Anemometer

Ein historisches Schalenanemometer

Als Anemometer (von altgriechisch anemos (ἄνεμος) = ‚Wind‘, und métron (μέτρον) = ‚Maß‘) oder Windmesser werden verschiedene Messinstrumente zur lokalen Messung der Geschwindigkeit eines Strömungsfeldes bezeichnet, insbesondere der Windgeschwindigkeit.

Geschichte

Die Ausführung eines Anemometers von Rudolf Fuess in Berlin (um 1900)

Das älteste bekannte Anemometer ist die Windplatte, die auch Platten-, Schwingplatten-, Druckplatten-, oder auch Deflektionsplatten-Anemometer genannt wird. Dieses Instrument wurde vermutlich 1450 von dem italienischen Architekten Leon Battista Alberti erfunden und danach von Leonardo da Vinci um 1500 in einer Skizze nach eigener Bauweise beschrieben.

Im Jahr 1667 erwähnt die Königliche Gesellschaft in London erneut ein Schwingplatten-Anemometer. Die Wiedererfindung wird Robert Hooke zugeschrieben. Robert Hooke und Sir Christopher Wren hatten ein gemeinsames Interesse an der Meteorologie, beide starteten sehr früh mit ihren Entdeckungen und sie entwickelten im Alter von 15 Jahren den ersten Thermographen. 1663 wurde die Apparatur mit einem Niederschlags- und Windmesser erweitert. Zwischen 1672 und 1678 hat Hooke einem von ihm entwickelten kombiniertem Wetteraufzeichnungsgerät ein erstes Flügelrad-Anemometer hinzugefügt. Eine Beschreibung davon wurde 1726 im Weather Wiser veröffentlicht. Nach der Fertigstellung seines Wetteraufzeichnungsgerätes arbeitete er an der Weiterentwicklung des Flügelanemometers und stellte 1683 ein tragbares Gerät vor, welches die Anzahl der Umdrehungen anzeigen und den Anstellwinkel der Flügel zum Wind verändern konnte.

Nach einer weiteren Variante des Flügelrad-Anemometers durch Christian Wolff im Jahr 1743 erfand Wolltmann 1790 ein Wasserströmungsmesser mit Flügelrad. Das Instrument verfügte über zwei Flügel und einen Umdrehungszähler. Man sagt Wolltmann nach, er habe vorgeschlagen, dieses als Anemometer zu verwenden.

1837 baute der Chefingenieur einer französischen Mine Charles Combes ein von Wolltmanns Wasserströmungsmesser abgeleitetes Anemometer. Dieses hatte einen Schutzreifen um das Flügelrad und ebenfalls ein Rotations-Zählwerk. Zwischen 1845 und 1862 wurde das Messgerät um einen Schalter erweitert, mit dem das Zählwerk ein- und ausgekoppelt werden konnte. Diese Apparatur wurde später noch um eine Rückstellmöglichkeit erweitert, mit der der Zähler des Zählwerkes auf null gestellt werden konnte. Dieses Anemometer konnte für Windgeschwindigkeiten von 0,4 bis 5 m/s eingesetzt werden, so wie es in der Grubenbewetterung erforderlich war.

In England wurden diese nach Benjamin Biram als Biram's Anemometer bezeichnet, der 1842 auf diese Bauart als erster ein Patent erhielt. Sie wurden seit 1845 von John Davis in Derby hergestellt, ab ca. 1862 mit einem umlaufenden Schutzring von Casarelli.

Von L. Casella of London wurde dann um ca. 1870 ein Anemometer entwickelt, um die Lüftung in einem Krankenhaus zu messen. Dieses Instrument konnte nun schon Strömungen von 0,27 bis 50 m/s messen.

Eine andere Messmethode mit einem Staudruckrohr wird nach James Lind als Lind's Anemometer bezeichnet.

