풍속계의 종류와 특징

 

주요  풍속계 유형 및 특징 

지난 강의에서는 풍속 측정 장비인 풍속계에 대해 배우고 있었습니다.

로빈슨 컵 풍속계

우리는 막대 끝에 컵이 달려있는 로빈슨 컵 풍속계라는 특정 유형의 풍속계에 대해 배웠습니다. 전체 모양은 대략 이와 같으며 수직축 장치이고 여기에 측정 장치가 있습니다. 이것이 기본적인 구조이며 매우 간단합니다. 몇 가지 문제점을 쉽게 알 수 있습니다. 풍속이 너무 낮으면 당연히 회전 속도가 느려지고 생성되는 토크는 마찰 손실을 극복해야 합니다. 마찰로 인한 토크가 매우 작으면, 즉 마찰로 인한 토크가 공기로 인해 생성되는 토크보다 훨씬 작으면 잘 작동합니다. 그러나 마찰로 인한 토크가 바람으로 인해 생성되는 토크에 비해 유의미해지면 정확도가 떨어집니다. 이것이 한 가지 문제입니다.

두 번째 문제는 전체 장치가 어느 정도의 관성을 가지고 있다는 것입니다. 즉, 풍속이 빠르게 변하면, 예를 들어 풍속이 매우 빨랐다가 갑자기 급격히 떨어지면 어떻게 될까요? 관성 때문에 계속 회전하므로 풍속의 빠른 감소가 이 장치의 회전 속도에 제대로 반영되지 않습니다. 따라서 빠르게 변화하는 풍속은 로빈슨 컵 풍속계에 의해 제대로 반영되지 않습니다. 이것이 두 가지 주요 문제입니다. 하나는 풍속이 10m/s 미만일 때는 풍속을 정확하게 측정할 수 없고, 둘째 빠르게 변화하는 풍속에서는 정확도가 떨어진다는 것입니다.

또 다른 문제는 여기에 어떤 종류의 측정 또는 기록 장치가 있느냐는 것입니다. 여기서는 본질적으로 전기 기록 장치입니다. 회전하기 때문에 지난 강의에서 설명한 것처럼 주파수가 기록되는 펄스 신호로 기록되거나, 컴퓨터의 기록 데이터로 기록됩니다. 즉, 전원 공급 장치가 있어야 하고 대부분의 원격 위치에는 전원 공급 장치가 없을 수 있습니다. 이것이 이러한 종류의 장치가 겪을 수 있는 문제입니다.

하나의 대안은 전원 공급 장치로 작동하는 장치 대신 자체 전압을 생성하는 타코 제너레이터를 사용하는 것입니다. 하지만 그 전압을 어떻게든 기록해야 합니다. 따라서 문제가 발생합니다. 이러한 장치는 일반적으로 전원 공급 장치에 액세스할 수 있는 곳에서 사용되지만, 라다크와 같이 전원을 공급하기 어려운 많은 지역이 있다는 것을 상상할 수 있습니다. 따라서 이러한 종류의 원격 위치에서는 기계적으로 작동하는 측정 및 기록 장치가 필요합니다.

압력 튜브 풍속계(Pressure Tube Anemometer)

기계적으로 작동하는 측정 장치 하나를 설명하겠습니다. 압력 튜브 풍속계(pressure tube anemometer)라고 합니다.

압력 튜브 풍속계에서는 바람을 향하고 있는 튜브가 있습니다. 바람 방향이 바뀌면 방향을 다시 맞춰야 하므로 꼬리 날개가 있어야 합니다. 이것이 아래로 내려오고 꼬리 날개가 있습니다. 이것이 바람 방향으로 방향을 맞추는 날개입니다. 바람이 실제로 튜브 안으로 불어넣어집니다. 튜브 안으로 불어넣어지면 어떻게 될까요? 튜브 내부 압력이 높아집니다. 이제 그것은 다른 챔버로 전달됩니다. 이 장치는 항상 10m 높이에서 풍속을 측정하기 위해 폴 위에 설치되고, 이 전체 장치는 마스트 위에 설치되며 고무 튜브를 통해 아래로 가져옵니다.

