ISO 17713-1:2007
(Main)Meteorology — Wind measurements — Part 1: Wind tunnel test methods for rotating anemometer performance
Meteorology — Wind measurements — Part 1: Wind tunnel test methods for rotating anemometer performance
ISO 17713-1:2007 describes wind tunnel test methods for determining performance characteristics of rotating anemometers, specifically cup anemometers and propeller anemometers. It also describes an acceptance test and unambiguous methods for measuring the starting threshold, distance constant, transfer function and off-axis response of a rotating anemometer in a wind tunnel.
Météorologie — Mesurages du vent — Partie 1: Méthodes d'essai en soufflerie pour déterminer les caractéristiques d'un anémomètre tournant
L'ISO 17713-1:2007 décrit des méthodes d'essai en soufflerie visant à déterminer les caractéristiques d'un anémomètre tournant, et plus particulièrement les anémomètres à coupelles et les anémomètres à hélice. Elle décrit également un essai de réception et des méthodes non ambiguës permettant de mesurer le seuil de démarrage, la constante de distance, la fonction de transfert et la réponse hors axe d'un anémomètre tournant dans une soufflerie.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 17713-1
First edition
2007-05-01
Meteorology — Wind measurements —
Part 1:
Wind tunnel test methods for rotating
anemometer performance
Météorologie — Mesurages du vent —
Partie 1: Méthodes d'essai en soufflerie pour déterminer les
caractéristiques d'un anémomètre tournant
Reference number
ISO 17713-1:2007(E)
©
ISO 2007
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ISO 17713-1:2007(E)
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Published in Switzerland
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ISO 17713-1:2007(E)
Contents
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and definitions .1
4 Symbols and abbreviated terms .2
5 Summary of test method.3
6 Documentation.6
7 Apparatus .6
7.1 Measuring system.6
7.2 Recording techniques .7
8 Test procedures.7
8.1 Starting threshold (U ) .7
0
8.2 Transfer function (Û = a + bR + …).8
8.3 Distance constant (L ) .8
U
8.4 Off-axis response ratio (Q ) — Cup anemometers .9
U
8.5 Off-axis response ratio (Q ) — Vane-mounted propeller anemometers.9
U
8.6 Off-axis response ratio (Q ) — Fixed-axis propeller anemometers .9
U
8.7 Acceptance testing.10
9 Quality of the test method .10
9.1 General.10
9.2 Wind tunnel .10
9.3 Repeatability.10
9.4 Uncertainty .11
Annex A (normative) Wind tunnel standard test conditions .12
Annex B (informative) Examples of formats for recording run data.14
Bibliography .17
© ISO 2007 – All rights reserved iii
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ISO 17713-1:2007(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
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International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
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rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 17713-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 5,
Meteorology.
ISO 17713 consists of the following parts, under the general title Meteorology — Wind measurements:
⎯ Part 1: Wind tunnel test methods for rotating anemometer performance
The following part is planned:
⎯ Part 2: Wind tunnel test methods for wind vanes
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ISO 17713-1:2007(E)
Introduction
Cup and propeller anemometers are the most frequently used meteorological instruments for the
measurement of mean wind speed in the near surface layer, that portion of the atmosphere which lies within a
few tens of meters of the earth’s surface. Some types of cup and propeller anemometers are available for
measuring wind speeds of a few tenths of a meter per second while other types can measure wind speeds
−1
approaching 100 m⋅s . These general purpose anemometers are used extensively for meteorology, aviation,
air pollution, wind energy and numerous other applications.
This part of ISO 17713 was developed in order to have a worldwide uniform set of test methods to define the
characteristics of cup and propeller anemometers. This part of ISO 17713 will allow an end user to compare
different manufacturers and different models of cup and propeller anemometers to determine the suitability for
a particular application.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 17713-1:2007(E)
Meteorology — Wind measurements —
Part 1:
Wind tunnel test methods for rotating anemometer performance
1 Scope
1.1 This part of ISO 17713 describes wind tunnel test methods for determining performance characteristics
of rotating anemometers, specifically cup anemometers and propeller anemometers.