Das erste manometrische Anemometer, um ein solches handelt es sich bei dem Lind'schen Anemometer, wurde 1721 von Pierre Daniel Huet, Bischof von Avranches in der Normandie, Frankreich, beschrieben. Der Apparat bestand aus einem mit Quecksilber gefüllten U-Rohr. Das eine Ende des Rohres wurde um 90 Grad abgewinkelt und mit der Öffnung zum Wind ausgerichtet. Der Unterschied der Quecksilber-Höhen im U-Rohr ist zum Winddruck und folglich zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit proportional.

Der englische Pastor Stephen Hales beschrieb 1743 eine ähnliche Vorrichtung. Dieser Apparat wurde mit Wasser gefüllt und war so für niedrigere Windgeschwindigkeiten empfindlicher.

1775 beschrieb dann Lind in seinem Werk Description and use of a portable windgauge ein Druckrohr-Anemometer, welches das erste praktische Instrument seiner Art war.

1846 wurde dann vom Astronomen Thomas Romney Robinson durch ein neu von ihm entwickeltes Anemometer mit Halbkugelschalen die Windgeschwindigkeit gemessen. Diese Konstruktion hatte zunächst nur zwei solcher Schalen, später wurde dann zwecks gleichmäßigerer Drehkraft ein weiteres Schalenpaar überkreuz dazu angeordnet. Dieser Typ eines Anemometers ist als Schalenanemometer noch heute für meteorologische Messungen im Gebrauch. Es dürfte die bekannteste Bauform eines Anemometers sein.

Windplatte

Modell einer Windplatte, die Windgeschwindigkeit kann an einer Skala abgelesen werden.

Zwei bekannte Ausführungen: Schwingplatte und Deflektionsplatte.

Schwingplatten-Anemometer: Rechtwinkelige Platte, die an ihrer oberen Kante drehbar gelagert ist. Je nach Windgeschwindigkeit wird die Platte mehr oder weniger aus ihrer senkrechten Lage bewegt. An einer Skala hinter der Platte kann über den Winkel derselben die Windstärke abgelesen werden.

Deflektionsplatten-Anemometer, auch Druckplatten-Anemometer genannt: Hier steht eine Platte flächig frontal gegen den Wind und wird von diesem ohne Veränderung des Neigungswinkels auf einer Gleitschiene linear zur Windrichtung verschoben. Ein Zugseil, welches über eine Lenkrolle mit einem Gewicht straff gehalten wird, bewegt einen Zeiger über eine ablesbare Skala.

Diese einfachen Messvorrichtungen können nur ungenau die Windgeschwindigkeit anzeigen, teils dadurch bedingt, dass es in der Natur des Windes liegt, selten gleichmäßig zu strömen, teils dadurch, dass bei der Reaktion der Windplatte ein Massenträgheitsmoment ein sofortiges Ansprechen verhindert. Zudem pendelt oder schwingt die Platte eigenen Gesetzen der Schwerkraft oder des Rückfederns – je nach Bauweise – gehorchend und zeigt dann abweichende Ergebnisse an.

Flügelrad-Anemometer

Modell eines Flügelrad-Anemometers (ohne Anzeigevorrichtung)

Ein Flügelrad-Anemometer ist im Prinzip eine kleine, nahezu freilaufende Windkraftanlage: Bei hindurchströmendem Fluid dreht sich der Rotor gerade so schnell, dass die meist sechs bis zehn steil angestellten Blätter fast parallel zur Blattfläche angeströmt werden. Der potenziell viel größere Auftrieb gleicht lediglich den Strömungswiderstand und die Reibung der Lagerung und ggf. einer Anzeigevorrichtung aus. Für einen niedrigen Anlaufwiderstand ist das Rad sehr leicht gebaut und die Achse dünn; ein umgebender zylindrischer Ring dient dem mechanischen Schutz. Bei modernen Instrumenten mit optischem oder magnetischem Geber kann das Flügelrad kleiner (bis hinunter zu 14 mm Durchmesser) ausfallen, da kein Zählwerk oder Wirbelstromtachometer angetrieben werden muss. Die zu messende Geschwindigkeit der Strömung wird bei modernen Geräten elektronisch aus der Winkelgeschwindigkeit des Flügelrades errechnet, bei älteren Geräten wurde dies mechanisch auf eine Anzeige übertragen, die für die zur Winkelgeschwindigkeit des Flügelrades passende Angabe skaliert ist.

