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풍속계

Anemometer
1846년 존 토마스 롬니 로빈슨에 의해 발명된 반구형 풍속계.

풍속계는 풍속과 방향을 측정하는 장치이다.이것은 일반적인 기상 관측소 악기입니다.이 용어는 그리스어 아네모스(바람)에서 유래했으며 기상학에서 사용되는 풍속 기구를 설명하는 데 사용된다.풍속계에 대한 가장 초기의 설명은 1450년 이탈리아 건축가이자 작가인 레온 바티스타 알베르티에 의해 쓰여졌다.

역사

풍속계는 15세기에 개발된 이후 거의 변하지 않았다.알베르티는 그것을 1450년경에 발명했다고 한다.그 후 몇 세기 동안 로버트 후크 (1635–1703)를 포함한 많은 다른 사람들은 그들만의 버전을 개발했고, 일부는 그 발명가로 잘못 알려져 있었다.1846년, 존 토마스 롬니 로빈슨 (1792–1882)은 네 개의 반구형 컵과 기계식 바퀴를 사용하여 디자인을 개선했습니다.1926년 캐나다 기상학자 존 패터슨(1872-1956)은 1935년 브레보트와 조이너에 의해 개량된 3컵 풍속계를 개발했다.1991년, 데릭 웨스턴은 풍향을 측정하는 기능을 추가했다.1994년에 안드레아스 프플리치는 음속 [1]풍속계를 개발했다.

속도 풍속계

컵 풍속계

컵 풍속계 애니메이션

풍속계의 간단한 형태는 아마 천문대의 존 토마스 롬니 목사에 의해 1845년에 발명되었다.그것은 수직 축에 장착된 수평 팔 위에 4개의 반구형 컵으로 구성되었다.수평 방향으로 컵을 통과하는 공기 흐름은 바람의 속도에 거의 비례하는 속도로 샤프트를 회전시켰습니다.따라서, 정해진 시간 간격 동안 샤프트의 회전수를 계산하면 다양한 속도의 평균 풍속에 비례하는 값이 생성되었습니다.이런 종류의 기구는 회전 풍속계라고도 불린다.

4컵 풍속계를 사용하면 바람은 항상 한 컵의 움푹 패인 부분을 보여주며 반대쪽 컵의 뒷면에 불어옵니다.중공 반구는 구면이 0.38, [2]중공면이 1.42의 항력 계수를 가지므로 컵에 더 많은 힘이 생성되어 중공면이 바람에 노출됩니다.이 비대칭적인 힘 때문에 풍속계의 축에 토크가 생성되어 풍속계가 회전하게 됩니다.

이론적으로 풍속계의 회전속도는 풍속에 비례해야 한다.왜냐하면 물체에 가해지는 힘은 그 물체를 통과하는 기체나 유체의 속도에 비례하기 때문이다.그러나 실제로는 장치에 의해 생성된 난류, 컵 및 지지 암에 의해 생성된 토크에 대한 저항 증가, 마운트 지점의 마찰 증가 등 다른 요인이 회전 속도에 영향을 미칩니다.로빈슨이 풍속계를 처음 설계했을 때, 그는 컵 크기나 팔의 길이에 영향을 받지 않고 컵이 바람 속도의 1/3을 움직인다고 주장했다.이것은 몇 가지 초기 독립적인 실험을 통해 확인되었지만 잘못된 것이었다.대신 풍속계수인 풍속계수는 컵과 암의 치수에 따라 달라지며 2에서 3을 조금 넘는 값을 가질 수 있다.오류가 발견되면 풍속계를 포함한 이전의 모든 실험을 반복해야 했다.

1926년 캐나다인 John Patterson이 개발한 3컵 풍속계와 1935년 미국의 Brevoort & Joiner가 컵을 개량한 결과, 거의 선형에 가까운 반응과 최대 97km/h(60mph)의 3% 미만의 오차가 발생했다.패터슨은 각 컵이 바람의 흐름에 45°일 때 최대 토크를 발생시킨다는 것을 알아냈다.3컵 풍속계도 4컵 풍속계보다 토크가 일정하고 돌풍에 더 빨리 반응한다.

