Apparate zur Bestimmung von Richtung und Stärke der Windströmung.

A. Apparate zur Bestimmung der Windrichtung.

Zur Bestimmung der Windrichtung würden meist Windfahnen verwendet. Seltener wurden Flügelräder angewandt, die sich solange drehen, bis der Wind in der Richtung der Radfläche weht und somit die Windrichtung angeben.

Windrichtungsanzeiger mit Aufzeichnung

Eine Besonderheit sind Windfahnen mit Registrierung. Wie aus dem Bild ersichtlich ist, wird dabei ein Zylinder mit einem Papierstreifen überzogen, welcher die Windrichtungen vorgedruckt enthält. Ein Uhrwerk bewegt den Zylinder (ohne Drehung) von oben nach unten. An der verlängerten Achse D der Windfahne ist ein Querbalken E befestigt, an dem die Feder C hängt.

 

 

Diese bewegt sich also mit der Windfahne um den Zylinder, lässt die jeweilige Richtung ablesen und schreibt deren Änderung auf den sich senkenden Zylinder.

Da starker Wind meist mit lebhaftem Schwanken der Windfahne verbunden ist, kann man aus dem Verlauf der Kurve auch auf mehr oder weniger starke Luftbewegungen schließen.

B.  Die Methoden der Bestimmung der Windgeschwindigkeit.
.
Die Geschwindigkeit des Windes wird am einfachsten dann messbar, wenn sich in der Luft sichtbare Körper, z. B. Wolken, Ballons usw., befinden, die solange wenigstens gleiche Geschwindigkeit wie die Luft­teilchen haben, als die Bewegung der Luft nicht gar zu ungleichmäßig (böig) ist. Verwendet man aber irgendwelche andere Einrichtungen, so misst man eigentlich den Druck, den die bewegte Luft ausübt, der aber in einer bestimmten Beziehung zu der Geschwindigkeit der Luftteilchen steht. Allerdings ist diese Beziehung keine einfache und schwer zu berechnen. Die wichtigsten Arten von Instrumenten für den vorliegenden Zweck sind die folgenden.


1. Das Flügelrad Anemometer

Wenn Luft durch ein Windrad mit horizontaler Achse strömt, wird die Energie des Windes in eine Drehbewegung umgesetzt. Die Drehbewegung ist abhängig von der Windgeschwindigkeit und dem Winkel zur Windrichtung. Das genaue Prinzip des „ Rotierenden Flügelrad“ Anemometers wird in diesem Abschnitt beschrieben.

1.1 Entwicklung der Flügelrad Anemometer

Ein Flügelrad Anemometer besteht aus einem Windflügel, die an einer horizontalen Axe befestigt sind, deren Rotation, die mittelst einer Schraube ohne Ende auf ein gezahntes Rad übertragen wird.

Im Jahr 1709 wurde von Christian Wolf ein Instrument erfundene, welches vollständig einer Windmühle ähnelt . Das um eine horizontale Axe drehbare Flügelrad bewegt sich umso rascher, je stärker der Wind weht. Es kommt also darauf an, die Zahl der Umdrehungen in der Sekunde zu bestimmen, woraus sich sofort die Geschwindigkeit des Windes in Metern pro Sekunde oder auch Kilometern pro Stunde ergibt. Bei dem Anemometer von Wolf ist das gezahnte Rad an einer horizontalen Axe befestigt, welche eine mit einem Gewichte belastete transversale Stange trägt; die Winkelhöhe, zu der sich das Gewicht erhebt, gibt soh das Maximum der Windstärke an.

Leutmann (1728) hat dieses Anemometer dahin abgeändert, dass er den transversalen Balancier durch eine Spule ersetzte,
um welche eine durch ein Gewicht gespannte Saite aufgerollt war; die Spule wurde arretirt, wenn der Wind das Maximum an Stärke erreicht hatte. Leutmann ersetzte auch den vertiaalen Windflügel durch einen horizontalen Flügel ä la polonaise ; es ist dies eine Scheibe. welche mit gekrümmten Schaufeln versehen ist, deren Convexität in der Richtung der Rotation gelegen ist.

Im Jahr 1784 hat Woltman ein Wasserströmungsmesser mit Flügelrad erfunden. Das Instrument verfügte über zwei Flügel und einen Umdrehungszähler. Es wird berichtet, dass Woltmann vorgenschlagen hat es als Anemometer zu benutzen.

