background image

 

 

• Anemometry objectives:

– Learn how the wind speed and 

direction is measured

– Know the limitations of these 

measurements

– Appreciate the WMO 

standards for wind 
measurements

ATMS 320 – 

Meteorological 

Instrumentation

http://www.msc-smc.ec.gc.ca/education/imres/42_instruments_e.cfm

background image

 

 

• Wind measurements are 

usually related to the 

horizontal component

• It is a vector, requiring 

both a magnitude 

(speed) and direction 

(the direction from 

which the wind is 

blowing)

• Wind velocity is 

turbulent; it is often 

reported as a mean and 

variation about the 

mean (gustiness)

ATMS 320 – Anemometry

http://www.ci.chi.il.us/LiveShots/stillshots_slideshow020.htm

background image

 

 

• Ideal (perfect) wind 

instrument

– Respond to slight 

breezes

– Rugged enough to 

withstand hurricane-
force winds

– Respond rapidly to 

turbulence

– Have linear output
– Exhibit simple dynamic 

performance 
characteristics

ATMS 320 – Anemometry

http://www.banzai-institute.com/0102PTad.html

background image

 

 

• Wind force

One design of wind 

sensors responds to 
the drag force, or 
the closely related 
lift force.

ATMS 320 – Anemometry

2

2

1

V

A

C

F

d

d

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup and 
propeller

– Cup wheel – responds to the 

differential drag force

– Propeller – responds to both 

the drag and lift forces

– Raw output is the 

mechanical rotation rate of 
the cup wheel

– Shaft is coupled to an 

electric transducer which 
produces an electrical 
output signal (dc voltage)

ATMS 320 – Anemometry

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup and 
propeller (cont.)

– Linear over most wind 

speeds (except at the lower 
end of the range)

– At rest, little wind force 

available to overcome 
internal friction of the shaft

– Starting threshold much 

higher than stopping 
threshold (because running 
friction is much less than 
static friction)

ATMS 320 – Anemometry

background image

 

 

Drag or lift force 
anemometers – cup and 
propeller (cont.)

– Static performance 

specifications; range and 
threshold

– Nonlinear threshold 

effects are usually ignored

– Threshold speed – a 

function of vibration and 
of bearing friction, which 
increases as the 
anemometer ages.

ATMS 320 – Anemometry

http://www.skfsport.com/friction.htm

background image

 

 

Drag or lift force 
anemometers – cup and 
propeller (cont.)

– Ideally, indicated speed 

would be proportional to 
the cosine of the angle of 
the wind vector with 
respect to the horizontal

– Actual response is 

sometimes greater in 
turbulent flow or when 
the vertical component is 
not zero (in complex 
terrain or near buildings)

ATMS 320 – Anemometry

wind

elevation angle (<0)

+Z

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup 
and propeller (cont.)

– Underestimate the 

magnitude of off-axis 
wind components

– Lightweight 

propellers have a 
faster response but 
are more easily 
damaged

ATMS 320 – Anemometry

wind

elevation angle (<0)

+Z

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup 
and propeller (cont.)

– Dynamic performance 

of the cup 
anemometer is 
reasonably 
approximated with a 
first-order linear 
differential equation

ATMS 320 – Anemometry

http://www.swatch.com/

V

x

x

x

dt

dx

i

where

,

i

i

V

V

A

C

R

I

2

2

2

R

m

R

m

I

c

i

i

i

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup 
and propeller (cont.)

– Want to minimize 

distance constant (

);

make m

c

 small and A 

large

– Dynamic performance 

specification (not 

)

ATMS 320 – Anemometry

http://www.swatch.com/

A

C

m

c

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup and 
propeller (cont.)

– Time “constant” is not truly 

constant;

– Simplify solution by 

assuming wind speed 
fluctuations are small 
compared to the mean wind 
speed. Substitute mean 
wind speed for V

i

 above

ATMS 320 – Anemometry

http://www.swatch.com/

i

i

V

V

A

C

R

I

2

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup and 
propeller (cont.)

– Sinusoidal response is 

applicable

Recall that when 2



/

i

 = 1, 

A

o

/A

i

 = 0.707; that is, the 

amplitude of the response 
has been reduced to 
approximately 70% of the 
input amplitude

ATMS 320 – Anemometry

http://www.novalynx.com/200-27005.html

i

i

V

V



2

2

gust wavelength

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup and 
propeller (cont.)

