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Wie Ultraschall-Windgeschwindigkeitsanemometer funktionieren

Ein Ultraschallanemometer ist eine Art Windgeschwindigkeitsmessgerät, das die Eigenschaften von Ultraschallwellen nutzt. Im Gegensatz zu mechanischen Anemometern, die zur Erfassung der Windgeschwindigkeit auf physische Teile angewiesen sind, messen Ultraschallanemometer die Windgeschwindigkeit anhand der Zeit, die Ultraschallwellen für die Ausbreitung zwischen den Sensoren benötigen.



Ein Ultraschall-Anemometer besteht aus mindestens zwei Ultraschallwandlern (oder Transceivern), die Ultraschallwellen sowohl aussenden als auch empfangen können. In einem typischen Aufbau sind diese Wandler in einer präzisen Anordnung (oft orthogonal oder im 90-Grad-Winkel zueinander) positioniert, um Messwerte der Windgeschwindigkeit und -richtung über mehrere Achsen hinweg zu liefern.


Das Funktionsprinzip eines Ultraschallanemometers basiert auf der Physik der Schallwellenausbreitung. Wenn das Anemometer einen Ultraschallimpuls aussendet, wandert dieser Impuls durch die Luft von einem Wandler zum anderen. Die Geschwindigkeit der Schallwelle wird durch die Bewegung der Luftmassen beeinflusst, durch die sie sich bewegt – mit anderen Worten, durch den Wind.


In ruhiger Luft würde der Schallimpuls die gleiche Zeit brauchen, um von Wandler A zu Wandler B zu gelangen, wie von Wandler B zu Wandler A. Wenn jedoch Wind weht, wird er entweder schneller oder langsamer Laufzeit der Schallwelle. Wenn der Wind in die gleiche Richtung wie die Schallwelle weht, gelangt er schneller zum Empfangswandler. Wenn der Wind dagegen entgegen der Richtung der Schallwelle weht, ist die Ankunftszeit langsamer.


Durch die Messung der Zeit, die der Ultraschallimpuls benötigt, um zwischen den Wandlern in jede Richtung zu wandern, kann das Anemometer die Windgeschwindigkeit berechnen. Der Unterschied in der Laufzeit ist direkt proportional zur Windgeschwindigkeit parallel zur Linie zwischen den Wandlern.


Zur Messung der Windrichtung werden oft mehr als zwei Geber verwendet, typischerweise in einer Anordnung mit drei oder vier Gebern. Durch den Vergleich der Unterschiede in den Laufzeiten mehrerer Geberpaare kann das Anemometer auch die Richtung berechnen, aus der der Wind weht.


Ultraschallanemometer werden wegen ihrer Präzision und Zuverlässigkeit geschätzt. Sie haben keine beweglichen Teile und sind daher weniger anfällig für mechanische Ausfälle und Verschleiß. Sie reagieren außerdem schnell auf Änderungen der Windgeschwindigkeit und -richtung und eignen sich daher ideal für Anwendungen, die Winddaten in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit benötigen, z. B. Wetterstationen, Windkraftanlagen oder Atmosphärenforschung.


Ultraschallanemometer haben jedoch auch ihre Grenzen. Sie können beispielsweise durch Temperaturschwankungen, Luftfeuchtigkeit oder andere Umweltfaktoren beeinflusst werden, die sich auf die Schallgeschwindigkeit auswirken können. Um diese Herausforderungen zu meistern, verfügen die meisten Ultraschallanemometer über Temperatursensoren und verwenden ausgefeilte Algorithmen zur Korrektur dieser Umgebungsfaktoren, um genaue und zuverlässige Windgeschwindigkeits- und -richtungsmessungen zu gewährleisten.


Außerdem ist die gemessene Windgeschwindigkeit an der Position des Anemometers möglicherweise nicht die Windgeschwindigkeit vor der Turbine. Der Rotor entzog dem Wind bereits etwas Energie und könnte die Windrichtung abgelenkt sowie die Turbulenzintensität hinter dem Rotor erhöht haben.


Daher hat jeder OEM einige individuelle Korrekturfunktionen für Windgeschwindigkeit und -richtung gemessen, die auf die Windgeschwindigkeitsmessungen angewendet werden. Leider sind diese Korrekturfunktionen nicht öffentlich und manchmal verwendet der Algorithmus sogar die Leistungsausgabe als Korrekturfunktionseingabe. Darüber hinaus können sich diese Korrekturfunktionen im Laufe der Zeit nach einem Software-Update oder Parameter-Update der Turbine ändern.


Dies hat enormen Einfluss auf die rechtlich verbindliche Leistungskurve einer Anlage. Man kann nicht einmal darauf vertrauen, dass diese Korrekturen individuell für leistungsschwache Turbinen vorgenommen wurden. Mit der Leistungsüberwachung von Turbit haben Sie jedoch die Chance, selbst kleinste Änderungen in diesen Einstellungen zu bemerken. Aufgrund der Tatsache, dass wir all diese verschiedenen Variablen, die sich auf die Turbinenleistung auswirken, als Eingabe verwenden, können wir selbst kleinste Änderungen im Verhältnis von Leistung zu Wind erkennen. Wenn Turbit ein Ereignis erkennt, kann dies nur zwei Gründe haben: Entweder wurde die Funktion zur Windgeschwindigkeitskorrektur aktualisiert, oder es liegt tatsächlich eine Änderung im Leistungsabgabeverhalten der Turbine vor.

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