Anemometri
Anemometri on mittalaite tuulen tai muun ilmavirtauksen nopeuden mittaamiseen, ja se on yksi sääasemalla käytettävistä laitteista. Termi on peräisin kreikan kielen tuulta merkitsevästä sanasta "anemos".
Anemometrit voidaan jakaa kahdenlaisiin laitteisiin: tuulen nopeutta mittaaviin ja tuulen painetta mittaaviin. Tuulen nopeuden ja paineen välillä on läheinen yhteys, ja kummankinlaisella laitteella saadaan tietoa näistä molemmista tuulen ominaisuuksista.
Yksinkertaisin anemometrityyppi on kuppianemometri, jonka on keksinyt tri John Thomas Romney Robinson Armaghin observatoriosta 1840-luvulla.. Se koostuu neljästä puolipallon muotoisesta kupista, jotka on kiinnitetty neljään vaakasuoraan varteen. Varret kiinnittyvät pystysuoraan tolppaan samansuuruisissa kulmissa toisiinsa nähden. Mihin tahansa suuntaan kohdistuva vaakasuora ilmavirta pyörittää kuppeja tavalla, joka on verrannollinen tuulen nopeuteen. Täten laskemalla kuppien kierrokset tietyssä aikavälissä tuottaa keskimääräisen tuulen nopeuden. Nelikuppisesta anemometristä on helppo huomata, että koska kupit on sijoitettu symmetrisesti varsien päihin, yhden kupin kovera puoli on aina tuuleen päin, ja vastaavasti tuuli puhaltaa vastakkaisella puolella olevan kupin selkäpuolelle. Tutkimalla rakenteeseen vaikuttavia voimia voi todeta, että työntövoima on suurempi koveralla puolella, ja tämä ero saa kupit pyörimään.
Suunnitellessaan anemometrinsä, Robinson väitti, että olipa kuppien koko tai varsien pituus mikä hyvänsä, kuppien lineaarinen nopeus oli aina yksi kolmasosa tuulen nopeudesta. Eräät riippumattomat kokeet ilmeisesti vahvistivat tämän päätelmän, mutta se oli hyvin kaukana totuudesta. Myöhemmin huomattiin, että oikea suhde tuulen ja kuppien nopeuden välillä, jota kutsutaan anemometrikertoimeksi, riippui kuppien ja varsien mittasuhteista, ja kenties oikea arvo oli suuruusluokkaa kaksi - vähän yli kolme. Virheestä seurasi se, että monissa virallisissa 1800-luvun julkaisussa ilmoitetut tuulen nopeudet olivat usein virheellisiä.
Kanadalaisen John Pattersonin vuonna 1926 kehittämä kolmekuppinen anemometri ja yhdysvaltalaisen Breevoort & Joinerin myöhemmät kuppien parannukset vuonna 1935 tuottivat kuppiratasmallin, joka oli lineaarinen ja jonka virhe oli pienempi kuin 3% alle 25 m/s:n tuulen nopeuksissa. Patterson havaitsi, että kukin kuppi tuottaa parhaan vääntömomentin ollessaan 45 asteen kulmassa tuulen suuntaan nähden. Kolmekuppisella anemometrillä oli tasaisempi vääntömomentti ja se reagoi nopeammin tuulenpuuskiin kuin nelikuppinen anemometri.
Australialainen Derek Weston paransi kolmekuppista anemometriä vuonna 1991 siten, että se mittaa sekä tuulen suuntaa että nopeutta. Weston lisäsi yhteen kuppiin läpän, joka saa rattaan vuorotellen lisäämään ja hidastamaan vauhtia läpän kulkiessa myötä- ja vastatuuleen. Tuulen suunta voidaan mitata näistä nopeuden jaksoittaisista muutoksista ja tuulen nopeus mitataan tavalliseen tapaan rattaan keskinopeudesta.
Muunmallisia mekaanisia nopeusanemometrejä voidaan nimittää tuulimylly- tai propellityyppisiksi. Robinsonin anemometrissä pyörähdysakseli on pystysuora, mutta tuulimyllytyyppisessä anemometrissä akselin on oltava tuulen suuntainen eli vaakasuora. Lisäksi, koska tuulen suunta vaihtelee, ja akselin täytyy seurata sen muutoksia, täytyy käytössä olla tuuliviiri. Propellianemometrissä käytetään potkurin ja peräsimen yhdistelmää samalla akselilla, jotta saadaan tarkat tuulen suunta- ja nopeusarvot samasta laitteesta. Tilanteissa, joissa ilman liike on aina saman suuntaista, kuten kaivosten ja rakennusten ilmastointikanavissa, tuulimyllyillä saadaan hyviä tuloksia.