Flügelrad-Anemometer eignen sich zur Messung schwacher Strömungen, halten aber wegen ihres Leerlaufs auch schnelle Strömungen und den Betrieb in Flüssigkeiten aus. Handgeräte sieht man im Einsatz beim Flug- und Segelsport, im privaten Gebrauch, aber auch im professionellen Einsatz unter anderem in der Lüftungs- und Heizungstechnik. Stationäre Flügelrad-Anemometer zur Windmessung benötigen eine Windrichtungsnachführung. Sie sind besser als Schalenanemometer für den Betrieb mit generatorischen Gebern geeignet.

Schalenanemometer

Das Schalenanemometer, auch Schalensternanemometer, oder Kugelschalenanemometer hat eine vertikale Rotorachse - eine Windrichtungsnachführung ist überflüssig. Die Geschwindigkeit, mit der die meist drei halbkugelförmigen Schalen umlaufen, addiert sich stromauf zur Windgeschwindigkeit, während stromab der scheinbare Wind geringer ist. Diese Variation der Anströmung wird durch die Richtungsabhängkeit des c_W-Wertes kompensiert. Dadurch dass der Wind sowohl antreibt als auch bremst, stellt sich eine zum Wind passende Drehzahl ein. Die Schnelllaufzahl beträgt je nach Form der Schalen und ggf. Widerstand einer Anzeigevorrichtung 0,3 bis 0,4. Im Vergleich zum Flügelrad variiert das Drehmoment nicht so stark mit der Schnelllaufzahl, sodass die Drehzahl weniger schnell auf Änderungen der Windgeschwindigkeit reagiert.

Preisgünstige Handgeräte sprechen ab etwa 1 m/s an (Schritttempo), teurere schon bei geringeren Geschwindigkeiten.

Staudruckanemometer

Prandtl-Sonde mit bernoullischer Gleichung

Ein Staudruckanemometer misst den Druckunterschied zwischen Gesamtdruck und statischem Druck. Der Gesamtdruck enthält zusätzlich zum statischen Druck die kinetische Energie der Strömung pro Volumeneinheit und stellt sich ein, wenn sich die Strömung bis zum Stillstand staut. Eine Prandtl-Sonde, siehe Abbildung, hat eine gegen die Strömung gerichtete Öffnung zur Messung des Gesamtdrucks und an ihrem Umfang kleine Öffnungen parallel zur Strömung zur Messung des statischen Drucks. Der Druckunterschied wird mit einem Differenzdruckaufnehmer, früher mit einem U-Rohr-Manometer erfasst bzw. angezeigt. Über die Dichte lässt sich auf die Geschwindigkeit schließen. Insbesondere bei der Anwendung in Gasen ist darauf zu achten, dass die Dichte von Druck und Temperatur abhängt, und in Flüssigkeiten kann sich der hydrostatische Druck bemerkbar machen, insbesondere bei beschleunigter Sonde.

Da die kinetisch Energie quadratisch von der Geschwindigkeit abhängt, eignen sich Staudruckanemometer nicht besonders gut zur Messung kleiner Windgeschwindigkeiten. Staudruckanemometer gehörten früher als Teil des Böenschreibers zur Standardausrüstung von meteorologischen Stationen.

Ultraschallanemometer

Ultraschallanemometer

Ultraschallwellen werden vom Medium, in dem sie sich ausbreiten, mitgeführt, sodass die Laufzeit von Signalen über eine Messstrecke fester Länge von der Durchströmung der Messstrecke abhängt. Laufzeiten können mit hohen Frequenzen (genauer: mit hoher Bandbreite, siehe Pulskompression) präziser bestimmt werden, sodass auf kurze Distanzen hohe Frequenzen verwendet werden. Da die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur und von der Feuchte abhängt, werden stets Laufzeiten in beiden Richtungen bestimmt. Aus der Differenz der Laufzeiten kann auch die virtuelle Temperatur berechnet werden.