1.2 This part of ISO 17713 describes an acceptance test and unambiguous methods for measuring the
starting threshold, distance constant, transfer function and off-axis response of a rotating anemometer in a
wind tunnel.
Note that when transferring values determined by these methods to atmospheric flow, there is a difference
between anemometer performance in the free atmosphere and in the wind tunnel.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document applies.
ISO 5725-1, Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results — Part 1: General
principles and definitions
ISO 5725-2, Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results — Part 2: Basic method
for the determination of repeatability and reproducibility of a standard measurement method
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply. See also References [1], [2]
and [3].
3.1
distance constant
L
U
distance the air flows past a rotating anemometer during the time it takes the cup wheel or propeller to reach
(1 − 1/e) or 63 % of the equilibrium speed after a step increase change in air speed
3.2
off-axis response ratio
Q
U
ratio of the indicated wind speed (U ) at various angles of attack (θ) to the product of the indicated wind speed
θ
(U ) at zero angle of attack and the cosine of the angle of attack (θ) and thus this ratio (Q ) compares the
i U
actual off-axis response to a true cosine response
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ISO 17713-1:2007(E)
3.3
starting threshold
U
0
lowest wind speed at which a rotating anemometer starts and continues to turn and produce a measurable
signal when mounted in its normal operating position
NOTE The normal operating position for cup anemometers is with the axis of rotation perpendicular to the direction of
air flow and the normal operating position for propeller anemometers is with the axis of rotation aligned parallel with the
direction of the air flow.
3.4
transfer function
relationship between predicted wind tunnel air speed and the anemometer rotation rate throughout the
specified working range of the anemometer: (Û = a + bR + …)
4 Symbols and abbreviated terms
a zero offset constant (metres per second)
b wind passage (apparent pitch) constant or calibration constant (metres per revolution)
D wind distance passage (metres) per output pulse for anemometers with pulse output signal
P
° symbol for directional degrees
e base of natural logarithms
−1 −1
L average of the distance constants (metres) at 5 m⋅s and 10 m⋅s
L distance constant (metres) at wind tunnel air speed U (metres per second)
U
M wind speed measurement resolution, i.e. the smallest reported speed measurement increment
RU
(metres per second) for the anemometer
Q off-axis response ratio at wind tunnel air speed U (metres per second)
U
r a shaft revolution
−1
R rate of rotation (revolutions per second, r⋅s )
t time (seconds)
t time (seconds) to reach 74 % of the anemometer equilibrium speed U (metres per second)
f f
t time (seconds) to reach 30 % of the anemometer equilibrium speed U (metres per second)
i f
T measurement time interval (seconds)
T time resolution of a measurement (seconds)
R
−1
U wind tunnel air speed (metres per second, m⋅s )
Û predicted wind speed (metres per second) from the anemometer transfer function
U anemometer indicated wind speed (metres per second) at equilibrium
f
U anemometer indicated wind speed (metres per second) in its normal position in the wind tunnel
i
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ISO 17713-1:2007(E)
U anemometer maximum specified operational speed (metres per second)
max
U anemometer minimum specified operational speed (metres per second)
min
U instantaneous indicated wind speed (metres per second) at time t
t
U starting threshold (metres per second)
0
U indicated wind speed (metres per second) of the anemometer at off-axis angle of attack θ
θ
θ off-axis angle of attack (degrees)
θ stall angle for fixed-axis propeller anemometers (degrees)
s
τ anemometer response time (seconds) for the equilibrium speed U
f
5 Summary of test method
5.1 This test method requires a wind tunnel described in Annex A. Additional information regarding wind
[7][10][12][13]
tunnel testing is listed in the bibliography .
