Meteorologie. Dr. Jens Bange Technische Universität Braunschweig Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme

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Peter Albrecht
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1 Dr. Jens Bange Technische Universität Braunschweig Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme Wintersemester 2003 / 4 Aerospace Systems - TU Braunschweig

2 Physikalische Einheit: m/s 2.3 Wind 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

3 Schalenkreuz-Anemometer Aus der Bernoulli-Gl. folgt p total = p static + ρ 2 v2 = p static + q Windkraft auf Körper Projektionsfläche A, Luftwiderstandsbeiwert c W F = c W A q = c W A ρ 2 v2 Anemometer-Gleichung: v = u c2 + c 1 c2 c 1 Aerospace Systems - TU Braunschweig 2

4 Hitzdraht-Anemometer (1) auch Constant Temperature Anemometer (CTA) genannt Prinzip: Stromdurchflossener, sehr dünner Draht oder Film (z.b. 70 µm Quarzfaser mit 0.5 µm Nickelbeschichtung, 3 mm lang) wird über Regelkreis auf konstanter Temperatur (z.b. 250 o C) gehalten Luftströmung kühlt den Draht konvektiv Messgröße ist die Regelspannung U a (King s Gesetz): U 2 a = ( ) A + B (ρv) 1 n (T Draht T Luft ) (mit Materialkonstanten A und B, Luftdichte ρ, Temperaturen T, Windgeschwindigkeit v und n 2 in Abhängigkeit von Reynoldszahl). Aerospace Systems - TU Braunschweig 3

5 Hitzdraht-Anemometer (2) Aerospace Systems - TU Braunschweig 4

6 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

7 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 T 1 und T 2 ) T 1 = L (c + v) und T 2 = L (c v) c = L T 2 + v = L T 1 v ( 1 ) v = L 2 T 1 1 T 2 Aerospace Systems - TU Braunschweig 6

8 Ultraschall-Anemometer (2) Aerospace Systems - TU Braunschweig 7

9 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

10 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 (Doppler- Effekt). Die Doppler-Frequenzverschiebung ist direkt proportional zur Geschwindigkeitskomponente v s der rückstreuenden Partikel Aerospace Systems - TU Braunschweig 9

11 Laser-Doppler-Anemometer LDA (2) Laser-Doppler-Anemometer der PTB Braunschweig Aerospace Systems - TU Braunschweig 10

12 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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