Acu-Res®-Technologie

Windsensoren mit Acu-Res®-Technologie

Die 1997 patentierte Acu-Res®-Technologie ist eine Erfindung von Dr. Savvas Kapartis, dem Vorsitzenden der Geschäftsführung, mit der Windgeschwindigkeit und Windrichtung ohne bewegliche Teile gemessen werden.

Die Acu-Res®-Technologie nutzt eine akustische (Ultraschall-)Welle, die in einem kleinen Hohlraum reflektiert wird. Durch die hohe Reflexion der Schallwelle in diesem kleinen Spalt ergibt sich ein Signal-Rausch-Verhältnis, das um 40 dB höher ist als bei anderen Ultraschalltechnologien.​

Die Acu-Res®-Technologie ist eine Eigenentwicklung von FT Technologies und macht unsere Sensoren zu einer robusteren und zuverlässigeren Messlösung als mechanische oder andere Ultraschall-Windsensoren.

Funktionsweise

Die Acu-Res®-Technologie besteht aus drei Komponenten:

1. Messsystem mit akustischer Resonanz

In dieser vereinfachten Abbildung sehen Sie das Grundprinzip des Windsensors, das auf akustischer Resonanz aufbaut.

In seiner Grundform besteht das Gerät aus zwei kleinen parallelen Platten, die als oberer und unterer Reflektor bezeichnet werden. In der horizontalen Ebene kann Luft ungehindert zwischen den Platten strömen. In vertikaler Richtung ist sie durch die Reflektoren begrenzt. Die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit in dieser Richtung ist vernachlässigbar klein. Mithilfe von drei schwingenden Membranen, die mit drei piezoelektrischen Elementen gekoppelt und in Form eines Dreiecks angeordnet sind, werden (Ultraschall-)Schwingungen erzeugt und empfangen (siehe Abbildung).

Durch elektrische Anregung wird Ultraschall von der Membranoberfläche abgegeben, der sich nach außen ausbreitet, bis er auf den unteren Reflektor trifft, wo er dann nahezu vollständig reflektiert wird. Die dabei entstehende Wellenfront breitet sich nach oben aus und trifft auf den oberen Reflektor, wo sie erneut reflektiert wird. Der Ultraschall wird so lange zwischen den beiden Reflektoren hin und her reflektiert, bis er durch den Energieverlust in der umgebenden Luft und infolge der unvollkommenen Reflexionen ausreichend gedämpft ist. In der Praxis benötigt dieser Prozess etwa 200 Reflexionen.

Die Einzelschwingungen kombinieren sich in einem engen Frequenzband in der Phase und führen so zu einer dramatischen Erhöhung der Signalstärke. Die tatsächliche Wellenausbreitung ist komplex, aber man kann sie sich als quasi-stehende vertikale Welle vorstellen, die sich in der horizontalen Ebene wie eine zweidimensionale radiale Wanderwelle verhält. Dieser Doppelcharakter des akustischen Feldes wird auf folgende Weise ausgenutzt:

Luftstrommessung nach Wanderwellenprinzip

Die Nettophase zwischen beliebigen Membranenpaaren gibt die Luftströmung entlang der Paarachse an. Aus den Messungen aller drei Membranpaare lassen sich die Vektorkomponenten der Luftströmung entlang aller drei Seiten des durch die Membranen gebildeten Dreiecks ermitteln. Diese Vektoren werden dann kombiniert, um die Gesamtgeschwindigkeit und -richtung zu bestimmen.

Automatische Kompensation nach dem Prinzip der stehenden Welle

Die Schallgeschwindigkeit in der Luft variiert in Abhängigkeit von Temperatur, Feuchtigkeit und in geringerem Ausmaß vom Druck. Acu-Res® kompensiert diese Faktoren automatisch. Zusätzliche Sensoren sind nicht notwendig. Im Betrieb wird die Frequenz automatisch angepasst, um das Ansprechverhalten zu optimieren und die Resonanz aufrecht zu erhalten. So können Messungen unabhängig von der Schallgeschwindigkeit erfolgen.

