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Ultraschall-Windmesser: Funktionsprinzip, 2D vs. 3D und Sensorauswahl

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Ultraschall-Anemometer: Funktionsprinzip, 2D vs. 3D und Sensorauswahl

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Was ein Ultraschall-Anemometer tatsächlich misst
Ein Ultraschall-Anemometer misst den Einfluss der Luftströmung auf die Laufzeit eines akustischen Impulses. Die Wandler sind einander über einen oder mehrere bekannte Messwege gegenüber angeordnet. Ein Impuls, der mit dem Wind wandert, kommt früher an als ein Impuls, der gegen den Wind wandert. Aus der Differenz der beiden Laufzeiten ergibt sich die Windkomponente entlang dieses Messwegs.

Zwei sich kreuzende horizontale Messstrecken ermöglichen die Bestimmung der horizontalen Windgeschwindigkeit und -richtung. Ein dreidimensionales Messgerät ergänzt diese durch geneigte oder vertikale Messstrecken, sodass es auch die vertikale Geschwindigkeit ermitteln kann. Da keine Messbecher, Windfahnen oder Propeller zum Einsatz kommen, hängt die Messung nicht vom Anlaufdrehmoment eines sich drehenden Rotors ab. Dies ist vorteilhaft für die Reaktion bei niedrigen Geschwindigkeiten, schnelle Abtastung sowie bei Installationen, bei denen mechanischer Verschleiß unerwünscht ist.

Wie die bidirektionale Laufzeit den Einfluss der Schallgeschwindigkeit weitgehend eliminiert
Bei einer Weglänge L hängen die Laufzeiten der stromabwärts und stromaufwärts gerichteten Impulse sowohl von der Schallgeschwindigkeit c als auch von der Windkomponente v ab. Durch die Messung in beide Richtungen kann die Elektronik den Term für die Luftströmungsrichtung vom gemeinsamen Term für die Schallgeschwindigkeit trennen. Die Temperatur spielt zwar weiterhin eine Rolle für das Signaltiming, die akustische Dämpfung und die Diagnose, muss jedoch nicht wie bei einer Einwegmessung direkt in Windgeschwindigkeit umgerechnet werden.

Das aussagekräftige Ergebnis hängt von mehr als nur der Zeitformel ab. Das Messgerät muss den Impuls konsistent identifizieren, das Nachschwingen kontrollieren, falsche Signale unterdrücken und feste Kanalverzögerungen kompensieren. Weglänge, Wandlerbandbreite, Ansteuerungsamplitude, Verstärkung und Abtastrate bilden daher ein einheitliches Messsystem.