Anemomeeter

Kaussanemomeeter, mille leiutas Thomas Romney Robinson aastal 1846

Anemomeeter on mõõteriist, millega mõõdetakse tuule või gaasivoolu kiirust.

Tuule kiiruse määramiseks on mitu võimalust. Seda saab leida tuule rõhust riista pöörlevale osale (kaussanemomeeter, tiivikanemomeeter), Pitot’ toruga õhuvoolu dünaamilise ja staatilise rõhu vahest (manomeetriline anemomeeter), kuumutatud keha tuulest tingitud temperatuurilangusest (termoanemomeeter) või tuule mõjust helilainete liikumisele (helianemomeeter).

Tuule rõhul töötavad anemomeetrid

Kaussanemomeeter

Kolme kausiga kaussanemomeeter koos tuulesuuna mõõtjaga

Kaussanemomeeter on ehituslikult võrdlemisi lihtne seade. See koosneb kolmest või neljast poolkerakujulisest kausikesest. Need kõik asuvad horisontaalsete pulkade otstes, mis on ühendatud vertikaalse võlliga nii, et kausid on omavahel võrdse nurga all. Ükskõik mis suunaline horisontaalne õhuvool liigutab kausse proportsionaalselt tuule kiirusega. Lugedes süsteemi pöördeid kindla ajaperioodi jooksul, leitakse keskmine tuule kiirus, mis kehtib laiale tuule kiiruste vahemikule.

Thomas Romney Robinson ehitas esimesena töötava kaussanemomeetri eksemplari. Ta arvas ekslikult, et puudub seos seadme detailide suuruste ja mõõtmistäpsuse vahel. Ta eeldas, et tulemuseks saadakse alati üks kolmandik tuule tegelikust kiirusest. Tänu põhjalikele uuringutele aga avastati, et nelja kausiga mõõteriistad tekitavad tuule kiiruse mõõtmisel üsna suuri vigu ja mõõtmistäpsus sõltub oluliselt kausside ning neid ühendavate lattide mõõtmetest. Kanadalane John Patterson töötas välja kolme kausiga anemomeetri. Ta leidis, et tuule mõju riistale oli suurim, kui kausid paiknevad tuule suuna suhtes 45-kraadise nurga all. Erinevalt nelja kausiga seadmest vastasid mõõtmistulemused üsna täpselt tegelikule tuule kiirusele (100 km/h puhuva tuule kohta oli viga 3%). Samuti oli seade ka tundlikum tuulepuhangutele, andes seega täpsemaid tulemusi.

Tiivikanemomeeter

Tiivikanemomeeter

Tiivikanemomeeter koosneb kahest erinevast instrumendist: üks tuule kiiruse ja teine tuule suuna mõõtmiseks. Tuule kiirust mõõdab tiivik, õhuvoolu suuna määrab laba, mis on paralleelne tiiviku pöörlemisteljega.

Tänu laba konstruktsioonile, ning vabalt pöörlevale võllile, mille otsas seade seisab, keerab aparaat ennast alati nii, et tuul puhuks tiiviku suunaga risti. See ei sõltu tuule tugevusest ega suunast. Nii saab seade töötada alati oma maksimaalse kasulikkusega, vältides olukordi, kus tuul puhub tiiviku suunas külje pealt, mis ei tagaks täpseid mõõtmistulemusi. Tiivikanemomeeter kinnitatakse tavaliselt maapinnast kõrgemale, näiteks katustele või pikkade mastide otsa. Sellised anemomeetrid on väga levinud ilmavaatlusjaamades, lennujaamades ning laevadel.

Termoanemomeeter

Kuuma traadi anemomeetri sensor

Kõige levinum termoanemomeeter on kuuma traadi anemomeeter. See kujutab endast katmata peenikest kuuma traati. Traadilt saadakse informatsiooni kahel erineval moodusel: läbi traadi lastakse ajaliselt muutumatu elektrivool või hoitakse traati kogu aeg ühtlasel temperatuuril. Mõlemal juhul on konvektsiooni tõttu kaotatud soojus funktsioon õhuvoolust. Mida kiiremini õhk ümber traadi liigub, seda rohkem traat jahtub. Mõõtes traadi temperatuuri konstantsel elektrivoolul või vooluhulka, mida läheb vaja, et hoida traadil ühtlast temperatuuri, saab leida kadumaläinud soojuse määra. Kasutades konvektsiooniteooriat, saab arvutada sellest tuule kiiruse.

