Anemometer
Einführung zum Thema Luftgeschwindigkeitsmessung
Bei einem Anemometer handelt es sich um ein Gerät zur Messung der Geschwindigkeit von Gasen, sei es in einem geschlossenen Strömungsfeld wie etwa in einem Lüftungskanal, sei es in einem offenen Strömungsfeld wie z. B. beim Wind in der Erdatmosphäre. Zur Ermittlung der Geschwindigkeit registriert das Anemometer entweder Änderungen bei den physikalischen Eigenschaften des Fluids selbst oder die Auswirkungen des Fluids auf mechanische Geräte, die in den Fluidstrom eingeführt werden.
Das Hitzdrahtanemometer ist die übliche Art der Anemometer mit konstanter Heiztemperatur. Es besteht aus einem sehr dünnen, elektrisch beheizten Drahtelement (Durchmesser 0,004 mm, Länge 1,3 mm), dessen Enden auf Nadeln gelagert sind. Während sich Hitzdrahtanemometer gut für reine Gase bei geringen Geschwindigkeiten eignen, kommen für Durchflussanwendungen einiger Flüssigkeiten (einschließlich Schlamm) auch Venturi-Messgeräte in Betracht.
Weitere Informationen über Anemometer
Wofür werden Anemometer verwendet?
Ein Anemometer eignet sich zur Messung der Gesamtgeschwindigkeit, der Geschwindigkeit in einer Ebene oder der Geschwindigkeitskomponente in nur einer bestimmten Richtung.
Die verschiedenen Anemometer-Typen
Für das direkte Messen der Wind- und Luftgeschwindigkeit steht ein breites Spektrum an Anemometermodellen bereit. Die vier gängigsten Anemometermodelle sind: Schaufelradanemometer, thermisches Anemometer, thermische Anemometer zur Erstellung von Geschwindigkeits-/Temperaturprofilen sowie Schalenanemometer. Anemometer werden i. d. R. unterschieden in Anemometer mit konstanter Heiztemperatur oder Anemometer mit konstanter Versorgung.
Anemometer mit konstanter Heiztemperatur finden aufgrund der folgenden Eigenschaften breite Verwendung: breiter Frequenzgang, geringer elektronischer Rauschpegel, unempfindlich gegen Sensordurchbrennen bei plötzlichem Luftstromabfall, Kompatibilität mit Heißfilmsensoren und Anwendbarkeit für Flüssigkeits- oder Gasströmungen.
Anemometer mit konstanter Versorgung weisen kein rückgekoppeltes Regelsystem auf. Die Temperatur verhält sich stets proportional zur Durchflussrate. Sie sind weniger verbreitet, weil sie keinen stabilen Nulldurchflussmesswert, ein träges Temperatur- und Geschwindigkeitsansprechverhalten und eine begrenzte Temperaturkompensation aufweisen.
Die häufigsten Anemometeranwendungen
Die von den Anemometern gemessenen Gasströme sind in der Regel verwirbelt. Während Flügelrad-, thermische und Schalenanemometer (Verwendung vor allem in Wetterstationen) hauptsächlich zur Messung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit dienen, kommen Hitzdrahtanemometer i. d. R. zum Einsatz, wenn die Eigenschaften von Verwirbelungen zu ermitteln sind, beispielsweise im Rahmen der Messung quer zur Hauptströmung verlaufender Fluidbewegungen. Der Begriff „thermisches Anemometer“ wird häufig als Oberbegriff für alle Anemometer verwendet, bei denen die Geschwindigkeitsmessung über den Zusammenhang zwischen Wärmeübertragung und Geschwindigkeit erfolgt.
Geschichte der Anemometer
Der Begriff „Anemometer“ wurde aus den griechischen Wörtern „anemos“ (= Wind) und „metron“ (=messen) gebildet. Die ersten mechanischen Anemometer wurden im 15. Jahrhundert zum Messen der Windgeschwindigkeit gebaut.