5.2 The starting threshold (U ) is determined by measuring the lowest speed at which a rotating
0
anemometer starts and continues to turn and produce a measurable signal when mounted in its normal
operating position. The anemometer axis is aligned parallel with the direction of air flow for a propeller
anemometer. The anemometer axis is aligned perpendicular to the direction of air flow for a cup anemometer.
[1][6]
5.3 The transfer function (Û = a + bR + …) is determined by measuring the rate of rotation, or output
signal, of the anemometer at a number of wind speeds throughout the working range (range of intended use).
In the range of wind speeds where the anemometer response is non-linear (near threshold), measurements at
a minimum of five different speeds are recorded. Measurements at a minimum of five additional speeds are
recorded within the working range of the anemometer and wind tunnel but above the non-linear threshold
region (see Figure 1). If the application working range extends into a further high speed non-linear range, then
measurements at additional speeds shall be included in that range, sufficient to enable a suitable polynomial
expression to be determined. A minimum of three sets of measurements are to be taken. The values of a and
b are determined by least-squares regression using the individual measurements taken at each data point.
The transfer function can be approximated to a linear relationship for certain application ranges and certain
anemometer designs. The function can be non-linear at low tunnel speeds (typically two to five times the U )
0
and again at higher speeds. Û is the predicted wind speed in metres per second; a and b are polynomial
constants. Constants beyond b would be zero for the linear relationship. For the linear case, the constant a is
commonly called zero offset, in metres per second, b is a constant representing the wind passage in metres
per revolution for each revolution of the particular anemometer cup wheel or propeller, and R is the rate of
rotation in revolutions per second. It should be noted that zero offset is not the same parameter as the starting
threshold. In some very sensitive anemometers, the constant a, zero offset, may not be significantly greater
than zero. The constants a and b shall be determined by wind tunnel measurement for each type of
anemometer. In the case of anemometers that do not directly output a rate of rotation, for example, with an
output directly in wind speed (ASCII, hexadecimal, etc.) or electrical units (volts, milliamperes, etc.), R and b
can have different units that correspond to those of the output.
NOTE Although this transfer function model does not completely represent the anemometer response in the non-
linear starting portion of the curve, for most applications the additional accuracy provided by more rigorous mathematics is
not warranted. These data points in the non-linear starting area can be the basis for a more advanced mathematical model
of the transfer function.
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ISO 17713-1:2007(E)
Key
X wind tunnel speed, U, in metres per second
Y rotation rate, R, in revolutions per second
a
zero offset, a, in metres per second
b
starting threshold, U , in metres per second
0
Figure 1 — Typical anemometer calibration curve
−1
5.4 The distance constant (L ) shall be determined at a number of wind speeds which shall include 5 m⋅s
U
−1
and 10 m⋅s . It is computed from the time required for the anemometer rotor to accelerate (1 − 1/e) or 63 %
[4]
of a step increase change in rotational speed after release from a restrained, non-rotating condition . The
final response, U, is the wind speed at equilibrium as indicated by the anemometer (see Figure 2). This
f
response time (τ) is only applicable at the particular test speed. For some applications, additional wind speeds
over the operational range can be of interest.
NOTE There is a different distance constant for a decreasing step change of speed. This value will be an indicator of
the amount of anemometer over speed (the anemometer reporting a wind speed value higher than the true wind speed) in
gusty wind conditions. For specific anemometer applications, this distance constant for decreasing wind speed can be of
interest. The determination of the distance constant for decreasing wind speeds is beyond the scope of this part of
ISO 17713.