Kuumalanka-anemometreissä käytetään hyvin ohutta johtoa (muutaman mikrometrin paksuusluokassa), joka lämmitetään tiettyyn ympäristöä lämpimämpään lämpötilaan. Langan ohi virtaava ilmavirta viilentää johdinta. Koska useimpien metallien resistanssi riippuu metallin lämpötilasta (volframi on yleisesti käytetty metalli lämpölangoissa), johtimen resistanssin ja ilmavirran nopeuden suhde voidaan määrittää.
On olemassa monta tapaa toteuttaa tämä. Kuumalankalaitteet voidaan edelleen jakaa tasavirtaisiin, tasajännitteisiin ja tasalämpötilaisiin anemometreihin. Näiden anemometrien mittausarvo on siis tulos jonkinlaisesta virtapiiristä, jossa laite pyrkii pitämään tietyn muuttujan (virta, jännite, lämpötila) vakiona.
Myös ns. pulssinleveysmodulaatioon perustuvia anemometrejä käytetään. Niissä ilmavirran nopeus päätellään mittaamalla ajallinen kesto toistuvasta pulssista, joka saattaa langan määrättyyn resistanssiin, jonka jälkeen virta katkaistaan, kunnes saavutetaan tietty alaraja-arvo, jossa pulssi aloitetaan uudestaan.
Kuumalanka-anemometrit ovat helposti särkyviä, mutta niillä on äärimmäisen hyvä taajuusvaste ja hienojakoinen avaruudellinen erottelukyky verrattuna muihin mittaustapoihin. Niitä käytetäänkin yleisesti turbulenssien yksityiskohtaiseen mittaukseen, ja muissa tutkimuksissa joissa nopeat nopeusvaihtelut ovat merkittäviä. Niiden kalibrointi ei pysy stabiilina, ja sade aiheuttaa ongelmia.
Laser-doppler-anemometrissa käytetään lasersädettä, joka jaetaan kahteen säteeseen, joista toinen lähetetään ulos anemometristä. Säteen ulostullessa läheiset ilmamolekyylit siroavat valoa takaisin laitteen sisälle detektoriin, jossa valo mitataan suhteessa alkuperäiseen lasersäteeseen. Liikkeessä olevat ilmamolekyylit aiheuttavat doppler-ilmiön lasersäteessä, jota voidaan käyttää molekyylien nopeuden laskemiseen.
1970-luvulla ensi kerran kehitetyissä akustisissa anemometreissä käytetään ultraääniaaltoja tuulen nopeuden ja suunnan mittaamiseen. Ne pystyvät mittaamaan tuulen nopeutta joka suunnassa. Avaruudellinen erottelutarkkuus määrittyy muuttimien välisen etäisyyden välillä. Tämä väli on tyypillisesti 10-20 cm. Akustisella anemometrillä pystytään mittaamaan hyvin tarkalla aikaresoluutiolla, 20 Hz tai tarkemmin. Tästä syystä ne sopivat hyvin turbulenssimittauksiin. Liikkuvien osien puuttuminen tekee niistä hyvin sääasemille sopivia. Suurin äänianemometrin haittapuoli on se, että muuntimia kannattava rakenne aiheuttaa vääristymiä ilmavirtaan. Vääristymän johdosta tarvitaan korjauksia, jotka pitää määrittää tuulitunnelikokeilla vaikutuksen minimoimiseksi. Kansainvälinen standardi ISO 16622 määrittää hyväksymistestimenetelmät äänianemometreille.
Kaksiulotteisia (tuulen nopeus ja suunta) äänianemometrejä käytetään pienissä sääasemissa, laivojen navigaatiossa, tuuliturbiineissa ja ilmailussa.
Ensimmäiset painetta mittaavat anemometrimallit jakautuivat levy- ja putkimalleihin.