3컵 풍속계는 호주 박사에 의해 추가로 수정되었다.Derek Weston은 1991년에 풍향도 측정했습니다.그는 컵 하나에 태그를 추가해서 태그가 바람과 번갈아 움직이면서 컵휠 속도가 증가하거나 감소하도록 했다.풍향은 이러한 속도의 주기적 변화로부터 계산되며, 풍속은 평균 컵휠 속도로부터 결정된다.

3컵 풍속계는 현재 풍력자원 평가 연구와 실천을 위한 업계 표준이다.

베인 풍속계

기계 속도 풍속계의 다른 형태 중 하나는 베인 풍속계입니다.풍차 또는 프로펠러 풍속계라고 할 수 있습니다.회전축이 수직인 로빈슨 풍속계와 달리 베인 풍속계는 바람의 방향과 평행한 축을 가져야 하며 따라서 수평이어야 한다.또한 바람의 방향이 달라지고 축이 바람의 변화를 따라야 하기 때문에 동일한 목적을 달성하기 위한 풍향기 또는 기타 장치를 사용해야 한다.

따라서 베인 풍속계는 프로펠러와 테일을 동일 [3]축상에 결합하여 동일 기구에서 정확하고 정확한 풍속과 방향 측정을 얻을 수 있다.팬의 속도는 회전수 카운터에 의해 측정되며 전자 칩에 의해 풍속으로 변환됩니다.따라서 단면적을 알고 있으면 부피 유량을 계산할 수 있다.

광산이나 건물의 통풍구와 같은 공기운동 방향이 항상 같은 경우에는 공기계량기로 알려진 풍향계를 사용하여 만족스러운 [4]결과를 얻을 수 있다.

  • 베인 풍속계
  • Vane style of anemometer

    풍속계의 베인 스타일

  • Helicoid propeller anemometer incorporating a wind vane for orientation

    방향성을 위한 풍향계 포함 헬리코이드 프로펠러 풍속계

  • Hand-held low-speed vane anemometer

    휴대용 저속 베인 풍속계

  • Hand-held digital anemometer or Byram anenometer.

    휴대용 디지털 풍속계 또는 바이람 풍속계.

열선 풍속계

열선 센서

열선 풍속계는 주변 온도 이상으로 전기적으로 가열된 가는 와이어(약 몇 마이크로미터)를 사용합니다.와이어를 통과하는 공기는 와이어를 냉각시킵니다.대부분의 금속의 전기 저항은 금속의 온도에 따라 달라지기 때문에(텅스텐은 핫와이어에 널리 사용되는 선택) 와이어의 저항과 공기 [5]속도 사이의 관계를 얻을 수 있습니다.대부분의 경우 풍향기와 결합하지 않는 한 공기 흐름의 방향을 측정하는 데 사용할 수 없습니다.

이를 구현하는 방법은 여러 가지가 있으며 열선 장치는 CCA(정전류 풍속계), CVA(정전압 풍속계) 및 CTA(정온 풍속계)로 더욱 분류할 수 있습니다.따라서 이러한 풍속계의 전압 출력은 옴의 법칙에 따라 특정 변수(전류, 전압 또는 온도)를 일정하게 유지하려는 장치 내 모종의 회로의 결과입니다.

또한 PWM 풍속계를 사용하여 와이어를 소정의 저항까지 끌어올리는 전류의 반복 펄스의 시간 길이로 속도를 추론한 후 역치 "바닥"에 도달할 때까지 정지하고, 그 때 펄스가 다시 송신된다.

열선 풍속계는 매우 섬세하지만 다른 측정 방법에 비해 매우 높은 주파수 응답과 미세한 공간 분해능을 가지며, 난류 흐름 또는 빠른 속도 변동이 관심 있는 흐름에 대한 자세한 연구에 거의 보편적으로 사용된다.

산업용 버전의 가는 와이어 풍속계는 열유량계입니다. 열유량계는 동일한 개념을 따르지만 온도 변화를 모니터링하기 위해 2개의 핀 또는 스트링을 사용합니다.현에는 미세한 와이어가 포함되어 있지만 와이어를 감싸면 내구성이 훨씬 향상되고 파이프, 덕트 및 스택의 공기, 가스 및 배출 흐름을 정확하게 측정할 수 있습니다.산업용 어플리케이션에는 전형적인 열선 풍속계를 손상시키는 먼지가 포함되어 있는 경우가 많습니다.