Tavaliselt on termoanemomeetri traat tehtud plaatinast või volframist. Traadi diameeter on umbes 4–10 mikronit ja pikkus ligikaudu 1 millimeeter. Kuuma traadi anemomeetrite probleemiks on kasutatavate metallide kõrge hind. Samuti on seade väga õrn, kuna peenike traat võib kergesti puruneda.

Helianemomeetrid

Kolmemõõtmeline ehk täielik helianemomeeter

Helianemomeetrid annavad kolmemõõtmelisi tuule kiiruse mõõtmisandmeid, olles seejuures väga täpsed, kiired ning laia mõõtmisvahemikuga. Sellise kiiruse ja täpsusega mõõtmised aitavad koostada suure resolutsiooniga õhu turbulentseid struktuure.

Mõõteriist koosneb kolmest üksteise suhtes nurga all olevast ultraheli allikas-andur paarist, mille signaalide põhjal arvutatakse turbulentsed vood. Kuna süsteem mõõdab kolmemõõtmeliselt, saab mõõtmistulemustest leida tuule suuna ja kiiruse. Helianemomeetritel puuduvad liikuvad osad, mis teeb seadme hooldamise lihtsaks. Helianemomeeter mõõdab aega, mis kulub ultraheliimpulsi levimiseks allikast vastavasse andurisse. Aeg sõltub andurite vahemaast, helikiirusest ning õhu liikumise kiirusest mööda andurite telgi. Kui tuul puhub paralleelselt ühe teljega, siis heli levimine tuule suunas toimub kiiremini kui tuulega vastupidises suunas. Heliimpulsi levimine tuulega ristuva telje suhtes ei muutu. Helikiirus õhus sõltub temperatuurist, õhurõhust ning õhus olevatest osakestest, nagu udu või tolm. Selleks, et leida tuule kiirust kahe anduri vahel, vahetub anduri roll vastuvõtjast allikaks nii, et heliimpulsid liiguvad mõlemas suunas andurite vahel. Aeg ühest andurist teise avaldub valemiga:

$T={\frac {L}{c+v}}$, kus T – aeg, L – anduritevaheline kaugus, c – helikiirus ja v – õhu kiirus mööda andurite telgi. Tuule kiirus arvutatakse mõlemas suunas: $v={\frac {L}{2}}\left({\frac {1}{t_{1}}}-{\frac {1}{t_{2}}}\right)$, kus v – gaasivoolu kiirus, t₁ ja t₂ – heliimpulsside levimiseks kulunud aeg.

Helianemomeeter mõõdab kuni 100 korda sekundis (sõltuvalt vajadusest). Tänu sellele on seade väga tundlik väikseimalegi õhuvoolu muutusele. Kuna anduritel peab olema mingi tugi, siis paratamatult takistab täpseid mõõtmisi seadme enda konstruktsioon. On välja mõeldud mitmesuguseid disaine, et vähendada seadme enda ehitusest tulenevaid õhuvoolu muutusi.

Helianemomeetrid töötavad enamikus atmosfääritingimustes. Seadme (mõne mudeli) töökindlust võivad segada tugevad vihmad. Vihmapiisad, mis satuvad anduritele, muudavad heliimpulsside levimisaegu. Seda viga üritatakse vältida, jättes anomaalsed mõõtmistulemused automaatselt salvestatavatest andmetest välja.

Probleeme võib põhjustada ka jää tekkimine anduritele, kuid üldiselt on iga seade varustatud soojendavate lisaseadeldistega. Osad instrumendid on varustatud lisasensoritega, et mõõta ka teisi atmosfääriparameetreid, nagu temperatuur, õhuniiskus, õhurõhk.

Meteoroloogilistes mõõtmistes kasutatakse tihti kahemõõtmelisi helianemomeetreid, mis registreerivad ainult kaht tuule kiiruse komponenti. Need ei võimalda määrata otseselt vertikaalseid vooge, kuid on täielikest (kolmemõõtmelistest) helianemomeetritest tunduvalt odavamad ja mehaanilistest anemomeetritest täpsemad.