Anemometer für Wetterstationen
Das traditionell in Wetterstationen verwendete Schalenanemometer erfasst die Geschwindigkeit in einer zur Drehachse senkrechten Ebene. Wird das Schalenanemometer so installiert, dass sich die Achse im rechten Winkel zur Horizontalen befindet, so erfolgt nur eine Messung der zum Boden parallelen Geschwindigkeitskomponenten des Winds. Bei anderen Anemometern wie etwa Flügelradmodellen wird die Anemometerspitze am Hauptgeschwindigkeitsvektor ausgerichtet. Vor dem Einsatz eines Anemometers gilt es, die richtige Positionierung sowie die zu messende Komponente der Gesamtgeschwindigkeit zu bestimmen.
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Flügelradanemometer
Mechanische, auf dem Rotationsprinzip basierende Anemometer sind der Flügelrad- oder Propellerkategorie zuzuordnen. Bei dieser Art von Anemometer muss die Drehachse parallel zur Windrichtung und somit i. d. R. horizontal ausgerichtet sein. Im Freien variiert die Windrichtung, was eine Nachführung der Anemometerachse erforderlich macht. In Fällen, in denen sich die Richtung des Luftstroms niemals ändert, wie z. B. in den Lüftungsschächten von Gebäuden oder Bergwerken, liefern so genannte Luftdurchflussmesser die besten Resultate. Flügelradanemometer sind auch mit Zusatzfunktionen wie etwa solchen zur Temperatur-, Feuchtigkeits- und Taupunktmessung, volumetrischen Berechnung und Datenprotokollierung erhältlich.
Thermische Anemometer
Bei thermischen Anemometern wird ein sehr dünner Draht (in der Größenordnung weniger Mikrometer) auf eine Temperatur über der jeweiligen Lufttemperatur erhitzt. Ein das Anemometer passierender Luftstrom bewirkt eine Abkühlung des Drahts. Da bei den meisten Metallen der elektrische Widerstand von der Temperatur abhängt (Hitzdrähte werden häufig aus Wolfram gefertigt), kann eine Beziehung zwischen dem elektrischen Widerstand des Drahts und der Strömungsgeschwindigkeit abgeleitet werden.
Dies lässt sich auf verschiedene Weise bewerkstelligen, weshalb Hitzdrahtanemometer in drei Kategorien unterteilt werden: Anemometer mit konstantem Heizstrom (CCA), Anemometer mit konstanter Heizspannung (CVA) und Anemometer mit konstanter Heiztemperatur (CTA). Das Spannungsausgangssignal dieser Anemometer beruht somit auf einem im Gerät integrierten Regelkreis, der für den konstanten Wert einer dieser drei Variablen (Stromstärke, Spannung oder Temperatur) sorgt. Darüber hinaus gibt es auch Modelle mit PWM (Pulsweitenmodulation). Hierbei wird die Strömungsgeschwindigkeit von der Dauer einer Impulsfolge abgeleitet, die erforderlich ist, damit der Draht den gewünschten Widerstandswert erreicht. Beim Erreichen dieses Werts wird die Impulsfolge ausgesetzt, bis der Widerstandswert den unteren Schwellenwert erreicht. Dies bewirkt das erneute Einsetzen der Impulsfolge.
Hitzdrahtanemometer sind zwar extrem filigran, glänzen jedoch im Vergleich zu anderen Messverfahren mit außerordentlich breitem Frequenzgang und hoher räumlicher Auflösung. Sie werden deshalb praktisch universell zur detaillierten Untersuchung verwirbelter und sonstiger Fluidströme mit sprunghaften Geschwindigkeitsschwankungen eingesetzt. Thermische Anemometer sind mit Zusatzfunktionen wie etwa solchen zur Temperaturmessung oder Datenprotokollierung erhältlich.