Neben der Wetterbeobachtung wurden Anemometer im Bergbau benutzt. Beim Steinkohlebergbau entsteht Kohlenwasserstoffgas, welches explosiv ist und abtransportiert werden muss. Alle Stollen und Gänge müssen ausreichend von Luft  durchströmt werden. Ansammlungen von Kohlenwasserstoffgas als Folge einer schlechten Ventilierung des Grubengebäudes führten immer wieder zu Explosionen. Über das Anemometer konnte jederzeit eine genaue Kenntnis über den Zustand der Wetterführung erhält werden. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Wetter, welche sowohl vor den einzelnen Strecken, als auch durch die Schächte ein- und ausströmen, wurde Im Jahr 1837 wurde vom Chefingenieur einer französischen Miene Charles Combes  ein vom Wolltmanns Wasserströmungsmesser abgeleitetes Anemometer entwickelt.

Anemometer nach Combes

Das Messgerät wurde zur Luftströmungsmessung für französische und belgische Mienen entwickelt. Es wurde als erstes von M. Neumann in Paris hergestellt. Ein Modell für ein Combes Anemometer ist im oberen Bild dargestellt.

Benjamin Biram aus Wentworh, Yorksire patentierte 3. August 1842 erstmals ein Anemometer mit rotierenden Flügeln und einer Anzeige. Dieses hat  viele Ähnlichkeit mit dem hydraulischen Flügel von Woltmann und baute auf dem Prinzip von Mr. Elliot auf. Es konnte zur Bestimmung von Strömungen der Luft, von Wasser oder anderen Flüssigkeiten benutzt werden. Das 'Biram' Patent Anemometer wurde als erstes von John Davis in Derby ab dem Jahr 1845 für die Messung in Mienen und Gebäuden hergestellt.

Zwischen 1845 und 1862 wurde dass Messgerät um einem Schalter erweitert, mit dem das Zählwerk ein oder aus geschaltet/ gekuppelt werden kann. Die Apparatur wurde später noch um einen Rückstelltaster für das Zählwerk erweitert, der dan Zähler in die Nullstellung versetzt.  

Das Anemometer konnte für Windstärken von 0.4 bis 5 m/s eingesetzt werden.

 ‘Biram’s Patent Anemometer

Größere Instrumente bestanden aus einer horizontalen Achse mit 12 gegen die Achsenrichtung schief gestellten Flügeln. Bei der geringsten Geschwindigkeit der Grubenluft werden diese Flügel durch den Wetterstrom  im Kreise herumgedreht und durch die Anzahl seiner Umdrehungen innerhalb einer gewissen Zeit die Geschwindigkeit des Wetterstromes bestimmt. Um die Anzahl dieser Umdrehungen ablesen zu können, ist auf der horizontalen Flügelachse eine Schraube ohne Ende mit so viel Schraubengängen angebracht, dass ein Rad, welches in diese eingreift und 10 Zähne besitzt, um einen Zahn weiter fortgerückt wird, wenn der Wetterstrom einen Weg von 10 FUSS zurückgelegt hat. Auf der Außenseite der Welle dieses Rades sitzt nun ein Zeiger, welcher sich wiederum auf einem feststehenden Zifferblatt mit 10 Ziffern im Kreise bewegt, so dass bei einer ganzen Umdrehung die Geschwindigkeit der Luft 10-10 FUSS = 100 FUSS beträgt, hat man nun während der Fortbewegung des Zeigers von einer Ziffer zur anderen die Zeit, beobachtet und beträgt diese z. B. 5 Sekunden, so kann man daraus die Geschwindigkeit des Luftstromes (20 FUSS pro Sekunde) ermitteln und mit Hülfe des Querschnittes der Strecke oder des Schachtes, in welchen die Beobachtung gemacht wurde, die Quantität der Wetter bestimmen, welche in einer Sekunde an der beobachteten Stelle vorbeigeströmt sind. Um aber eine grosse Anzahl der Umdrehungen beobachten zu können, ist auf der Welle des Zahnrades noch ein Getriebe aufgesetzt, das in ein zweites zehntheiliges Zahnrad eingreift, an dessen Welle, wie bei Obersteren Zahnrad, sich ein zehntheiliges Zifferblatt befindet. Wird nun der Zeiger dieses Blattes um l, 2, 3 Ziffern weiter gerückt, so ist, ähnlich wie bei einem Hubzähler, während der Beobachtung in einer gewissen Zeit die Geschwindigkeit 100, 200, 300 Fuss etc. Bei grösseren Instrumenten von 12 Zoll Durchmesser greifen 6 solcher Zahnräder in einander und man wird dadurch in den Stand gesetzt, eine Beobachtung bis zu 10 Millionen FUSS anstellen zu können. Bei kleineren Instrumenten von 6 Zoll Durchmesser, welche zum täglichen Gebrauche von dein Obersteiger oder von Durchmesser, welche zum täglichen Gebrauche von dein Obersteiger oder von dem mit der Aufsicht über die Wetterführung beauftragten Steiger in einer ledernen Tasche getragen und benutzt werden, sind blos zwei solcher Zahnräder angebracht und die Beobachtungen können sich daher nur bis zu 1000 FUSS ausdehnen.