Akustilise resonantsi anemomeeter

Akustilise resonantsi anemomeeter

Akustilise resonantsi anemomeeter kasutab tuule kiiruse ja suuna mõõtmiseks samuti helilaineid. Seade tekitab väiksesse sisseehitatud õõnsusse resoneeriva seisulaine. Läbi selle õõnsuse liikuv õhk tekitab helilainete faasinihkeid, millest saabki arvutada huvipakkuvaid parameetreid.

Akustilise resonantsi anemomeetrid on väikesed ja vastupidavad. Neil puuduvad liikuvad osad. Kuna seade on väike,saab seda kergesti soojendada ekstreemsete külmade korral, vältides seeläbi seadme jäätumisest tulenevaid mõõtmisvigu. Sarnaselt helianemomeetritega võivad seadme täpsust mõjutada ümbritsev temperatuur, õhuniiskus ja õhurõhk. Arvutuslikult on võimalik neid mõjusid vähendada. Seetõttu on tegemist võrdlemisi hea ja täpse mõõtmisvahendiga. Töö täpsust mõjutavad ka õõnsusse sattunud sademed ja tolm, mille mõju pole arvutuslikult võimalik likvideerida.

Plaatanemomeetrid

Tegemist on esimese ning kõige lihtsama anemomeetriga. Seade koosneb ülevalt rippu lastud siledast plaadist, mis kaldub vastavalt tuule mõjule. Kaldenurgast leitakse tuule kiirus. Hilisemates versioonides on plaadi taha asetatud vedru, mille kokkusurumisjõud on võrdeline tuule kiirusele. Sellised seadmed reageerivad ebatäpselt nõrkade ja väga tugevate tuulte korral. Samuti on need liiga aeglased, et mõõta muutlikke tuuli. Vedruga plaatanemomeetreid kasutatakse oma sobiva kuju tõttu sildadel, hoiatamaks tugevate tuulte eest.

Manomeetrilised anemomeetrid

Toruanemomeetrid

Toruanemomeetri skeem

Toruanemomeetri kõige praktilisema mudeli leiutajaks oli James Lind 1775. aastal. See oli vedelikuga täidetud klaasist U-toru, mille üks ots oli painutatud horisontaalseks. Kui sellest tuul sisse puhus, tõusis teises toru pooles vedelikunivoo. Muutusest sai arvutada tuule kiiruse.

Pitot' toru

Parempoolne seade on Pitot' toru

Pitot' toru mõõdab õhu liikumisel tekkinud dünaamilist rõhku. Torus on mitu käiku, millest keskmine on ühendatu rõhku mõõtva anduriga. Toru külgedele on puuritud väikesed augud, mis jäävad tuule suunaga risti. Neist algavad käigud jõuavad samuti rõhuandurini. Käigud pole omavahel ühenduses. Niimoodi mõõdetaksegi rõhu erinevust.

Tänapäeval kasutatakse selleks üldiselt elektroonilisi elemente, kuid varasematel mudelitel kasutati ka teistsuguseid manomeetreid – tähtis on mõõta rõhkude erinevust. Toru ise on asetatud nii, et keskmine käik oleks suunatud paralleelselt õhu liikumise suunaga ja välimised augud on risti keskmise käiguga. Seetõttu ei saa äärmistesse käikudesse tuul otse sisse puhuda. Tulemuseks saame nn staatilise rõhu. Keskmisse käiku puhub aga ka tuul otse. Seetõttu on keskmises käigus olev rõhk suurem. Kahe mõõtetulemuse vahe ongi dünaamiline rõhk. Selle parameetri abil arvutatakse tuule kiirus.

Pitot' torude probleemiks on ebapiisav täpsus väikeste või ülisuurte (näiteks olukord, kui lennuk ületab helibarjääri) tuulekiiruste korral. Ülisuurte kiiruste korral on võimalik siiski teatavaid korrektuure teha ning Pitot' torusid ikkagi usaldusväärselt kasutada. Pitot' torusid kasutatakse lennunduses lennukite kiiruse määramiseks. Torud on umbes 25 cm pikad ja nende diameeter on ligikaudu 1 cm. Torud kinnitatakse lennukite külge nii, et keskmise käigu ava oleks liikumise suunas. Torud on tavaliselt kas tiibade küljes või otse lennuki ninas. Seadme korrektseks töötamiseks peab jälgima, et torud oleksid puhtad ja jäävabad. Torude jäätumine on põhjustanud ka lennuõnnetusi.

Lisalugemist

• http://www.arm.ac.uk/annrep/annrep2000/node13.html