Serafimovich, Andrei

Siebicke, Lukas

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         UNIVERSITY OF BAYREUTH  Department of Micrometeorology      Ultraschallanemometer-Überprüfung  im Windkanal  der TU Dresden   2007          Lukas Siebicke Andrei Serafimovich     Arbeitsergebnisse Nr. 30 Bayreuth, April 2007                                Arbeitsergebnisse, Universität Bayreuth, Abt. Mikrometeorologie, Print, ISSN 1614-8916 Arbeitsergebnisse, Universität Bayreuth, Abt. Mikrometeorologie, Internet, ISSN 1614-8924 http://www.bayceer.uni-bayreuth.de/mm/  Eigenverlag: Universität Bayreuth, Abt. Mikrometeorologie Vervielfältigung: Druckerei der Universität Bayreuth Herausgeber: Prof. Dr. Thomas Foken  Universität Bayreuth, Abteilung Mikrometeorologie D-95440 Bayreuth  Die Verantwortung über den Inhalt liegt beim Autor.  Inhaltsverzeichnis  1 Einleitung ........................................................................................................................... 4 2 Experimentaufbau .............................................................................................................. 4 2.1 Geräte ......................................................................................................................... 4 2.2 Windkanal .................................................................................................................. 5 2.3 Messprogramm........................................................................................................... 5 2.4 Datenverarbeitung ...................................................................................................... 7 3 Ergebnisse .......................................................................................................................... 7 4 Diskussion ........................................................................................................................ 12 5 Schlussfolgerungen .......................................................................................................... 12 Literatur .................................................................................................................................... 12  1 Einleitung  Vorliegendes Dokument beschreibt die Überprüfung von vier Ultraschallanemometern im Windkanal. Ziel der Untersuchung war die Kontrolle des technischen Zustands der Geräte, um Fehler und Schäden auszuschließen, die möglicherweise im mehrjährigen Betrieb aufgetreten sein könnten. Es sollte die Einsatzbereitschaft für anstehende Forschungsexperimente gestestet werden, insbesondere COPS und EGER. Vorliegende Untersuchung aktualisiert die Arbeit von Mauder (2002), der mit z. T. den gleichen Geräten im selben Windkanal gearbeitet hat.   2 Experimentaufbau  2.1 Geräte Untersucht wurden drei Geräte vom Typ CSAT3 (Campbell Scientific), Abb. 1, und ein USA-1 (Metek), Abb. 3. Im Folgenden wird von Komplex 1 bis Komplex 4 gesprochen mit der in Tabelle 1 angegebenen Zuordnung der Geräte. Zusätzlich wurde zur Simulation von typischen Strömungsbedingungen während Feldeinsätzen der Komplex 1 mit einem Infrarot-Gasanalysator vom Typ LICOR-7500 (Licor, Inc.) (nicht angeschlossen)  und der Halterung für einen schnellen Platintemperatursensor