Das dargestellte Ultraschallwindmessgerät 1 ist insbesondere für die Verwendung als Yacht- Windmesser geeignet, wobei die Montage in diesem Fall vor dem Segelmast erfolgen würde.

Im Zusammenhang mit dem zuvor erläuterten Ultraschallwindmesser ist in Figur 7 das Ergebnis eines Windkanaltests grafisch dargestellt, bei dem das Ultra- schallwindmessgerät in unterschiedliche Positionen gedreht wurde, so dass die Anströmrichtung über einen Bereich von 80° bei einer konstanten Anströmgeschwindigkeit des Windes von 10 m/s variiert wurde. Die vom Ultraschallwindmessgerät ermittelte Windgeschwindigkeit beträgt im Mittel 9,5 m/s mit einer Variation von +/- 1 ,5 % über den Winkelbereich. Die mittlere Unterschätzung um 5 % und die winkelabhängigen Variationen sind auf die Strömungsblockierung durch die Sensorarme zurückzuführen. Ihre Größenordnung bewegt sind im üblichen Bereich und kann durch eine entsprechende Korrekturfunktion korrigiert werden. In Figur 8 ist ein Ultraschallmessgerät 1 dargestellt, das über einen Sender 2, vier Empfänger 3 sowie eine Reflektorplatte 6, wie sie bereits im Zusammenhang mit Figur 5 erläutert worden ist verfügt. Figur 8a zeigt die Seitenansicht und Figur 8b die Draufsicht auf das Gerät 1. Der eine Sender 2 und die vier Empfänger 3 sind innerhalb eiiier oberen Deckscheibe 8 und zwar innerhalb der von der Deckscheibe 8 aufgespannten Ebene angeordnet. Wie Figur 8b zu entnehmen ist, ist der Sender 2 zentral in der Mitte der Deckscheibe 8 und die vier Empfänger 3 in unmittelbarer Nähe des äußeren Umfangs der Deckscheibe 8 sowohl äquidistant zu dem Sender 2 als auch zum jeweils benachbarten Empfänger 3 angeordnet.

Ferner sind vier Abstandhalter 7 vorgesehen, die eine Verbindung zwischen der Deckscheibe 8 und der Reflektorplatte 6 herstellen und die den gleichen Abstand zum Sender 2 wie die Empfänger 3 aufweisen. Die Abstandhalter 7 sind bevorzugt rohrförmig ausgeführt, so dass die Signalleitungen für den Sender 2 und die Empfänger 3 sowie die je nach Einsatzgebiet erforderlichen Heizkabel innerhalb der Abstandhalter 7 geführt werden können.

Die vom Sender 2 emittierten Schallwellen werden von der Reflektorplatte 6 reflektiert und zumindest teilweise von dem jeweiligen Empfänger 3 aufgenommen. Die Messtrecke setzt sich somit aus dem Weg zwischen Sender 2 und Reflektorplatte 6 einerseits sowie zwischen Reflektorplatte 6 und Empfänger 3 andererseits zusammen. Mit Hilfe der Auswerteeinheit 4 wird wiederum die einfache Laufzeit zwischen dem Sender 2 und den jeweils vier Empfängern 3 aus- gewertet.

Abschließend zeigt Figur 9 das Ergebnis eines Windkanaltests, der mit einem gemäß Figur 8 ausgeführten Ultraschallwind messgerät durchgeführt worden ist. Hierfür wurde das Ultraschallwindmessgerät in 2°-Schritten über einen Ge- samtdrehbereich von 360° relativ zum anströmenden Wind gedreht. Die Geschwindigkeit des anströmenden Windes betrug konstant 5 m/s. Deutlich zu erkennen ist, dass die ermittelte Windgeschwindigkeit zumindest nahezu unabhängig von der Anströmrichtung des Windes ist. Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 Ultraschallwindmesser