Ein Ultraschallanemometer hat meist mehrere Messstrecken zwischen Ultraschallsendern bzw. -empfängern, über die abwechselnd die Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Raumrichtungen gemessen wird. Daraus berechnet eine Messelektronik die horizontale und vertikale Windgeschwindigkeit. Vorteile des Ultraschallanemometers sind die höhere Genauigkeit, das Fehlen von Trägheit im System und die Möglichkeit der zusätzlichen Erfassung der vertikalen Windkomponente. Die Messrate hängt von der Schalllaufzeit auf den Messstrecken ab. Bei drei Messstrecken von je 20 Zentimeter Länge, die nacheinander jeweils in beide Richtungen gemessen werden, beträgt die gesamte Schalllaufzeit rund fünf Millisekunden. Somit sind bis zu 200 Messzyklen pro Sekunde möglich.

Ultraschall-Windsensoren basierend auf akustischer Resonanz

Windsensor basierend auf akustischer Resonanz

Eine neuere Entwicklung auf dem Gebiet der Ultraschall-Windmessung basiert auf akustischer Resonanz. Während konventionelle Ultraschallanemometer auf der Messung der Laufzeit basieren, wird bei den Windsensoren mit akustischer Resonanz eine Ultraschallwelle in einem kleinen Hohlraum reflektiert.

Messprinzip der akustischen Resonanz (Ultraschall Anemometer)

In dem Hohlraum befinden sich mehrere schwingende Membranen, die akustische Ultraschallwellen erzeugen 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 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 angepasst, dass der Hohlraum in Resonanz betrieben wird. Dadurch wird die Messung der Luftgeschwindigkeit unabhängig von der variablen Schallgeschwindigkeit.

Aus aufeinander folgenden Messungen verschiedener Membranenpaare lassen sich die Vektorkomponenten der Luftströmung ermitteln und somit Windgeschwindigkeit und -richtung mathematisch berechnen.

Weitere Prinzipien

Nach der Bauart und dem Messprinzip unterscheidet man neben den oben schon erwähnten Anemometern:

• Hitzdrahtanemometer (thermisches Anemometer): In diesem Fall wird ein Heizdraht erwärmt und mit Wind umströmt. So wird dem Draht Wärme entzogen und mit damit verbundenen Wärmeverlust kann auf die Windgeschwindigkeit geschlossen werden.
• Bei der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) wird mit Laserlicht aus zwei Richtungen ein stationäres Interferenzmuster aufgebaut. Von Strömungen in Fluiden mitgeführten Partikel streuen beim Durchgang durch das Interferenzmuster das Licht. Die Intensität des gestreuten Lichts wird gemessen und aus seinem Zeitverlauf die Geschwindigkeit der Strömung senkrecht zu den Streifen des Interferenzmusters ermittelt.
• Particle Image Velocimetry
• Surface Pattern Image Velocimetry
• Thermoelektrisches Anemometer
• Die Windstärke kann auch ohne die Verwendung eines Messgeräts anhand der Beaufortskala phänomenologisch abgeschätzt werden.

Einsatzbereiche

Windmessung mit einem Hand-Anemometer

Zusammen mit einem Windrichtungsgeber und einer Aufzeichnungseinrichtung sind fest installierte Anemometer Teil von Wetterstationen. Messdaten von temporären Anlagen in entsprechender Höhe sind für die Standortwahl und Auslegung von Windkraftanlagen notwendig. Auf größeren Flugplätzen werden meist von mehreren Messpunkten aus die Daten der Windmessung zur Flugüberwachung übertragen. Am oberen Ende vom Mast eines Segelboots ist häufig ein Schalenanemometer angebracht, das die Stärke des scheinbaren Winds ermittelt.

Siehe auch

• Strömungsmesstechnik

Weblinks

 Commons: Anemometer – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Beschreibung der Entwicklung und des Aufbaus eines Ultraschall-Anemometers
• Digital Anemometer (PDF; 16,6 MB)
• Eigenes Schalenanemometer bauen und mit µController Daten loggen, anzeigen oder ins Netz stellen