레이저 풍속계 그리기레이저 빛은 풍속계의 프론트 렌즈(6)를 통해 방출되고 공기 분자(7)로부터 후방 산란됩니다.후방 산란 방사선(도트)이 장치에 재진입하여 반사되어 검출기(12)로 향한다.

레이저 도플러 풍속계

레이저 도플러 풍속계에서, 레이저 도플러 풍속계는 풍속계로부터 전파되는 두 개의 광선으로 나뉘어진 레이저로부터의 광선을 사용한다.빔이 나가는 곳 근처에 공기 분자와 함께 흐르는 미립자(또는 의도적으로 도입된 종자 물질)는 빛을 다시 검출기로 반사하거나 후방 산란하여 원래 레이저 빔에 대해 측정합니다.입자가 큰 움직임을 보일 때, 그들은 레이저 광선의 풍속을 측정하기 위한 도플러 시프트를 생성하는데, 이것은 입자의 속도를 계산하는데 사용되며, 따라서 풍속계 [6]주변의 공기를 계산하는데 사용된다.

3경로를 가진 2차원 초음파 풍속계

초음파 풍속계

3차원 초음파 풍속계

1950년대에 처음 개발된 초음파 풍속계는 풍속을 측정하기 위해 초음파를 사용한다.그들은 변환기 쌍들 사이의 음파 펄스의 비행 시간을 기준으로 풍속을 측정합니다.변환기 쌍의 측정을 결합하여 1차원, 2차원 또는 3차원 흐름에서 속도를 측정할 수 있습니다.공간 분해능은 변환기 사이의 경로 길이로 제공되며, 일반적으로 10 - 20 cm입니다.초음파 풍속계는 20Hz 이상의 매우 미세한 시간 분해능으로 측정할 수 있어 난류 측정에 적합합니다.가동 부품이 부족하기 때문에 염분이 많은 공기나 먼지에 의해 기존의 컵 앤 베인 풍속계의 정확성과 신뢰성에 악영향을 받는 노출된 자동 기상 관측소 및 기상 부표에서 장기간 사용하기에 적합합니다.이들의 주요 단점은 변환기를 지지하는 구조물에 의한 기류 왜곡으로, 이 경우 영향을 최소화하기 위해 풍동 측정에 기초한 보정이 필요하다.이 과정의 국제 표준인 ISO 16622 기상학 -초음파 풍속계/온도계—평균 바람 측정을 위한 합격 시험 방법은 일반적으로 유통되고 있다.또 다른 단점은 빗방울이 소리의 속도를 바꿀 수 있는 강수 때문에 정확도가 떨어진다는 것이다.

음속은 온도에 따라 달라지고 압력 변화에 따라 사실상 안정적이기 때문에 초음파 풍속계를 온도계로 활용하기도 한다.

2차원(풍속 및 풍향) 음속 풍속계는 기상 관측소, 선박 항법, 항공, 기상 부이 및 풍력 터빈과 같은 응용 분야에 사용됩니다.풍력 터빈을 모니터링하려면 일반적으로 3Hz의 [7]풍속 측정의 새로 고침 속도가 필요하며, 이는 음속 풍속계에 의해 쉽게 달성된다.3차원 음속 풍속계는 고속 응답 적외선 가스 분석기 또는 레이저 기반 분석기와 함께 사용할 경우 와공분산법을 이용하여 가스 배출량 및 생태계 플럭스를 측정하는 데 널리 사용된다.

2차원 풍력 센서는 두 가지 유형으로 구성됩니다.

  • 두 가지 초음파 경로:이 센서에는 4개의 암이 있습니다.이러한 유형의 센서의 단점은 바람이 초음파 경로 방향으로 올 때 암이 공기 흐름을 방해하여 측정의 정확도가 떨어진다는 것입니다.
  • 3가지 초음파 경로:이 센서들은 3개의 암을 가지고 있다.측정의 단일 경로 중복성을 제공하므로 센서 정확도가 향상되고 공기역학적 난류가 감소합니다.