Thermische Anemometer zur Erstellung von Geschwindigkeits-/Temperaturprofilen
Bei Profilerstellungssystemen auf der Basis thermischer Anemometer finden kleinstmögliche Sensoren Verwendung. Diese Sensoren messen sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Temperatur. Das Mehrpunkt-Datenprotokollierungssystem ermöglicht die Erstellung von Profilen zum Fließverhalten bei der jeweiligen Anwendung sowie die grafische Analyse der Messdaten. Solche Systeme werden häufig bei der Analyse von Leiterplatten und Kühlkörpern im Windkanal eingesetzt.
Schalenanemometer
Beim Schalenanemometer handelt es sich um eine relativ simple Art von Anemometer. Es besteht aus drei oder vier an radialen Armen angebrachten halbkugelförmigen Schalen, die im gleichen Winkelabstand zueinander in Form eines Schalenrads auf einer vertikalen Achse montiert sind. Ein die Schalen in beliebiger horizontaler Richtung passierender Luftstrom bewirkt eine zur Windgeschwindigkeit proportionale Drehung des Schalenrads. Durch Zählen der Schalenradumdrehungen über einen festgelegten Zeitraum lässt sich für ein breites Spektrum an Windgeschwindigkeiten die durchschnittliche Windgeschwindigkeit ermitteln. An einem Anemometer mit vier Schalen lässt sich gut erkennen, dass der Wind aufgrund der symmetrischen, kreuzförmigen Anordnung der vier Arme immer gleichzeitig frontal in die Öffnung der einen Schale und auf die Rückseite der gegenüber liegenden Schale bläst.
Als Robinson sein erstes Anemometer konstruierte, behauptete er fälschlicherweise, dass die Geschwindigkeit der Schalen stets ein Drittel der Windgeschwindigkeit betrüge, unabhängig von der Größe der Schalen und der Länge der Arme. Anfangs wurde diese Behauptung sogar anhand unabhängiger Experimente vermeintlich bestätigt, in Wahrheit jedoch ist sie alles andere als korrekt. Später fand man heraus, dass das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Winds und derjenigen der Schalen – der sogenannte Anemometerfaktor – sehr wohl von den Abmessungen der Schalen und Arme abhängt und sich zwischen zwei und knapp über drei bewegt. Folglich mussten alle unter Verwendung eines Anemometers zuvor durchgeführten Experimente wiederholt werden.
Das 1926 vom kanadischen Physiker und Meteorologen John Patterson entwickelte und 1935 von Brevoort und Joiner in den USA weiterentwickelte 3-Schalenanemometer resultierte in einer Schalenradkonstruktion mit linearem Drehverhalten und einer Fehlerbehaftung von weniger als 3% bei Windgeschwindigkeiten bis knapp 100 km/h. Patterson entdeckte, dass jede Schale bei einem Winkel von 45° zur Windrichtung maximales Drehmoment lieferte. Das 3-Schalenanemometer wies zudem gegenüber dem 4-Schalenanemometer ein konstanteres Drehmoment auf und reagierte auch schneller auf Windböen.
Es wurde 1991 vom Australier Derek Weston dahingehend weiterentwickelt, dass es nicht nur die Geschwindigkeit, sondern zugleich auch die Richtung des Windes messen konnte. Weston versah eine der Schalen mit einem kleinen Gewicht, was dazu führte, dass die Schalenraddrehzahl zu- bzw. abnahm, je nachdem, ob sich die schwerere Schale gerade in der Windrichtung oder gegen sie bewegte. Anhand dieser zyklischen Änderung der Drehzahl des Schalenrads lässt sich die Windrichtung berechnen, während die Windgeschwindigkeit selbst nach wie vor von der mittleren Drehzahl abgeleitet wird.
3-Schalenanemometer gelten in der Industrie derzeit als Standard bei Untersuchungen zu möglichen Standorten für neue Windkraftanlagen. Das zu diesem Zweck am häufigsten verwendete Schalenanemometer ist das Modell #40C von NRG Systems. Aus historischen Gründen wird die Anemometergröße in Krähen angegeben.