Ab ca. 1862 wurde das Biram Anemometer mit einem umlaufenden Metallring zum Schutz vor Beschädigungen versehen. Es wurde erstmals von Casartelli produziert.


Von L. Casella of London wurde ca. 1870 ein Anemometer entwickelt, um die Lüftung in einem Krankenhaus zu messen. Das Instrument konnte Strömungen von 0.27 bis 50 m/s anzeigen.



2. Das Robinsonsche Schalenkreuz.


Das Instrument wurde 1846 von Dr. Robinson erfunden. Das Prinzip ist aus Fig. 75 zu ersehen. An einem Stab, der um eine verti­kale Achse drehbar ist, werden zu beiden Seiten in gleichen Abständen hohle Kugelschalen befestigt. Der Wind trifft die Kugelschale links an der konvexen, die andere an der konkaven Seite. Es ist also der Druck rechts größer als links; das System beginnt sich zu bewegen und kommt erst dann wieder zur Ruhe, wenn der Stab in die Richtung des Windes gekommen ist. Dreht sich das System aber auch nur ein kleines Stück über diese Lage hinaus, so beginnt sofort wieder die Verschiedenheit der Druckwirkungen und die Drehung geht in derselben Richtung weiter. Sicher findet dies dann statt, wenn man noch ein zweites Paar von Kugelschalen an einem senkrecht zu dem ersten stehenden Stab befestigt. Das ist dann das Schalenkreuz. Die Richtung des Windes und etwaige Änderungen desselben sind ohne Einfluss. Nur die Wind­stärke bedingt die Geschwindigkeit der Rotation des Schalenkreuzes und kann durch letztere ermittelt werden. Meist hat man die Geschwin­digkeit des Mittelpunktes einer Kugelschale mit 2.5 (früher wurde 3 angenommen) zu multiplizieren, um die Windgeschwindigkeit zu erhalten.

Der wesentliche Vorzug des Schalenkreuzes vor dem Flügelrad besteht darin, daß die Windrichtung keinen Einfluss hat. Das Flügelrad muss stets durch eine Windfahne (oder ein anderes Flügelrad) so gestellt werden, dass der Wind senkrecht zur Radfläche steht.


3. Die Druckplatte

Stellt man dem Wind eine Platte senkrecht entgegen, so wird er einen Druck ausüben, der von dem Flächeninhalt der Platte, der Windgeschwindigkeit und möglicherweise von noch anderen Faktoren abhängt. Bringt man dann hinter der Platte eine Feder an, so wird diese etwas zusammengedrückt werden, die Platte wird sich etwas zurückbiegen und ein Gewicht wird sich etwas senken. Man muß durch eine Windfahne die Druckplatte senkrecht zum Wind halten und eine Vorrichtung anbringen, welche die Größe der Bewegung der Platte oder des Gewichtes zu messen gestattet.

Bild links: Druckplatte

Bild rechts: Neigungsplatte

Auf dem Prinzip der Druckplatte die eine Feder zusammendrückt beruhen die Anemometer von Bougner, Nollet, Zeiher,
Regnier, Poschmann, Martin, Beaufoy, Osler, Jelineck.

4. Die Neigungsplatte

Das Plattenanemometer ist das älteste bekannte Anemometer. Es wurde vermutlich vom italienischen Architekt Leon Battista Alberti ca. 1450 erfunden. Angebracht an einer Wetterschaufel, war die Vorrichtung für meteorologischen Gebrauch bestimmt. Leonardo da Vinci skizzierte ungefähr 1500 sein eigenes schwingplatte Anemometer. 1667 erwähnen die königlichen Gesellschaft in London ein schwingplatte Anemometer. Die Wiedererfindung wurde Robert Hooke zugeschrieben.

Wird die Druckplatte um eine horizontale Axe drehbar dem Wind senkrecht gegenübergestellt, so wird sie eine geneigte Stellung annehmen. Der an einem Gradbogen ablesbare Ausschlag wird von dem Gewicht und den Dimensionen der Platte und außerdem von der Windstärke abhängen, man wird diese also aus dem Anschlagwinkel berechnen können. Auch diese Vorrichtung muss durch eine Windfahne stetig im Wind gehalten werden.