음향 공명 풍속계

음향 공진 풍속계

음향 공명 풍속계는 음속 풍속계의 더 최근의 변형이다.이 기술은 Savvas Kapartis에 의해 발명되었고 [8]1999년에 특허를 받았다.기존의 음속 풍속계가 비행 시간에 의존하는 데 반해, 음향 공명 센서는 측정을 수행하기 위해 작은 전용 캐비티 내에서 공명 음향(초음파)파를 사용합니다.

음향 공명 원리

공동에는 초음파 주파수에서 별도의 정파 패턴을 생성하는 데 사용되는 초음파 변환기 배열이 내장되어 있습니다.바람이 공동을 통과할 때 파도의 특성 변화가 발생합니다(위상 이동).각 변환기로 수신신호의 위상변화량을 측정하여 데이터를 수학적으로 처리함으로써 풍속과 방향의 정확한 수평측정을 할 수 있다.

음향 공명 기술은 작은 공동 내에서 측정이 가능하기 때문에 일반적으로 센서의 크기가 다른 초음파 센서보다 작은 경향이 있습니다.음향 공명 풍속계의 크기가 작기 때문에 물리적으로 강하고 가열하기 쉬우며 결빙에 강합니다.이러한 기능 조합은 높은 수준의 데이터 가용성을 달성하고 풍력 터빈 제어 및 전장 기상과 같은 작고 강력한 센서가 필요한 기타 용도에 매우 적합하다는 것을 의미한다.이 센서 유형의 문제 중 하나는 보정된 기계식 센서와 비교할 때 측정 정확도입니다.대부분의 최종 용도에서는 센서의 수명과 설치 후 재보정이 필요하지 않다는 사실로 인해 이 약점을 보완할 수 있습니다.

탁구 풍속계

끈에 부착된 탁구공으로 기본용 공통 풍속계를 구성한다.바람이 수평으로 불면 공을 누르고 움직인다. 탁구공은 매우 가볍기 때문에 가벼운 바람에도 쉽게 움직인다.스트링볼 장치와 수직 사이의 각도를 측정하면 풍속을 추정할 수 있습니다.

이런 풍속계는 대부분 학생들이 직접 만드는 중학교 수준의 교육용으로 사용되지만 비슷한 기기도 피닉스 마스 [9]랜더에 탑재됐다.

압력 풍속계

브리타니아 요트 클럽 클럽하우스 투어, 버지, 풍속계 옥상

압력을 측정하는 풍속계의 첫 번째 디자인은 판과 튜브 등급으로 나뉘었다.

플레이트 풍속계

이것들은 최초의 현대 풍속계입니다.그것들은 바람이 플레이트를 꺾도록 위에서 매달아 놓은 평평한 플레이트로 구성되어 있습니다.1450년, 이탈리아의 미술 건축가 레온 바티스타 알베르티는 최초의 기계 풍속계를 발명했고, 1664년 로버트 후크에 의해 풍속계가 다시 발명되었다.이 형태의 이후 버전은 바람날개에 의해 바람에 대해 정상으로 유지되는 정사각형 또는 원형 평판으로 구성되었다.얼굴에 가해지는 바람의 압력은 스프링에 의해 균형을 잡습니다.스프링의 압축은 바람이 플레이트에 가하는 실제 힘을 결정하며, 이는 적절한 게이지 또는 레코더로 판독됩니다.이러한 종류의 계측기는 가벼운 바람에도 반응하지 않고, 강풍 판독치에 부정확하며, 가변적인 바람에도 반응하는 속도가 느리다.플레이트 풍속계는 교량의 강풍 경보를 울리기 위해 사용되어 왔다.

관풍속계

William Henry Dines에 의해 발명된 튜브 풍속계.가동 부품(오른쪽)은 고정 부품(왼쪽)에 장착되어 있습니다.
워싱턴 산 천문대에 있는 기구들.피토 튜브 고정 풍속계는 오른쪽에 있습니다.
뾰족한 헤드는 피토 포트입니다.작은 구멍은 정적 포트에 연결되어 있습니다.