Gleichzeitig wird durch den Betrieb bei Resonanz der unerwünschte Einfluss akustischer Reflexionen von anderen Gegenständen in der Umgebung, aerodynamischen Effekten (z. B. Turbulenzen) und ungleichmäßigen Luftströmungen drastisch reduziert. Der geringe Abstand zwischen den schwingenden Membranen ermöglicht den Betrieb bei hoher Luftgeschwindigkeit. Außerdem erhöht die kompakte Konstruktion die Messgenauigkeit. Zwischen der Luftgeschwindigkeit und der gemessenen Phase besteht ein lineares Verhältnis. Darüber hinaus sorgt das selektive Ansprechverhalten bei Resonanz für ein „abgestimmtes Frontend-Filter“, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis drastisch verbessert. Durch die sehr geringe Signalleistung (normalerweise nur ein Zehntel-Megawatt) ist die Signatur im Betrieb vernachlässigbar klein. Acu-Res® weist u. a. folgende Vorteile gegenüber anderen Technologien auf:

  • Breiter und skalierbarer dynamischer Bereich
  • Lineares Ansprechverhalten von Phase zu Luftgeschwindigkeit    
  • Präzise Geschwindigkeits- und Richtungsangabe       
  • Genaue Angabe der Windrichtung unabhängig von Geschwindigkeit     
  • Systemspezifischer Ausgleich von Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsschwankungen       
  • Robuste, versiegelte Konstruktion für den Einsatz bei jeder Witterung und hohe Verfügbarkeit       
  • Robuste Konstruktion ohne bewegliche Teile       
  • Kompakte Maße, geringes Gewicht, einfaches Beheizen       
  • Geringer Stromverbrauch

2. Acu-Res®-Software

Jeder Windsensor von FT Technologies ist mit der leistungsfähigen Acu-Res®-Software ausgestattet.

Neben der Ermittlung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung über komplexe Berechnungen hat sie folgende Funktionen:

  • Ständige Anpassung der Signalfrequenz des Messwandlers zur Aufrechterhaltung der Resonanz
  • Überwachung der Datenqualität und Meldung von Problemen an die Steuerung bzw. Messwerterfassung
  • Laufende Funktionsüberwachung der Teilsysteme des Sensors und Betrieb der redundanten Systeme
  • Dynamische Steuerung der Heizleistung für eisfreien Betrieb bei minimalem Stromverbrauch
  • Umsetzung der Benutzerparameter zur kundenspezifischen Sensorkonfiguration, z. B. Datenfilterung und konfigurierbare Ausgabeeinstellungen

Die Acu-Res®-Software wurde speziell für Luftströmungen entwickelt und für möglichst präzise und zuverlässige Windmessungen optimiert.

3. Witterungsschutzsystem

Das Acu-Res® Witterungsschutzsystem (EPS – Environmental Protection System) gewährleistet einen zuverlässigen Sensorbetrieb auch unter extremsten Umweltbedingungen.

Veränderungen der Luftdichte und Feinstaubpartikel in der Luft können die Messgenauigkeit von Schalenkreuzanemometern beeinträchtigen. Bei Ultraschall-Laufzeitmessgeräten verschlechtert sich die Messgenauigkeit durch die Einwirkung von Regen oder Staub auf den tatsächlichen Weg der Schallimpulse.

Die Schallgeschwindigkeit in der Luft variiert in Abhängigkeit von Temperatur und in geringerem Ausmaß von Feuchtigkeit und Druck. Sensoren mit Acu-Res®-Technologie verändern ihre Sendefrequenz zur Aufrechterhaltung der Resonanz und kompensieren so automatisch die Umwelteinflüsse. Die Qualität der Luftstrommessung kann sichergestellt werden, da die Fähigkeit des Sensors zur Aufrechterhaltung der Resonanz ebenfalls von der Acu-Res®-Software überwacht und gemeldet wird.

Das EPS trägt zu hoher Datenverfügbarkeit bei jeder Witterung bei und reduziert die Wirkung folgender Umwelteinflüsse:

  • Blitzschutz und EMV
  • Staub und Sand
  • Sonnenstrahlung
  • Starker Regen
  • Salzwasser
  • Schnee, Eisregen und Eis
  • Hagel
  • Stöße
  • Vibration
  • Korrosion
  • Witterung und Alterung

Folgende Merkmale des EPS gewährleisten eine hohe Verfügbarkeit:

  • Robustes und korrosionsbeständiges Gehäuse aus harteloxiertem Aluminium für einfache und gleichmäßige Wärmeübertragung
  • Dichtungssystem im Gehäuse und an der Steckverbindung gegen Sand, Staub und Wasser
  • Elektronischer Überspannungsschutz zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Sensors bei hohen Spannungen und Stromspitzen durch Blitzeinschläge
  • Drei Heizungen für konstante Temperatur des Sensors und als Schutz vor Vereisung
  • Superhydrophobe Beschichtungen für einen sauberen und trockenen Sensor
  • Beschleunigte Lebensdauertests bei Sensoren zur Kontrolle der Widerstandsfähigkeit gegen extreme Temperaturen und Vibration

        Produktzertifizierung

 

Dank der kombinierten Vorteile der Acu-Res®-Technologie zählt die FT7-Serie zu den robustesten Windsensoren weltweit.

Europäische Patent-Nr: EP 0 801 311. US-Patent-Nr: 5,877,416.

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