– Example, if a typical 

anemometer has a 
distance constant of 3 m, 
it will attenuate the 
amplitude of all gusts 
whose wavelength is less 
than 2



 = 19 m to less 

than 70% of the input 
amplitude

– What about a distance 

constant of 1 m?

ATMS 320 – Anemometry

http://www.novalynx.com/200-27005.html

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup 
and propeller (cont.)

– What if time 

“constant” is not 
constant? We have a 
non-linear problem

ATMS 320 – Anemometry

i

V

V

dt

dV

i

i

V

V

A

C

R

I

2

small for high wind speed,
large for small wind speed

anemometer responds more rapidly to an increasing step  overspeeding error

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup and 
propeller (cont.)

– Overestimation problem of 

cup anemometers

• Static overestimation error 

due to the lack of cosine 
response

• Dynamic effect that 

increases for anemometers 
having larger distance 
constants

– Overestimation problem of 

propeller anemometers

• Dynamic effect

ATMS 320 – Anemometry

**threshold speed and distance
(and time) constant are inversely
related to the air density

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – cup 
and propeller error 
magnitude a function 
of

– Distance (time) 

constant

– Average wind speed
– Turbulence intensity
– Ratio of wind speed 

standard deviation to 
mean

ATMS 320 – Anemometry

http://www.novalynx.com/200-ws-01.html

background image

 

 

• Drag or lift force wind vane

– Transducer is a pot 

mounted concentrically 
with the vertical shaft to 
convert azimuth angle to a 
voltage proportional to that 
angle. A dead zone of 3 to 
5

o

 exists and is usually 

oriented toward North.

– Only source of static error 

is misalignment of the vane

– Uses a combination of the 

lift and drag forces on the 
vane to align itself with the 
wind vector

ATMS 320 – Anemometry

background image

 

 

• Drag or lift force 

wind vane – dynamic 
misalignment error

– Moment of inertia
– Aerodynamic 

damping

due to the changing 

wind direction, 

i

ATMS 320 – Anemometry

http://www.vh1.com/artists/az/simon_carly/flipbooks.jhtml

i

d

N

N

dt

d

V

NR

dt

d

I

2

2

R

V

A

C

N

L

2

2

1

background image

 

 

• Drag or lift force 

wind vane – ideal 
(perfect) vane

– Low friction bearings
– Statically balanced
– Maximum wind 

torque and minimum 
moment of inertia

– Low threshold wind 

speed

– Rugged design

ATMS 320 – Anemometry

http://www.williambaylor.com/ptommy.html

background image

 

 

• Drag force – drag 

cylinder or sphere

– Sensor that measures 

wind velocity by 
measuring the drag 
force on an object in 
the flow

– Cylinder measures 2D 

flow, sphere measures 
3D flow

ATMS 320 – Anemometry

V

V

C

A

F

d

2

1

The drag force acting on the sphere is given by

(vectors are three-dimensional)

The dynamic response is determined 
by the spring torque of the supporting
members used to hold the cylinder or
sphere in position

background image

 

 

• Drag force – drag cylinder 

or sphere - issues

– Strain gauges, used to 

detect cylinder/sphere 
displacement, may be 
temperature sensitive and 
may require high-gain 
amplifiers to generate a 
reasonable voltage signal

– Susceptible to drift
– Can be affected by an 

accumulation of snow or ice 
which would change the 
aerodynamics

ATMS 320 – Anemometry

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – pitot-
static tube

– A pair of concentric tubes
– Stagnation port is a blunt 

obstacle to airflow (drag 
coefficient is unity)

– Static port is located at a 

point far enough back along 
the tube to have no dynamic 
flow effects at all

– Must be oriented into the 

airflow (virtually unsuitable 
for atmospheric work)

– Ideal for wind tunnels

ATMS 320 – Anemometry

background image

 

 

• Drag or lift force 

anemometers – pitot-
static tube

– Calibration equation

ATMS 320 – Anemometry

transfer equation plot

p

p

RT

p

V

2

2

 

2

5

.

0

static

stagnation

V

p

p

p

The pitot-static probe is inexpensive but requires a high-quality 
differential pressure sensor to convert the p to a usable signal.