제임스 린드의 풍속계 1775는 액체 압력계(압력계)가 들어 있는 유리 U관으로 구성되며, 한쪽 끝은 바람을 향하도록 수평 방향으로 구부러지고 다른 쪽 끝은 바람 흐름과 평행하게 유지된다.린드가 처음은 아니었지만, 그것은 가장 실용적이고 가장 잘 알려진 풍속계였다.튜브 입구로 바람이 들어가면 압력계 한쪽이 높아집니다.수직 튜브의 열린 쪽 끝에 부는 바람은 압력계의 다른 쪽에서는 압력의 변화를 거의 일으키지 않습니다.U 튜브의 두 다리에서 발생하는 표고 차이는 풍속을 나타낸다.그러나 정확한 측정을 위해서는 풍속이 튜브의 개방 단부로 직접 들어가야 한다. 바람의 진정한 방향에서 조금만 벗어나면 판독치에 큰 변화가 발생한다.

1892년 William Henry Dines의 성공적인 금속 압력관 풍속계는 바람을 마주하고 있는 곧은 튜브의 열린 입과 상단부에서 닫힌 수직 튜브의 작은 구멍 고리 사이의 동일한 압력 차이를 이용했다.둘 다 같은 높이로 장착되어 있습니다.작용에 따라 달라지는 압력 차이는 매우 작으며, 이를 등록하려면 특별한 수단이 필요합니다.레코더는 부분적으로 물로 채워진 밀폐된 챔버 내의 플로트로 구성됩니다.직선 튜브의 파이프는 밀폐된 챔버의 상부에 연결되며, 소형 튜브의 파이프는 플로트 내부의 하부로 향합니다.압력 차이가 플로트의 수직 위치를 결정하므로 이는 풍속 [10]측정값입니다.

튜브 풍속계의 가장 큰 장점은 노출된 부분을 높은 극에 장착할 수 있고 수년간 오일칠이나 주의가 필요하지 않으며 등록 부분을 편리한 위치에 배치할 수 있다는 것입니다.두 개의 연결 튜브가 필요합니다.언뜻 보면 하나의 연결부가 작동하는 것처럼 보일 수 있지만, 이러한 계측기가 의존하는 압력의 차이가 매우 작기 때문에 기록부가 위치한 실내의 공기 압력을 고려해야 합니다.따라서 기기가 압력 또는 흡입 효과에만 의존하며, 이 압력 또는 흡입을 문과 창문을 조심스럽게 닫고 신문지를 굴뚝에 태우는 일반 실내의 기압과 비교하여 측정하면 10 mi/h(16 km/h)의 바람과 같은 효과를 낼 수 있다.악천후나 문이 열리면 등록이 완전히 변경될 수 있습니다.

다인즈 풍속계는 16km/h(10mph)에서 1%의 오차가 발생했지만, 헤드를 바람으로 전환하는 데 필요한 평판 베인의 반응이 좋지 않아 약한 바람에는 잘 반응하지 않았습니다.1918년 평판의 8배 토크를 가진 공기역학적 베인이 이 문제를 극복했습니다.

피토 튜브 정적 풍속계

최신 튜브 풍속계는 Dines 풍속계와 동일한 원리를 사용하지만 다른 설계를 사용합니다.구현에서는 피토와 정전기라는 두 개의 포트가 있는 피토 튜브인 피토 정전기 튜브를 사용합니다. 이 튜브는 일반적으로 항공기의 공기 속도를 측정하는 데 사용됩니다.피토 포트는 바람이 부는 끝이 뾰족한 튜브의 열린 입의 동적 압력을 측정하고, 정적 포트는 튜브의 측면을 따라 작은 구멍에서 나오는 정적 압력을 측정합니다.피토튜브는 꼬리에 연결되어 있어서 튜브의 머리가 항상 바람을 향하도록 만든다.또한 튜브에 라이밍얼음이 생기는 [11]것을 방지하기 위해 튜브를 가열한다.튜브에서 장치까지 두 개의 라인이 있어 두 라인의 압력 차이를 측정합니다.측정 장치는 압력계, 압력 변환기 또는 아날로그 차트 [12]레코더일 수 있습니다.

밀도가 측정에 미치는 영향

튜브 풍속계에서는 동적 압력이 실제로 측정되지만, 척도는 보통 속도 척도로 눈금이 매겨집니다.온도, 고도 또는 기압의 차이로 인해 실제 공기 밀도가 보정 값과 다를 경우 실제 풍속을 얻기 위해 보정이 필요합니다.약 1.5%(6,000피트 이상 1.6%)를 해수면 1000피트(km당 5%)마다 관 풍속계로 기록한 속도에 더해야 한다.