부분적으로 물로 채워진 원통이 있고, 이와 같이 뒤집힌 버킷과 같은 부유물이 있습니다. 이 부유물은 실제로… 이렇게 보여드리겠습니다. 바람이 불면 압력이 발생하고 위로 밀어 올립니다. 결과적으로 이 부유물이 올라가고 풍속이 떨어지면 다시 가라앉습니다. 이것은 뻣뻣한 막대를 통해 포인터에 연결되어 있고, 이 지점에는 스트립 차트 기록기가 있습니다. 위아래로 움직이고, 종이가 달린 이 원통이 회전하면 자동으로 이와 같이 기록합니다. 이것이 압력 튜브 풍속계의 기본 구조입니다.

전원 공급 장치가 없으면 어떻게 회전하느냐고 물어볼 수 있습니다. 이것은 종종 스프링으로 작동하는 장치로 제공됩니다. 스프링이 있고, 스프링이 있으며, 누군가가 와서 스프링을 감습니다. 옛날 시계나 장난감처럼 감아야 합니다. 스프링이 하루에 한 번 감겨져서 아무도 개입하지 않아도 계속 회전하고 기록합니다. 대부분의 설계에는 또 다른 독창적인 아이디어가 있습니다. 여기에 또 다른 외부 덮개, 원통형 외부 케이스가 있고 뒷면에 일련의 구멍이 있습니다.

무슨 일이 일어날까요? 바람이 원통 주위를 통과하면 흡입 효과가 발생하고 공기를 빨아냅니다. 따라서 여기에서 높은 압력이 생성되고, 외부 원통에서 낮은 압력이 생성됩니다. 그리고 그 낮은 압력은 다른 유연한 튜브를 통해 여기로 가져와서 이 부분에서는 낮은 압력을 생성하고 이 부분에서는 높은 압력을 생성합니다. 따라서 실제 움직임이 더욱 향상됩니다. 이것이 일반적으로 전원 공급 장치가 없는 곳에서만 사용되는 압력 튜브 풍속계의 구조입니다. 전원 공급 장치가 있다면 전기 기록의 장점이 있습니다. 나중에 분석하기 위해 기록하고 가져갈 수 있기 때문입니다. 하지만 여기에서도 로빈슨 컵 풍속계의 경우와 마찬가지로 낮은 풍속 측정은 정확하지 않습니다. 베어링의 마찰 때문에 정확하지 않았습니다. 여기서도 바람의 속도가 낮으면 당연히 압력 차이가 매우 작고 충분한 상승 및 하강을 생성하지 못합니다. 이러한 조인트에 어느 정도의 정적 마찰이 있기 때문입니다. 따라서 상승 및 하강에 충분한 힘을 생성할 수 없습니다. 따라서 낮은 풍속의 경우에는 다른 유형의 측정 장치가 사용됩니다. 그것은 무엇이든 냉각시키는 바람의 특성에 의존합니다.

Hot Wire 풍속계

핫 와이어 풍속계(Hot Wire Anemometer)라고 합니다. 아이디어는 간단합니다. 전선에 전류를 통과시킵니다. 이 전선에 연결하고 무엇에 연결할까요? 전압 소스가 아닌 전류 소스에 연결하여 특정 전류, 예를 들어 1암페어를 이 전선에 흐르게 하면 열이 발생합니다. 열이 발생한다는 것은 온도가 높아진다는 뜻이며, 일반 온도보다 높아지고 더 높은 온도에서는 저항이 다릅니다. 바람이 불면 바람의 흐름에 따라 전류가 동일하더라도 온도가 달라집니다. 열이 흩어지고 바람에 의해 제거되기 때문입니다.

따라서 풍속이 변하면 i^2r 법칙은 동일합니다. i^2은 동일하지만 r은 다릅니다. i^2은 동일하지만 r은 다릅니다. 하지만 그 r은 지속적으로 풍속에 의존합니다. 따라서 필요한 것은 전압을 측정하는 것뿐입니다. 저항이요, 하지만 전류는 일정합니다. 따라서 전압을 측정하면 저항을 알 수 있고 저항은 풍속을 직접적으로 나타냅니다. 이 경우 장점은 매우 낮은 속도를 효율적이고 정확하게 측정할 수 있다는 것입니다. 그렇기 때문에 낮은 속도 측정에는 핫 와이어 풍속계가 더 좋습니다. 전선 온도에서 주변 공기 온도를 뺀 값은 풍속의 제곱근의 역수에 비례합니다. 이 관계 때문에 매우 낮은 풍속에서 더 정확해집니다.

이것이 사용 중인 세 가지 유형의 풍속계이며, 로빈슨 컵 풍속계가 가장 많이 사용됩니다.