vom Typ AIR 150 bestückt. Die verwendeten Gerätehalterungen entsprechen weitgehend den im Feld verwendeten. Die Komplexe 1 bis 3 waren mit Inklinometern bestückt (nicht angeschlossen). Die Gerätemontage erfolgte auf einem Rohrmast (Komplex 1-3 mit Ausleger), siehe hierzu Abb. 1-4. Der Rohrmast wurde auf einer zu diesem Zweck angefertigten Plattform montiert, die verschiedene Neigungswinkel zulässt. Diese Platte wiederum wurde auf einer windkanaleigenen, drehbaren Plattform montiert, die vom Windkanal angesteuert wurde. Für den Komplex 1+Licor gelten für die Abstände der beiden Geräte:  - Abstand Messstreckenmitte CSAT3 zur Messstreckenmitte LICOR7500: 25 cm, - LICOR7500 5 cm tiefer als CSAT3, - LICOR7500 bei Ausrichtung des CSAT3 nach Norden auf der Westseite, - Abstand CSAT3 Messstreckenmitte zu Platin-Temperaturfühler (nur Halterung montiert): 5 cm.       Tabelle 1: Messgeräte und Komplexzuordnung Komplex Gerätetyp Hersteller Seriennummer/ Inventar Komplex  1 CSAT3 Campbell Sci. 0235-2 / Komplex  2 CSAT3 Campbell Sci.             / 68285 Komplex  3 CSAT3 Campbell Sci. 0322-2 / 68286 Komplex  4 USA-1 Metek 99-05007 / Komplex  1+Licor CSAT3 + LICOR7500 Campbell Sci. + Licor Inc. 0235-2 / 75H-0220 /        Abb. 1: CSAT3 (Campbell)              Abb 2: CSAT3 mit LICOR7500      Abb. 3:   USA-1 (Metek)  2.2 Windkanal Die Messungen wurden im  Niedergeschwindigkeitswindkanal der TU-Dresden durchgeführt. Einige technische Daten des Kanals sind Mauder (2002), S. 37, zu entnehmen. Die wichtigsten Eckdaten: offene Messstrecke,  max. Strahlgeschwindigkeit: 40 m/s bei 3 m Strahldurchmesser bzw. 60 m/s bei 2 m Strahldurchmesser; Turbulenzgrad 0,1 bis 0,5 %; Länge der freien Messstrecke 4,5 m. Die Definition des Koordinatensystems im Windkanal ist Abb. 5 zu entnehmen.                            Abb. 4: CSAT3, geneigt                                                  Abb. 5: Definition Koordinatensystem Windkanal.   2.3 Messprogramm Die in Tabelle 1 aufgelisteten Komplexe wurden nacheinander unter Veränderung von drei Variablen vermessen. Dies sind Windgeschwindigkeit, Anströmwinkel und Neigung. Das Messprogramm, das sich aus der Kombination der Komplexe und genannten Variablen ergibt, ist in Tabelle 2 im Detail dargestellt. Der Komplex 1+Licor wurde mit zwei unterschiedlichen Ausrichtungen des Licor vermessen, nämlich erstens Licor7500 in paralleler Ausrichtung zum CSAT3 und zweitens rechtwinklig zum CSAT3. 0° +-180° 90° -90°  Tabelle 1: Messprogramm  Prozedur Geräte Neig-ung Geschindigkeit Anströmwinkel Schrittweite Dateiname (Windkanal) (Windkanalmessungen_27042007/…) Verzeichnis und Dateiname (CSAT3 und USA-1) Start End 1. CSAT3 (Turbulenz1) (without T sensor) 0° 2 m/s ± 180° 10° CSAT3_Turb_1_N00_G02_A180_S10.erg Turbulenz1 / DR0003.dat 07:24:10 /27.04.07/ 07:39:44 /27.04.07/ 2.  0° 5 m/s ± 180° 10° CSAT3_Turb_1_N00_G05_A180_S10.erg Turbulenz1 / DR0004.dat 07:58:13 /27.04.07/ 08:13:41 /27.04.07/ 3.  0° 10 m/s ± 180° 10° CSAT3_Turb_1_N00_G10_A180_S10.erg Turbulenz1 / DR0005.dat 08:49:53 /27.04.07/ 09:05:02 /27.04.07/ 4.  5° 5 m/s ± 120° 10° CSAT3_Turb_1_N05_G05_A120_S10.erg Turbulenz1 / DR0006.dat 09:20:28 /27.04.07/ 09:30:50 /27.04.07/ 5.  