The response of a rotating anemometer to a step change in which the air speed increases instantaneously
[5]
from U = 0 to U = U is :
f
−(/t τ)
UU=−(1 e ) (1)
t f
The response time is:
τ=−tt (2)
fi
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The distance constant is:
L = Uτ (3)
U
Key
X time, t, in seconds
Y anemometer indicated wind speed, U , in metres per second
i
a
final response
b
response time, τ
Figure 2 — Typical anemometer response curve — Increasing wind speed step change
In order to avoid the unrealistic effects of the restrained condition, as shown in Figure 2, the time
measurement should be made from 0,30 of U to 0,74 of U . This calculated response time (τ) interval in
f f
seconds is to within 1 % of the theoretical (1 − 1/e) response of the instrument and is converted to the
[1]
distance constant (L ) by multiplying by the wind tunnel air speed (U) .
U
5.5 The off-axis response ratio (Q ) can be a function of speed. The off-axis response ratio shall be
U
−1 −1
measured at a number of wind speeds which shall include 5 m⋅s and 10 m⋅s .
5.5.1 For cup anemometers, a measurement is made of the output signal when the anemometer is inclined
into the wind (representing a down-draft) and away from the wind (representing an updraft), while the wind
tunnel is running at a steady speed. The output signal is measured with the anemometer axis at 5° intervals
from vertical to ± 30° from vertical. The measured signal is then converted to a ratio for each interval by
dividing by the product of cosine of the angle and the signal measured with the anemometer axis in the normal
(vertical) position.
5.5.2 For vane-mounted propeller anemometers, a measurement is made of the output signal when the
anemometer's axis of rotation is inclined downward into the wind (representing a down-draft) and inclined
upward into the wind (representing an updraft), while the wind tunnel is running at a steady speed. The output
signal is measured as 5° intervals from a horizontal axis of rotation to ± 30° from the horizontal. The measured
signal is then converted to a ratio for each interval by dividing by the product of the cosine of the angle and the
signal measured with the anemometer axis in the normal (horizontal) position. This test may be conducted
either with the vane in place or with the vane removed. In either case, the axis of rotation shall be fixed in the
down-tunnel direction.
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5.5.3 For fixed-axis propeller anemometers, a measurement is made of the output signal when the
anemometer is rotated in the air stream throughout the complete 360° angle of attack. The signal is measured
at a number of angles but shall include 10° intervals from 0° to 360° except for 90° and 270°. Additional
measurements at 85°, 95°, 265° and 275° are also required. The measured signal for each angle of attack is
then converted to a ratio by dividing each measurement by the product of the measurement along the axis of
the tunnel at 0° angle of attack (axial flow) and the cosine of the test angle. Additionally, the stall angle (θ ) of
s
the propeller is measured by orienting the anemometer propeller axis of rotation at 90° to the tunnel air flow
and slowly rotating into and away from the air flow until the propeller starts rotating continuously. The stall
angle is the total contained angle within which the propeller does not continuously rotate. The procedure is
repeated at 270°.
6 Documentation
Data for all runs should be recorded in a format similar to the examples shown in Annex B. The minimum
content of the test report shall include the following.
⎯ Date, time, name of the wind tunnel and location; identification of wind tunnel air speed measurement
apparatus with serial numbers and calibration dates; the model and serial number of the anemometer
under test and if applicable, the anemometer firmware version. Include unique equipment identification
where possible. Photographs of the test anemometer mounted on the various test fixtures in the wind
tunnel are recommended.
⎯ Description of the testing environmental conditions and corrections to standard conditions (A.2). At a
minimum, the range of the environmental parameters shall be listed in the test report. It is recommended
that the individual values of the environmental parameters for each measurement be listed in the test
report.
⎯ Tabulation of the data used to determine the results of the test method (Annex B).
⎯ The application speed range for which the anemometer was tested.
⎯ The measurement uncertainty of the wind tunnel shall be documented at the wind tunnel facility and be
related to measurements at a national laboratory by a national laboratory report on the transfer standard.
The demonstrated wind tunnel measurement uncertainty shall be stated in each anemometer calibration
report.
7 Apparatus
7.1 Measuring system
7.1.1 Rotation
The resolution of the anemometer transducer can limit the measurement repeatability. The resolution of the
−1
measuring or recording system shall represent the indicated wind speed with a resolution of 0,02 m⋅s or
better.