Auf dem Messprinzip beruhen die Anemometer von Leon Battista Alberti 1450, Leonardo da Vinci, Pickering 1744, Oertel, Herrmann, Dalberg, Demenge, Hugh Hamel, G. G. Schmidt, Kreil oder Tanpenot

Valz hat ein Anemometer entwickelt, dass senkrecht gegen den Wind steht und durch eine
Torsionskraft gehalten wird.

5. Die manometrischen Anemometer

Wird eine heberförmige und Wasser enthaltende Röhre mit umgebogenem Schenkel dem Wind entgegengehalten, so staut sich die Luft über dem Wasser an und drückt dieses etwas in die Höhe. Jedes Kilogramm Winddruck auf 1 Quadratmeter Fläche bringt einen Überdruck von fast genau einem Millimeter Wasserhöhe hervor. Diese Form eines Anemometers nennt man die Lindsche Röhre. Biegt man den linken Schenkel nicht um, sondern lässt den Wind an der Mülldungs parallel  vorüberstreichen, so wirkt es schwach saugend, das Wasser steigt auf der linken Seite an. Das ist die Magiusschee Röhre. Endlich kann man die Röhre so stellen, dass die Mündung des umgebogenen Schenkels dem Wind abgekehrt ist. Dann tritt eine stärkere Saugwirkung ein, das Wasser hebt sich links stärker an. Alle diese Wirkungen hängen nur von der Windstärke ab. Bei den Einrichtungen muss das Manometer durch eine Windfahne immer im Wind erhalten werden.
.

 

Das erste manometrischen Anemometer wurde vor 1721 von Pierre Daniel Huet, Bishop von Avranches in der Normandy, Frankreich beschrieben. Der Apparat bestand aus einem mit Quecksilber gefülltem ` U ' Rohr. Das eine Ende des Rohrs wurde um neunzig Grad abgewinkelt und wird in Richtung des Windes ausgerichtet. Die Differenz der Quecksilberhöhen im U Rohr ist zum Druck und infolgedessen zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit proportional. Der englische Pastor Stephen Hales beschrieben 1743 einer ähnlichen Vorrichtung . Dieser Apparat wurde mit Wasser gefüllt und wurde empfindlicher für niedrige Luftströmungen.

1775 beschrieb James Lind in seinem Werk " Description and use of a portable wind gauge" ein Druckrohranemometer, weleches das erste praktische Instrument seiner Art war.

Der Apparat, bestand aus einem mit Wasser gefüllten ` U ' Rohr aus Glas. Die vertikalen Rohre waren ungefähr 10 Millimeter im Durchmesser und 150 Millimeter lang. Im Verbindungspunkt wurde der Querschnitt auf 2.5 Millimeter verringert. Ein Messingwinkelstück wurde über einem Rohrende gestülpt. Über eine angeprachte Skala konnte der Höhenunterschied der Flüssigkeiten abgelesen werden. Um Windgeschwindigkeit zu messen, wurde der Apparat mit Öffnung des Messingwinkelstücks in den Wind gerichtet.

Die mögliche Pendelbewegung der Anzeige, die durch das Pulsieren des Winds verursacht wurde, wurde teilweise durch die Dämpfung beseitigt, die durch die Verringerung des Rohrdurchmessers an der Verbindung der vertikalen Glieder eingeführt wurde. Das Anemometer ist sehr unempfindlich bei geringen Windgeschwindigkeiten. Zusätzlich zu seiner niedrigen Empfindlichkeit gab es ein anderes Problem, das mit Anemometer Linds verbunden ist.

In der Praxis würden Wirbel in seiner Öffnung verursacht. Theoretisch bedeutete dieses, daß die Kalibrierung des Instrumentes nicht von den ersten Grundregeln abgeleitet werden könnte und Diagramm für jedes Instrument zur Verfügung gestellt werden mußte.

Die Anemometer wurden von Haies und Lind weiterentwickelt.

6. Die Manometer.

Die Anwendung der Stau- und Saugröhren erfordert Manometer, welche Drücke bis zu 100 und mehr Millimeter Wassersäule, aber auch Drücke von wenig Zehnteln eines Millimeters zu messen und auch zu registrieren gestatten. Hierzu gibt es sehr verschiedenartige Instrumente. Diese Fallen nicht in mein Sammelgebiet.

7. Sonstige

Windgeschwindigkeiten können unter Nutzung der Lasertechnologie oder durch Ausnutzung der kühlenden Wirkung der Luft (Heitzdrahtanemometer) bestimmt werden. Diese sind nicht Gegenstand der Sammlung.