Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy 2013. Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto"

Niilo Hämäläinen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Kojemeteorologia Sami Haapanala syksy 03 Fysiikan laitos, Ilmakehätieteien osasto

2 Tuulen nopeuen ja suunnan mittaaminen Tuuli on vektorisuure, jolla on siis nopeus ja suunta Yleensä tuulella tarkoitetaan vaakasuuntaista tuulta Erikoistapauksissa mitataan myös pystysuuntaista tuulikomponenttia

tuulella tarkoitetaan vaakasuuntaista tuulta

3 Tuulimittarityyppejä Pyörivät mittarit Painevoimatuulimittarit Akustiset tuulimittarit Lämmönsiirtoon perustuvat tuulimittarit

4 Kuppi- ja propellianemometrit Kuppi- ja propellianemometrit vastaavat tuulen aiheuttamaan paine- ja nostevoimaan Pystyakselin ympäri pyörivä kuppianemometri on tunteeton tuulen suunnalle Vaaka-akselin ympäri pyörivä propellianemometri täytyy aina kääntää vasten tuulta

ympäri pyörivä kuppianemometri on tunteeton tuulen suunnalle

5 Kuppi- ja propellianemometrit Ensisijainen ulostulosignaali on pyörimisnopeus, joka luetaan muuttamalla se esim. jännitteeksi tai pulsseiksi Kuppi- ja propellianemometrien vaste on staattisesti lineaarinen

6 Kynnysarvo Pyörivillä anemometreillä on kynnysarvo, joka johtuu lepokitkan ja liukukitkan erosta Kynnysarvoon vaikuttaa esim. mittariin kohistuva tärinä ja sen laakereien vanheneminen

7 Tuulen pystykomponentin vaikutus Ieaalitapauksessa anemometri mittaisi vain tuulen vaakakomponenttia Tällöin vaste olisi cos-funktio tuulen poikkeamasta vaakatasosta Käytännössä kuppianemometrin vaste poikkeaa ieaalisesta Ongelma pienempi propellianemometreillä V cos V

cos-funktio tuulen poikkeamasta vaakatasosta Käytännössä

8 Kuppianemometrin ynaaminen vaste Tuulen esineeseen kohistama painevoima F C AV missä C on esineen aeroynaamisesta muoosta riippuva ns. rag-kerroin, ρ ilman tiheys, A esineen poikkipinta-ala ja V tuulen nopeus.

9 Kuppianemometrin ynaaminen vaste Kuppianemometri on periaatteessa. asteen lineaarinen systeemi V t V V i Aikavakio saaaan anemometrin mitoista I r C AVi C AVi missä I=mr on kuppiristikon hitausmomentti, r säe, m A poikkipinta-ala ja m massa. Aikavakio riippuu siis tuulen nopeuesta!

mitoista I r C AVi C AVi missä I=mr on kuppiristikon hitausmomentti, r

10 Kuppianemometrin ynaaminen vaste: matkavakio Aikavakion sijaan käytetään usein matkavakiota λ: V Matkavakio voiaan myös kirjoittaa kuppiristin mittojen avulla m C vakio A Matkavakio siis riippuu ristikon massasta ja käänteisesti kuppien pinta-alasta. Kuppien etäisyyellä akselista ei ole merkitystä.

mittojen avulla m C vakio A Matkavakio siis riippuu ristikon massasta ja

11 Kuppianemometrin ynaaminen vaste: matkavakio Kuppianemometrin kuppien tulisi siis olla kevyet mutta suuret m C A

12 Kuppianemometrin vaste sinisyötteen tapauksessa Oletetaan että puuskaista tuulta voiaan kuvata sinimuotoisella syötteellä V i =A i sin(ωt). Ulostulosignaalin amplituin suhe syöteamplituiin A A i ( ) Koska τ=λ/v i ja ω=πf=π(v i /λ i ), missä λ i on syötteen aallonpituus, saaaan A A i i

13 Kuppianemometrin vaste sinisyötteen tapauksessa Tyypillinen kuppianemometrin matkavakio on luokkaa 0,5-5 m. Jos esimerkiksi anemometrin matkavakio on 3 m ja puuskan aallonpituus 0 m, amplitui vaimenee lähes 30 %. A A i i

14 Kuppianemometrin vaste puuskaisessa tuulessa Kuppianemometri ei ole aiosti. asteen lineaarinen systeemi, koska sen aikavakio riippuu syötteestä Tämän takia kuppianemometri yliarvioi keskituulta puuskaisessa tilanteessa Punainen viiva on toellinen tuuli Sininen viiva on mitattu tuuli Tuulen keskiarvo saaaan integroimalla kuvaaja ja näemme että sinisen viivan alle jää suurempi pinta-ala

yliarvioi keskituulta puuskaisessa tilanteessa Punainen viiva on toellinen tuuli Sininen viiva