10° 5 m/s ± 120° 10° CSAT3_Turb_1_N10_G05_A120_S10.erg Turbulenz1 / DR0007.dat 09:34:43 /27.04.07/ 09:44:58 /27.04.07/ 6. CSAT3 (Turbulenz2) (without T sensor) 0° 2 m/s ± 180° 10° CSAT3_Turb_2_N00_G02_A180_S10.erg Turbulenz2 / DR0008.dat 10:16:45 /27.04.07/ 10:31:53 /27.04.07/ 7.  0° 5 m/s ± 180° 10° CSAT3_Turb_2_N00_G05_A180_S10.erg Turbulenz2 / DR0009.dat 10:37:40 /27.04.07/ 10:52:32 /27.04.07/ 8.  0° 10 m/s ± 180° 10° CSAT3_Turb_2_N00_G10_A180_S10.erg Turbulenz2 / DR0010.dat 10:57:50 /27.04.07/ 11:12:54 /27.04.07/ 9.  5° 5 m/s ± 120° 10° CSAT3_Turb_2_N05_G05_A120_S10.erg Turbulenz2 / DR0011.dat 11:20:50 /27.04.07/ 11:31:13 /27.04.07/ 10.  10° 5 m/s ± 120° 10° CSAT3_Turb_2_N10_G05_A120_S10.erg Turbulenz2 / DR0012.dat 11:36:52 /27.04.07/ 11:46:52 /27.04.07/ 11. CSAT3 (Turbulenz3) (without T sensor) 0° 2 m/s ± 180° 10° CSAT3_Turb_3_N00_G02_A180_S10.erg Turbulenz3 / DR0013.dat 12:06:30 /27.04.07/ 12:23:11 /27.04.07/ 12.  0° 5 m/s ± 180° 10° CSAT3_Turb_3_N00_G05_A180_S10.erg Turbulenz3 / DR0014.dat 12:31:20 /27.04.07/ 12:47:00 /27.04.07/ 13.  0° 10 m/s ± 180° 10° CSAT3_Turb_3_N00_G10_A180_S10.erg Turbulenz3 / DR0015.dat 12:52:40 /27.04.07/ 13:07:43 /27.04.07/ 14.  5° 5 m/s ± 120° 10° CSAT3_Turb_3_N05_G05_A120_S10.erg Turbulenz3 / DR0016.dat 13:13:05 /27.04.07/ (exact time) 13:23:14 /27.04.07/ (exact time) 15.  10° 5 m/s ± 120° 10° CSAT3_Turb_3_N10_G05_A120_S10.erg Turbulenz3 / DR0017.dat 13:26:46 /27.04.07/ 13:36:56 /27.04.07/ 16. CSAT3 (Turbulenz1), Licor || (with T sensor) 0° 5 m/s ± 180° 10° CSAT3_Licor_7500_0_Grad_N00_G05_A180_S10.erg T1_Licor / DR0001.dat 15:50:41 /26.04.07/ 16:06:02 /26.04.07/ 17. CSAT3 (Turbulenz1), Licor ⊥ (with T sensor) 0° 5 m/s ± 180° 10° CSAT3_Licor_7500_90_Grad_N00_G05_A180_S10.erg T1_Licor_90grad  / DR0002.dat 16:16:31 /26.04.07/ 16:31:53 /26.04.07/  18. USA-1 0° 2 m/s ± 180° 10° USA_1_N00_G02_A180_S10.erg Metek-USA / DR0021.dat 14:32:15 /27.04.07/ 14:47:37 /27.04.07/ 19.  0° 5 m/s ± 180° 10° USA_1_N00_G05_A180_S10.erg Metek-USA / DR0018.dat 14:29:-- (WK time) 13:29:-- (laptop time) /27.04.07/ 13:43:35 /27.04.07/ 20.  0° 10 m/s ± 180° 10° USA_1_N00_G10_A180_S10.erg Metek-USA / DR0022.dat 14:53:40 /27.04.07/ 15:08:50 /27.04.07/ 21.  5° 5 m/s ± 180° 10° USA_1_N05_G05_A180_S10.erg Metek-USA / DR0019.dat 13:47:29 /27.04.07/ 14:02:34 /27.04.07/ 22.  10° 5 m/s ± 180° 10° USA_1_N10_G05_A180_S10.erg Metek-USA / DR0020.dat 14:07:20 /27.04.07/ 14:22:29 /27.04.07/    2.4 Datenverarbeitung Die Messwerte der Windgeschwindigkeit der Komplexe 1-3 sowie Komplex 1+Licor wurden auf einem Campbell Logger CR23X aufgezeichnet und mit dem Programm PC208W von Campbell  und  einem MINI-ITX Computer vom Logger herunter geladen und gespeichert. Die Messwerte des Komplexes 4 wurden mit Hilfe des Programms ‚Tcopy.exe’ von Metek ohne Logger direkt auf einem Laptop aufgezeichnet (geht auf altem Abteilungslaptop an serieller Schnittstelle oder auf neuem Abteilungslaptop mit blauem USB-Seriell-Adapter am strichmarkierten USB-Port und Angabe von COM5 in Tcopy). Die Messwerte der Windgeschwindigkeit der Komplexe 1-3 wurden direkt in m/s aufgezeichnet, die des Komplexes 4 wurden später mit einem Matlab-Skript in m/s konvertiert.  