Häufig gestellte Fragen
Hitzdrahtanemometer oder Flügelradanemometer?
Anemometer werden zuweilen auch als Windmesser oder Luftgeschwindigkeitsmesser bezeichnet und grob in die Kategorien Hitzdrahtanemometer und Flügelradanemometer unterteilt. Hitzdrahtanemometer eignen sich am besten zur präzisen Messung von Luftströmungen sehr geringer Geschwindigkeit (d. h. weniger als ca. 35 km/h). Einige Modelle sind in der Lage, wesentlich höhere Geschwindigkeiten von bis zu 275 km/h zu messen, zugleich aber auch mit sehr hoher Genauigkeit erheblich niedrigere Geschwindigkeiten. Bei Flügelradanemometern erfolgt die Erfassung der Luftgeschwindigkeit mithilfe eines Impellers. Für die Messung der Windgeschwindigkeit ist diese Art von Anemometer am besten geeignet. Bei vielen Modellen lässt sich die Einheit einstellen: km/h, Knoten, Meilen/Stunde und Fuß/Minute decken einen Großteil üblicher Anwendungen ab. Zu thermischen Anemometern zählen alle Hitzdraht- und Flügelradanemometer, die zusätzlich auch die Lufttemperatur erfassen. Zudem gibt es thermische Anemometer mit Hygrometerfunktion, die im Gegensatz zu thermischen Anemometern auch einen Feuchtigkeitssensor beinhalten und so umfassende Wetterinformationen liefern. Anemometer mit integrierter Datenprotokollierung erlauben das Speichern und spätere Abrufen der Messdaten. Einige Modelle gestatten das Herunterladen der aufgezeichneten Luftgeschwindigkeitsmesswerte auf den PC zwecks Prüfung, grafischer Darstellung und weitergehender Analyse.
Verwendung von Anemometern für die Einregulierung von Lüftungsanlagen
Anemometer finden verbreitete Anwendung für die Einregulierung von Lüftungsanlagen. Dies geschieht durch das Anordnen mehrerer
Anemometer im Lüftungskanal- oder Gasrohrquerschnitt und das manuelle Protokollieren der Geschwindigkeitsmesswerte an mehreren Punkten. Die Massedurchflussrate erhält man durch Berechnen der mittleren Geschwindigkeit und anschließendes Multiplizieren mit der Dichte und mit der Kanalquerschnittsfläche. Bei Rundkanälen bietet das Log-Linear-Verfahren der Einregulierung die höchste Genauigkeit, weil dabei die Reibungseinflüsse der Kanalwände berücksichtigt werden. Die Einregulierung einer Lüftungsanlage erfordert aufgrund der Anzahl der Messstellen und Messungen einen hohen Zeitaufwand. Zur Automatisierung dieses Verfahrens stehen mikroprozessorbasierte Anemometer zu Verfügung.
Die Hitzdrahtanemometer reagieren aufgrund ihrer winzigen und filigranen Bauteile sehr empfindlich auf Ablagerungen und brechen dann sehr leicht. Ihre geringe Masse wirkt sich positiv auf ihre Ansprechgeschwindigkeit aus. Sie finden verbreitete Anwendung in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik. Für hochbeanspruchte Anwendungen in der Industrie sind größer und robuster ausgeführte Anemometer verfügbar. Um an der Anemometer-Messstelle das voll ausgebildete Strömungsprofil sicherzustellen, ist davor eine gerade Kanalstrecke erforderlich (die Länge soll i. d. R. dem 10-fachen Querschnitt entsprechen). Mit einer Konditionierungsdüse lassen sich Grenzschichteffekte eliminieren. Ist für den geraden Kanalabschnitt nicht genügend Platz vorhanden, lässt sich die Sensoranordnung durch einen Strömungsgleichrichter (Wabengitter) erweitern.
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