It is insensitive to light winds as the static sensitivity goes to zero
As the wind speed goes to zero (see Fig 7-10)

background image

 

 

• Heat dissipation – hot-

wire and hot-film 
anemometers

– Infer wind speed from 

the cooling of a heated 
wire or film (dependent 
on the mass flow rate 
{speed and density of 
flow} past the sensing 
element)

– Response speed is 

dependent on thermal 
mass of element

 

ATMS 320 – Anemometry

http://www.efunda.com/designstandards/sensors/hot_wires/hot_wires_intro.cfm

background image

 

 

• Heat dissipation – 

hot-wire and hot-film 
anemometers (cont.)

– Hot-wire; fast 

response, small 
diameter (5 m)

– Hot-film; thin film 

deposited on a 
cylindrical core and 
insulated, slower 
response, large 
diameter (50 m)

 

ATMS 320 – Anemometry

V

B

A

I

2

King’s law:

http://www.aoe.vt.edu/~simpson/aoe4154/hotwirelab.pdf

background image

 

 

• Hot-wire and hot-film 

anemometers - issues

– Susceptible to atmospheric 

contamination

– Rain contamination 

through spikes in the data

– Expensive
– Large power requirements
– Susceptible to drift
– Difficult to resolve low 

wind speeds (static 
sensitivity becomes very 
large at low wind speeds)

ATMS 320 – Anemometry

transfer equation plot

background image

 

 

• Speed of sound – 

sonic anemometers

– Measures the time 

required to transmit 
an acoustic signal 
across a fixed path to 
determine the wind 
velocity component 
along that path

ATMS 320 – Anemometry

http://www.campbellsci.com/wind.html#windsonic

background image

 

 

ATMS 320 – Anemometry

• Speed of sound – 

sonic anemometers

– Measures the time 

required to transmit 
an acoustic signal 
across a fixed path to 
determine the wind 
velocity component 
along that path

RT

d

RT

d

d

C

t

t

2

cos

2

cos

2

1

1

2

1

d

d

V

C

d

t

V

C

d

t

cos

;

cos

2

1

if cos 

 ~ 1

background image

 

 

ATMS 320 – Anemometry

• Speed of sound – 

sonic anemometers 
(cont.)

– Measures the time 

required to transmit 
an acoustic signal 
across a fixed path to 
determine the wind 
velocity component 
along that path





2

1

2

1

1

1

2

,

2

cos

cos

1

1

t

t

d

Vd

d

V

d

V

C

d

V

C

t

t

d

d

d

2

2

1

1

1

2

1





t

t

d

R

T

v

background image

 

 

ATMS 320 – Anemometry

• Speed of sound – sonic 

anemometers (cont.) - 
issues

– Space resolution limitation 

imposed by the path 
length (much better 
resolution than cup and 
propeller anemometers)

– Expensive
– Requires considerable 

power

– Signal loss due to heavy 

rain or wet snow

http://www.mountwashington.org/research/sonic.html

background image

 

 

ATMS 320 – Anemometry

• Speed of sound – 

sonic anemometers 
(cont.) - issues

– Greater bandwidth 

than mechanical 
anemometers but less 
than hot-wire or hot-
film anemometers

http://www.mountwashington.org/research/sonic.html

background image

 

 

ATMS 320 – Anemometry

• World Meteorological 

Organization (WMO) wind 
standards

– Exposure height for surface 

winds is 10 meters

– Averaging time is 10 

minutes

– Gust definitions:

•Gust peak speed (p) = wind speed associated with a positive 
gust amplitude
•Gust duration (t

g

) = time interval from the beginning of a gust 

to its end

•Gust magnitude (m) = the scalar difference between a gust 
peak speed and lull speed

•Gust frequency = number of positive gusts which occur per 
unit time
•Gust amplitude (g

a

) = maximum scalar of the gust from the 

mean wind speed

•Gust lull speed (L) = wind speed associated with a negative 
gust amplitude

background image

 

 

ATMS 320 – Anemometry

• Anemometry exposure issues

– Good exposure in all directions within 

about 3 km

– No obstruction to wind flow should be 

more than 3

o

 above the horizon

– Distance from the anemometer to an 

obstruction should be at least 20 times the 
height of the obstruction

• General exposure issues

– Site characterization is important
– Snow accumulation, icing, extreme low 

and high temperatures, high wind gusts, 
deterioration of plastic parts due to UV 
radiation, breakage due to fatigue failure 
in turbulent wind, corrosion due to rain 
and high humidity, wind loading, and 
lightning-induced power surges

http://www.cdc.gov/nasd/docs/d000901-d001000/d000925/d000925.html


Document Outline