Von der Belegschaft des Windkanals wurden die Kanalgeschwindigkeit und der Drehwinkel (Anströmrichtung) aufgezeichnet. Über die Zeitinformation der Anemometer- und Windkanalmesswerte konnten beide Messungen zusammengeführt werden (Matlab-Skript). Alle Rohdaten der Messgerätekomplexe und des Windkanals sind in  beiliegender zip-Datei zu finden. Ebenfalls dort befinden sich das Programm Tcopy mit Bediehnungsanleitung, die Matlab-Skripte zur Zeitsynchronisation und Konvertierung der mit Tcopy aufgezeichneten Rohdaten sowie die in diesem Bericht enthaltenen Abbildungen.     3 Ergebnisse Die Ergebnisse werden im Folgenden als Relativgeschwindigkeit der Ultraschallanemometermessung gegenüber der Windkanalgeschwindigkeit grafisch dargestellt. Die obere Teilabbildung zeigt jeweils den Einfluss unterschiedlicher Geschwindigkeiten (2, 5 und 10 m/s), die untere den Einfluss unterschiedlicher Neigungswinkel (0°, 5°, 10°) bei konstanter Geschwindigkeit (5 m/s).   Es ergeben sich folgende Befunde: - die Komplexe 1 bis 3 und 1+Licor (d. h. alle mit CSAT3) liefern gute Messungen in einem Sektor von -150° bis + 150° oder etwas größer. Bei Rückanströmung kommt es zu starker Geschwindigkeitsunterschätzung. - Alle Komplexe zeigen bei 5 und 10 m/s und horizontaler Ausrichtung eine maximale Abweichung der Geschwindigkeit von 4 %. Ausnahme: Komplex 1+Locor. Hier wird bei Queranströmung eine durch das Zusatzgerät (Licor7500) um ca. 15% reduzierte Geschwindigkeit gemessen. - die Komplexe 1 bis 3 und 1+Licor zeigen bei frontaler Anströmung tendenziell eine leichte Unterschätzung und im Sektor von +-(90 bis 150°) eine leichte Überschätzung (max. 3%). - bei Neigung werden die Abweichungen bei den Komplexen 1-3 bei frontaler Anströmung etwas größer (max. 8%), ähnlich bei Komplex 4. - Die Messungen bei 2 m/s zeigen ein ähnliches Muster wie bei höheren Geschwindigkeiten, allerdings mit einem Versatz, der eine um bis zu fast 30 % zu geringe Geschwindigkeit zeigt. Dieser Versatz ist vermutlich auf eine zu geringe Windkanalgeschwindigkeit zurückzuführen. Siehe hierzu die Disskussion.       4 Diskussion  Folgende Bemerkungen liefern eine Interpretation für die zu geringe Windgeschwindigkeit der Messungen bei 2 m/s und sollten als Ratschläge für evtl. zukünftige Messungen beachtet werden: - es stehen mehrere Druckdosen zur Verfügung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal. Es sollte auf Montage der Dose für geringe Geschwindigkeiten geachtet werden, - zwischen den Messungen ist ein Nullabgleich gegen den Umgebungsdruck durchzuführen, um eine Drift der Messwerte zu vermeiden, wie sie in den Messungen bei 2 m/s am Freitag, 27.4. aufgetreten ist, - aufgrund der nicht linearen Abhängigkeit von Prandlrohr-Staudruck und Windgeschwindigkeit wirken sich Messfehler wesentlich stärker auf die geringen Geschwindigkeiten aus, - es sollte die Verfügbarkeit alternativer Messtechnik zur Bestimmung der Geschwindigkeit im Kanal geprüft werden, z. B. Hitzdrahtanemometer.    5 Schlussfolgerungen Zusammenfassend ist festzustellen, dass kein gravierendes Fehlverhalten der Ultraschallanemometer festgestellt wurde, was deren Einsatz bei Feldexperimenten einschränken würde. Bei den Komplexen 1-3 und 1+Licor ist die Störung bei rückwärtiger Anströmung zu berücksichtigen. Bei frontaler Anströmung ergibt sich eine geringe Unterschätzung der Geschwindigkeit. Der Komplex 4 mit Metek USA-1 zeigt etwa gleich gute Messungen wie die Komplexe mit CSAT3 Ultraschallanemometern.   