Levyanemometrit olivat varhaisimmat anemometrit, jotka koostuvat ainoastaan litteästä levystä, joka on yläpäästään kiinni siten, että tuuli kääntää levyä. Levyanemometrejä kehittivät italialainen Leon Battista Alberti noin vuonna 1450 ja Robert Hooke vuonna 1664. Myöhemmät versiot levyanemometristä koostuivat litteästä nelikulmaisesta tai pyöreästä levystä, joka kääntyi kohtisuoraan tuulta päin tuuliviirin avulla. Tuulen painetta levyn pinnalla tasapainottaa jousi. Jousen puristustila määrittää voiman, jonka tuuli kohdistaa levyyn, ja tämä voidaan lukea asteikolta tai rekisteröintilaitteesta. Tämänkaltaiset laitteet eivät reagoi kevyeen tuuleen, ovat epätarkkoja voimakkaassa tuulessa ja reagoivat hitaasti vaihtelevaan tuuleen. Levyanemometrejä on käytetty laukaisemaan kovan tuulen hälytyksiä silloilla.
James Lindin vuoden 1775 anemometri koostui yksinkertaisesti U:n muotoisesta nestettä sisältävästä putkesta (manometristä), jonka toinen pää on vaakasuoralla mutkalla tuulta päin ja toinen pää pystysuorassa ilmavirran linjalla. Lind ei ollut ensimmäinen, joka rakensi tällaisen anemometrin, mutta hänen laitteensa oli käyttökelpoisin ja tunnetuin tämäntyyppinen anemometri. Kun tuuli puhaltaa putken suuhun, se aiheuttaa paineen nousun toisella puolen manometriä. Pystysuoran putken yläpuolella puhaltava tuuli aiheuttaa vain pienen paine-eron toisella puolen manometriä. Paine-erosta seuraava nestepinnan muutos U-putkessa osoittaa tuulen nopeuden. Pienet poikkeamat tuulen oikeasta suunnasta aiheuttava suuria eroja lukemiin.
William Henry Dinesin vuonna 1892 kehittämä hyvin onnistunut metallipaineputkianemometri käytti samanlaista paine-eroa suoran tuulta päin kohdistetun putken suun ja yläpäästään suljetun pystysuoran putken, jossa oli rinki pieniä reikiä, välillä. Molemmat kiinnitetään samalle korkeudelle. Paine-erot, joihin toimintaa perustuu, ovat pieniä, ja niiden rekisteröimiseen tarvitaan erityisiä toimia. Rekisteröintilaitteessa on uimuri suljetussa, osittain vedellä täytetyssä kammiossa. Suora putki on yhdistetty kammion yläosaan ja pienet putket on yhdistetty uimurin sisälle alaosaan. Koska paine-ero määrää uimurin pystysuoran sijainnin, tämä osoittaa tuulen nopeuden.
Putkianemometrin vahvuus on se, että tuuleen kohdistettu pää voidaan sijoittaa korkean pylvään kärkeen, eikä se vaadi öljyämistä tai muuta huoltoa vuosiin. Rekisteröintilaite puolestaan voidaan sijoittaa mihin tahansa sopivaan paikkaan. Laitteessa tarvitaan kaksi yhdysputkea. Voisi luulla, että yksi yhteys riittäisi, mutta paine-erot, johon laitteen toiminta perustuu, ovat niin pieniä, että ilmanpaine huoneessa, johon rekisteröintilaite on sijoitettu, täytyy huomioida. Jos laite perustuu yksin paine- tai alipainevaikutukseen ja tämä paine- tai alipaine mitataan verrattuna tavallisen huoneen ilmanpaineeseen, esimerkiksi sanomalehden polttaminen pesässä voi aiheuttaa muutoksen, joka vastaa 4 m/s tuulta. Oven tai ikkunan avaaminen voi muuttaa lukeman täysin.
Vaikka Dinesin anemometrissä oli vain 1 %:n virhe tuulella, jonka nopeus on 4 m/s, se ei reagoinut kovin hyvin pieniin tuulennopeuksiin, koska litteään levyyn perustuva tuuliviiri ei kääntänyt laitetta tarpeeksi tarkasti kevyessä tuulessa. Vuonna 1918 aerodynaaminen tuuliviiri, jonka vääntömomentti oli kahdeksankertainen verrattuna litteään levyyn, ratkaisi tämän ongelman.
Putkianemometri mittaa painetta, vaikka mittaustulosta merkitään yleensä nopeusasteikolla. Tilanteissa, joissa ilman tiheys eroaa huomattavasti kalibraatioarvosta (kuten korkealla vuorella tai poikkeuksellisen voimakkaan matalapaineen aikana), mittapoikkeama täytyy huomioida. Noin 5% pitää lisätä putkianemometrillä mitattuun nopeuteen jokaista kilometriä merenpinnan korkeudesta kohden.