Meteorologie Dr. Jens Bange Technische Universität Braunschweig Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme e-mail: [email protected] Wintersemester 2003 / 4 Aerospace Systems - TU Braunschweig Meteorologie Grundgrößen 2.3 Wind Physikalische Einheit: m/s Richtung und Geschwindigkeit =⇒ Vektor Meteorologisches Koordinatensystem: West −→ Ost: u Süd −→ Nord: v Unten −→ Oben: w Messprinzipien: • Schalenkreuz-Anemometer und Windfahne (gebräuchlich) • Ultraschall-Anemometer ( Sonic“, moderner Standard) ” • Hitzdraht-Anemometer (besonders in Gebäuden) • LASER-Doppler-Anemometer (braucht Partikel) • 5-Loch-Sonde (Flugzeug) • ... Aerospace Systems - TU Braunschweig 1 Meteorologie Grundgrößen Schalenkreuz-Anemometer Aus der Bernoulli-Gl. folgt ptotal = pstatic + ρ 2 v = pstatic + q 2 Windkraft auf Körper Projektionsfläche A, Luftwiderstandsbeiwert cW F = cW · A · q = cW · A · Anemometer-Gleichung: Aerospace Systems - TU Braunschweig ρ 2 v 2 √ √ c2 + c 1 v = u· √ √ c2 − c 1 2 Meteorologie Grundgrößen Hitzdraht-Anemometer (1) • auch Constant Temperature Anemometer (CTA) genannt • Prinzip: – Stromdurchflossener, sehr dünner Draht oder Film (z.B. 70 µ m Quarzfaser mit 0.5 µ m Nickelbeschichtung, 3 mm lang) – wird über Regelkreis auf konstanter Temperatur (z.B. 250oC) gehalten – Luftströmung kühlt den Draht konvektiv – Messgröße ist die Regelspannung Ua (King’s Gesetz): Ua2 = A + B · (ρ v) 1 n · (TDraht − TLuft) (mit Materialkonstanten A und B, Luftdichte ρ , Temperaturen T , Windgeschwindigkeit v und n ≈ 2 in Abhängigkeit von Reynoldszahl). Aerospace Systems - TU Braunschweig 3 Meteorologie Grundgrößen Hitzdraht-Anemometer (2) Aerospace Systems - TU Braunschweig 4 Meteorologie Grundgrößen Hitzdraht-Anemometer (3) • Lufttemperatur muss gleichzeitig gemessen werden • typischer Messbereich: 0.2 m/s (Begrenzt durch Konvektion am Draht) bis 350 m/s • kleines Messvolumen, geringe Trägheit ⇒ hohe räumliche (wenige Millimeter!) und zeitliche Auflösung (einige 100 kHz!) • gut für schnelle und kleine Fluktuationen • Nachteil: alternde Drähte ⇒ häufige Nachkalibration und Wartung notwendig Aerospace Systems - TU Braunschweig 5 Meteorologie Grundgrößen Ultraschall-Anemometer (Sonic) (1) • Messung der Laufzeitunterschiede der Schall-Druckwellen zwischen mehreren Lautsprecher-Mikrofon-Paare auf Hin- und Rückweg • unabhängig von der feuchte- und temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit • (Messstrecke L, Windgeschwindigkeit v, Schallgeschwindigkeit c, Laufzeiten T1 und T2) T1 = L · (c + v) und T2 = L · (c − v) L L +v = −v ⇒c = T2 T1 ⇒v= Aerospace Systems - TU Braunschweig 1 L 1 − 2 T1 T2 6 Meteorologie Grundgrößen Ultraschall-Anemometer (2) Aerospace Systems - TU Braunschweig 7 Meteorologie Grundgrößen Ultraschall-Anemometer (3) • keine beweglichen Teile ⇒ verschleissfrei, selten nach zu kalibrieren oder zu warten • funktioniert auch bei Regen und leichtem Eisansatz; beheizbar • ⇒ Langzeiteinsatz • berührungsfreies Messen ⇒ keine Trägheit • Genauigkeit: 0.1 m/s bis cm/s, Messrate bis 100 Hz • Nachteil: großes Messvolumen (einige Dezimeter); vergleichsweise geringe zeitliche Auflösung Aerospace Systems - TU Braunschweig 8 Meteorologie Grundgrößen Laser-Doppler-Anemometer LDA (1) • Laser-Strahl wird zweigeteilt und vor dem Gerät fokussiert • Fotodetektor registriert die Rückstreuung an Partikeln, die mit dem Luftstrom durch das Messvolumen (Brennpunkt) getragen werden • Das rückgestreute Licht weist eine Frequenzverschiebung gegenüber dem ausgesendeten Licht aufgrund der Fluidbewegung v auf (DopplerEffekt). • Die Doppler-Frequenzverschiebung ist direkt proportional zur Geschwindigkeitskomponente vs der rückstreuenden Partikel Aerospace Systems - TU Braunschweig 9 Meteorologie Grundgrößen Laser-Doppler-Anemometer LDA (2) Laser-Doppler-Anemometer der PTB Braunschweig Aerospace Systems - TU Braunschweig 10 Meteorologie Grundgrößen Laser-Doppler-Anemometer LDA (3) • Vorteile: keine beweglichen Teile ⇒ verschleissfrei, selten nach zu kalibrieren oder zu warten • Messungen können strom-auf, d.h. störungsfrei vor dem Gerät durchgeführt werden • unempfindlich gegenüber Druck- und Temperaturschwankungen • Nachteil: benötigt Partikel! Aerospace Systems - TU Braunschweig 11
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