15 Tuuliviiri Tuuliviiri on laite, jossa peräsin on kytketty laakeroituun akseliin Tuulen paine kääntää peräsimen tuulesta poispäin, jolloin tuulen suunta luetaan peräsimen akselista Asento luetaan yleensä sähköisesti potentiometrillä Ainoa merkittävä virhelähe on viirin asentaminen väärin niin, että lukijan pohjoinen ei osoita toelliseen pohjoiseen

akselista Asento luetaan yleensä sähköisesti potentiometrillä Ainoa merkittävä

16 Tuuliviiri Tuuliviiri on ynaamisessa mielessä. asteen systeemi eli sen toimintaa kuvaa. asteen ifferentiaaliyhtälö I t Nr V t missä I on hitausmomentti, N aeroynaamisen voiman vääntömomentti, r akselin ja aeroynaamisen vaikutuksen keskipisteen etäisyys, θ viirin suuntakulma ja θ i tuulen suuntakulma. N( ) i Toisen asteen systeemeille tyypillisiä ovat värähtelyt tasapainoaseman ympärillä

vääntömomentti, r akselin ja aeroynaamisen vaikutuksen keskipisteen etäisyys, θ viirin

17 Pitot-putki Pitot-putken avulla mitataan staattisen ja ynaamisen paineen eroa Paine-ero on verrannollinen virtausnopeuen neliöön Stagnaatioportti Staattiset portit Staattinen paine Dynaaminen + staattinen paine

18 Pitot-putki Pitot-putki suunnataan tarkoin kohti tuulta Putken pään rag-kerroin on ~, joten Pitot-putken staattinen herkkyys on siis huono alhaisilla tuulen nopeuksilla p yn V

19 Pitot-putki Pitot-putki soveltuu huonosti meteorologisiin tuulimittauksiin tarkka suuntausvaatimus huono herkkyys pienillä tuulennopeuksilla Käytetään tuulitunneleissa referenssinä tuulimittareita kalibroitaessa Lentokoneien ilmanopeuen mittaamiseen Kaikissa sovelluksissaan pitot-putki vaatii laaukkaan painemittauksen

tuulitunneleissa referenssinä tuulimittareita kalibroitaessa Lentokoneien

20 Wilin viiri Tuuliviiri kääntää Wilin viirin vasten tuulta Yläreunastaan akseloitu levy nousee ylöspäin kunnes tuulen aiheuttama painevoima ja painovoima ovat tasapainossa

21 Akustinen anemometri lähetin-vastaanotin mittauspolku Kaksi äänipulssia lähetetään mittaustilavuuen yli vastakkaisiin suuntiin Äänipulssien kulkuaikojen erosta saaaan mittaustilavuuen suuntainen tuulennopeuskomponentti

22 Kun tuuli puhaltaa lähetin-vastaanotinparin suuntaisesti saaaan äänipulssien matkaan käyttämät ajat yhtälöistä: t t c Vp c V p Kun tuuli käy poikittain mittauspolkua kohti: Lähetin V Vastaanotin Ääniaalto V t t sin ccos Yleisessä tapauksessa: t t c cos V c cos V p p V n c

23 Tuulen nopeus saaaan eellisen sivun yhtälöistä: V V c V c t t p p p cos cos Tästä saaaan t t V p Mittauspolun suuntainen tuulennopeuskomponentti V p saaaan siis mittaamalla äänen matkaan vastakkaisiin suuntiin kulkiessaan kuluttama aika.

24 Akustisen anemometrin avulla saaaan myös virtuaalilämpötila: c RT v Eelliseltä sivulta RT V c V c t t v p p cos cos cos Kun cos, kuten on ainakin alle 0 m/s tuulissa, saaaan t t T v R R=87 J K - kg - =c p /c v =,4

25 Akustinen anemometri, esimerkki Äänen nopeus ilmassa n. 340 m/s Mittauspolun pituus n. 0 cm Äänipulssilta kuluu matkaan n. 0,6 ms Jos mittauspolun suuntainen tuulennopeus on 5 m/s, ovat matkoihin kuluneet ajat t =580 μs ja t =597 μs Taajuusvastetta rajoittaa mittauspolun pituus Keskituulta mittaavat akustiset anemometrit keskiarvoistavat mittaustuloksia yli useien mittausten Nopeat turbulenssimittauksiin tarkoitetut kolmiulotteiset akustiset anemometrit mittaavat tuulta yleensä 0-0 kertaa sekunnissa

26 Termiset tuulianturit Perustuvat ilmavirtauksen aiheuttamaan lämmön siirtymiseen, joka on ohi virtaavan massavuon (=nopeus x tiheys) funktio Voiaan havainnoia joko anturin jäähtymistä tai siirtynyttä lämpöä Kuumalanka-anemometri pitää langan lämpötilan vakiona säätämällä langassa kulkevaa sähkövirtaa Langan lämmittämiseksi tarvittava sähkövirta on verrannollinen tuulen nopeuteen

27 Termiset tuulianturit Anturin vasteaika voi olla hyvin lyhyt ja se riippuu anturin termisestä massasta Kuumalanka-anemometrejä käytetään nopeuen vuoksi turbulenssimittauksissa Ongelmina kalibroinnin ryömiminen ja sateen aiheuttamat voimakkaat häiriöt

28 Tuulimittarin altistus Koska tuulen nopeus maanpinnan lähellä riippuu voimakkaasti mittauskorkeuesta,on SYNOP-asemien mittauskorkeueksi sovittu 0 m. Tuulen esteitä ei saisi olla millään suunnalla yli 30 korkeuella horisontista Tuulen nopeus ja suunta ilmoitetaan 0 min keskiarvoina

Samankaltaiset tiedostot

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto Kojemeteorologia Sami Haapanala syksy 2013 Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto Yläilmakehän luotaukset Synoptiset säähavainnot antavat tietoa meteorologisista parametrestä vain maan pinnalla Ilmakehän