결빙 효과

공항에서는 동결 강수량을 포함한 모든 조건에서 정확한 바람 데이터를 확보하는 것이 필수적이다.풍속계는 또한 추운 환경에서는 구름 내 결빙이 발생하기 쉬운 풍력 터빈의 작동 모니터링 및 제어에도 필요합니다.얼음은 풍속계의 공기역학을 변화시키고 풍속계의 작동을 완전히 방해할 수 있습니다.따라서 이러한 용도에 사용되는 풍속계는 내부에서 [13]가열되어야 합니다.컵 풍속계와 음속 풍속계 모두 현재 가열식 버전으로 제공됩니다.

기기 위치

풍속이 위치 간에 비교될 수 있도록 지형의 영향을 특히 높이와 관련하여 고려할 필요가 있다.다른 고려 사항으로는 나무와 자연 협곡과 인공 협곡(도시 건물)이 있다.탁 트인 시골 지형의 표준 풍속계 높이는 10미터입니다.[14]

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ "History of the Anemometer". Logic Energy. 2012-06-18.
  2. ^ Sighard Hoerner's Fluid Dynamic Drag, 1965, pp. 3–17, Figure 32 (455페이지 중 60페이지)
  3. ^ World Meteorological Organization. "Vane anemometer". Eumetcal. Archived from the original on 8 April 2014. Retrieved 6 April 2014.
  4. ^ Various (2018-01-01). Encyclopaedia Britannica, 11th Edition, Volume 2, Part 1, Slice 1. Prabhat Prakashan.
  5. ^ "Hot-wire Anemometer explanation". eFunda. Archived from the original on 10 October 2006. Retrieved 18 September 2006.
  6. ^ Iten, Paul D. (29 June 1976). "Laser Doppler Anemometer". United States Patent and Trademark Office. Retrieved 18 September 2006.
  7. ^ Giebhardt, Jochen (December 20, 2010). "Chapter 11: Wind turbine condition monitoring systems and techniques". In Dalsgaard Sørensen, John; N Sørensen, Jens (eds.). Wind Energy Systems: Optimising design and construction for safe and reliable operation. Elsevier. pp. 329–349. ISBN 9780857090638.
  8. ^ 카파티스, Savvas(1999) "유체흐름에 대한 정상파 및 정상파에 대한 이동파를 사용하는 풍속계" 미국 특허 5,877,416
  9. ^ '텔테일 프로젝트'2012년 2월 20일 Wayback Machine에서 아카이브 완료
  10. ^ Dines, W. H. (1892). "Anemometer Comparisons". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 18 (83): 168. Bibcode:1892QJRMS..18..165D. doi:10.1002/qj.4970188303. Retrieved 14 July 2014.
  11. ^ "Instrumentation: Pitot Tube Static Anemometer, Part 1". Mt. Washington Observatory. Archived from the original on 14 July 2014. Retrieved 14 July 2014.
  12. ^ "Instrumentation: Pitot Tube Static Anemometer, Part 2". Mt. Washington Observatory. Archived from the original on 14 July 2014. Retrieved 14 July 2014.
  13. ^ Makkonen, Lasse; Lehtonen, Pertti; Helle, Lauri (2001). "Anemometry in Icing Conditions". Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 18 (9): 1457. Bibcode:2001JAtOT..18.1457M. doi:10.1175/1520-0426(2001)018<1457:AIIC>2.0.CO;2. icon of an open green padlock
  14. ^ Oke, Tim R. (2006). "3.5 Wind speed and direction" (PDF). Initial Guidance to Obtain Representative Meteorological Observations At Urban Sites. Instruments and Observing Methods. Vol. 81. World Meteorological Organization. pp. 19–26. Retrieved 4 February 2013.

레퍼런스

  • W.E. 놀스 미들턴과 애설스턴 F.의 기상계측기.스필하우스, 제3판 개정, 토론토 대학 출판부, 1953년
  • W. E. 놀스 미들턴, The Johns Hopkins Press, 볼티모어, 1969년 기상계측기 발명

외부 링크

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