2 Sender

3 Empfänger

4 Auswerteeinheit

5 Elemente, an denen der Sender und/oder die Empfänger befestigt sind

6 Reflektor

7 Abstandhalter

8 obere Deckscheibe

Claims

Patentansprüche

Ultraschallwindmesser (1 ) zur Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft von anströmendem Wind mit wenigstens einem Sender (2) zum Emittieren von Schallwellen und zumindest einem Empfänger (3) zum wenigstens teilweisen Aufnehmen der emittierten Schallwellen und mit einer Auswerteeinheit (4), die unter Zugrundelegung einer erfassten Laufzeit der Schallwellen zwischen Sender (2) und Empfänger (3) die wenigstens eine Eigenschaft des anströmenden Windes ermittelt,

dadurch gekennzeichnet, dass Sender (2) und Empfänger (3) derart angeordnet sind, dass wenigstens zwei Empfänger (3) zumindest teilweise die von einem Sender (2) emittierten Schallwellen aufnehmen und in der Auswerteeinheit (4) jeweils die einfache Schalllaufzeit der Schallwellen zwischen dem einen Sender (2) und den zumindest zwei Empfängern (3) der Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft des anströmenden Windes zugrunde gelegt wird.

Vorrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass der eine Sender (2) und die zumindest zwei Empfänger (3) in einer Ebene ein gleichschenkliges Dreieck aufspannen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) derart ausgeführt ist, dass unter Zugrundelegung der einfachen Schalllaufzeit der Schallwellen zwisc en dem einen Sender (2) und den zumindest zwei Empfängern (3) eine Geschwindigkeit und/oder zumindest eine Richtungskomponente des anströmenden Windes ermittelbar ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein dritter Empfänger (3) vorgesehen ist und die Auswerteeinheit (4) derart ausgeführt ist, dass auf der Grundlage jeweils der einfachen Schalllaufzeit der Schallwellen zwischen dem einen Sender (2) und den zumindest drei Empfängern (3) ein zweidimensionaler Windvektor bestimmt wird.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens vier nicht komplanar angeordnete Empfänger (3) vorgesehen sind.

Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) derart ausgeführt ist, dass auf der Grundlage jeweils der einfachen Schalllaufzeit der Schallwellen zwischen dem einen Sender (2) und den zumindest vier Empfängern (3) ein dreidimensionaler Windvektor bestimmt wird.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) derart ausgeführt ist, dass bei der Windgeschwindigkeitsermittlung durch den Sender (2), die Empfänger (3) und/oder durch Elemente (5), an denen der Sender

(2) und/oder die Empfänger (3) befestigt sind, verursachte Beeinflussungen der Windströmung mittels.einer Korrektur bei der Windgeschwindigkeitsermittlung berücksichtigt werden.

Verfahren zur Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft anströmenden Windes, bei dem von wenigstens einem Sender (2) Schallwellen emittiert werden, die zumindest teilweise von wenigstens einem Empfänger (3) aufgenommen werden und bei dem eine Laufzeit der Schallwellen zwischen dem Sender (2) und dem Empfänger (3) erfasst wird und auf der Grundlage der erfassten Laufzeit mit einer Auswerteeinheit (4) eine Eigenschaft des anströmenden Windes ermittelt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass von einem Sender (2) Schallwellen emittiert werden, die zumindest teilweise von wenigstens zwei Empfängern

(3) aufgenommen werden, dass jeweils die einfache Laufzeit des Schalls zwischen dem Sender (2) und den wenigstens zwei Empfängern (3) erfasst wird und dass auf der Grundlage der erfassten einfachen Schalllaufzeiten eine Geschwindigkeit und/oder wenigstens eine Richtungskomponente des anströmenden Windes ermittelt wird.

Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass ein Sender (2) und zumindest zwei der Empfänger (3) im Bereich eines Rotors einer Windkraftanlage, insbesondere am Spinner, befestigt werden, dass der Sender (2) Schallwellen aussendet, die zumindest teilweise von den zwei Empfängern (3) aufgenommen werden und dass auf der Grundlage der erfassten einfachen Schalllaufzeiten zwischen dem einem Sender (2) und den jeweils zwei Empfängern (3) zumindest zeitweise ein Steuersignal zur Ausrichtung des Rotors der Windkraftanlage erzeugt wird.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 im

Rahmen der Planung, des Baus, des Betriebs, der Wartung und/oder der Überwachung wenigstens einer Windkraftanlage und/oder einer Kraftwerksanlage.

11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auf einem Schiff.