Literatur  Mauder, M., 2002. Auswertung von Turbulenzmessgerätevergleichen unter besonderer Berücksichtigung von EBEX-2000. Diplomarbeit. Universität Bayreuth, 87 S.Volumes in the series ‚University of Bayreuth, Department of Micrometeorology, Arbeitsergebnisse’ No Name Titel Date 01 Foken Der Bayreuther Turbulenzknecht 01/99 02 Foken Methode zur Bestimmung der trockenen De-position von Bor 02/99 03 Liu Error analysis of the modified Bowen ratio method 02/99 04 Foken et al. Nachtfrostgefährdung des ÖBG 03/99 05 Hierteis Dokumentation des Expertimentes Dlouha Louka 03/99 06 Mangold Dokumentation des Experiments am Standort Weidenbrunnen, Juli/August 1998 07/99 07 Heinz, Handorf, Foken Strukturanalyse der atmosphärischen Turbulenz mittels Wavelet-Verfahren zur Bestimmung von Austauschprozessen über dem antarktischen Schelfeis 07/99 08 Foken Comparison of the sonic anemometer Young Model 81000 during VOITEX-99 10/99 09 Foken et al. Lufthygienisch-Bioklimatische Kennzeichnung des oberen Egertales, Zwischenbericht 1999 11/99 10 Sodemann Stationsdatenbank zum BStMLU-Projekt Lufthygienisch-Bioklimatische Kennzeichnung des oberen Egertales 03/00 11 Neuner Dokumentation zur Erstellung der meteorologischen Eingabedateien für das Modell BEKLIMA 10/00 12 Foken et al. Dokumentation des Experimentes  VOITEX-99  12/00 13 Bruckmeier et al. Documentation of the experiment EBEX-2000, July 20 to August 24, 2000 01/01 14 Foken et al. Lufthygienisch-Bioklimatische Kennzeichnung des oberen Egertales 02/01 15 Göckede Die Verwendung des footprint-Modells nach  SCHMID (1997) zur stabilitätsabhängigen  03/01 Bestimmung der Rauhigkeitslänge 16 Neuner Berechnung der Evapotranspiration im ÖBG (Universität Bayreuth) mit dem SVAT-Modell BEKLIMA 05/01 17 Sodemann Dokumentation der Software zur Bearbeitung der FINTUREX-Daten 08/02 18 Göckede et al. Dokumentation des Experiments STINHO-1 08/02 19 Göckede et al.  Dokumentation des Experiments STINHO-2 12/02 20 Göckede et al. Characterisation of a complex measuring site for flux measurements 12/02 21 Liebethal Strahlungsmessgerätevergleich während des Experimentes STINHO_1 01/03 22 Mauder et al. Dokumentation des Experiments EVA_GRIPS 03/03 23 Mauder et al.  Dokumentation der Litfass-2003 und GRASATEM-2003 Experimente  24 Thomas et al. Dokumentation des WALDATEM-2003 Experimentes 05/04 25 Göckede et al. Qualitätsbegutachtung komplexer  mikrometeorologischer Messstationen im  Rahmen des VERTIKO-Projekts 11/04 26 Mauder und Foken Documentation and Instruction Manual of the Eddy Covariance Software Package TK2 12/04 27 Herold et al.  The OP-2 open path infrared gas analyser for CO2and H2O   01/05 28 Ruppert ATEM software for Atmospheric Turbulent Exchange Measurements using Eddy Covariance and Relaxed Eddy Accumulation Systems and Bayreuth whole-air REA system setup 04/05 29 Foken (Hrsg.) Klimatologische und mikrometeorologische Forschungen im Rahmen des Bayreuther Institutes für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK), 1989 – 2004 06/05  30 Siebicke, Serafimovich Ultraschallanemometer-Überprüfung im Windkanal der TU Dresden 2007 04/07   

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