7.1.2 Time
The resolution of time (T ) shall be consistent with the distance accuracy required. For this reason, the time
R
resolution may be changed as the wind tunnel speed is changed. A distance constant measurement to 0,1 m
−1 −1
resolution (M ) requires a time resolution of 0,05 s at 2 m⋅s and 0,01 s at 10 m⋅s .
R
T = M / U (4)
R R
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7.1.3 Angle of attack
The resolution of the angle of attack (θ ) shall be within 0,5°. An ordinary protractor of adequate size with 0,5°
markings will permit measurements with sufficient resolution. A fixture should be constructed to permit
alignment of the anemometer to the off-axis angles while the wind tunnel is running at a steady speed.
7.1.4 Distance constant
A mechanical method is required to hold the anemometer in its normal test position and to enable it to be
released from a restrained, or non-rotating condition, while the wind tunnel is running at the test speed. The
release mechanism shall not move the anemometer rotor when activated with the wind tunnel off.
7.2 Recording techniques
7.2.1 For the wind tunnel environment, the temperature, pressure and relative humidity (or dew point) of the
environment within the wind tunnel test section shall be recorded for each independent measurement.
7.2.2 For the measurement of the distance constant (L ), digital recording systems and appropriate
U
reduction programs will be satisfactory if the sampling rate is at least 100 samples per second. Care shall be
taken to avoid electronic circuits with time constants which limit the proper recording of anemometer
performance. Oscilloscopes with memory and hard copy capability may also be used.
Another simple technique is to use a fast-response strip chart recorder (flat frequency response to 10 Hz or
better) with enough gain so that the signal produced by the anemometer when the wind tunnel is running at
−1
2 m⋅s is sufficient to provide full scale pen deflection on the recorder. The recorder chart drive shall have a
−1
fast speed of 50 mm⋅s or more.
With anemometers that have a pulse output, care shall be taken to ensure that the pulses are frequent
enough to provide a satisfactory measurement resolution. Where the measurement resolution is limited,
interpolation techniques can be necessary to accurately measure the distance constant. Some anemometers
perform internal wind speed averaging and do not provide instantaneous wind speed. For example, those
anemometers with a serial data output message can have this resolution problem. In these cases, internal
anemometer modifications either in hardware or firmware can be required in order to provide a method to
make measurements directly related to the rate of rotation of the cups or propeller. The anemometer
manufacturer should be consulted to determine the required modifications.
8 Test procedures
8.1 Starting threshold (U )
0
8.1.1 Set the wind tunnel to a speed to zero. Slowly increase the wind tunnel speed until the cup wheel or
propeller starts moving and continues to rotate while producing a measurable output signal.
Validate the lowest stable air speed in the wind tunnel prior to starting this test. See Annex A.1.3. Due to the
large variation (up to 300 %) of torque produced by a cup anemometer, change the cup positions by
approximately 12° for each run in order to obtain a more representative average for the starting threshold of
the anemometer.
8.1.2 Repeat the procedure of 8.1.1 ten times and record the results. Calculate and record the arithmetic
mean (U ) of the ten runs.
0
Vibration caused by the wind tunnel or by other sources can cause erroneous measurements of starting
threshold. Care shall be exercised to eliminate any vibration in the wind tunnel test section during threshold
measurements.
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ISO 17713-1:2007(E)
8.2 Transfer function (Û = a + bR + …)
8.2.1 Set the wind tunnel speed at approximately two times threshold (U ) as determined in 8.1. After the
0
wind tunnel air speed has reached equilibrium, measure the anemometer output for a fixed measurement time
interval (T) of between 30 s and 100 s. This measurement time interval (T) will provide a wind speed
−1
measurement resolution (M ) of 0,1 m⋅s or better for most anemometers. Some low resolution
RU
anemometers with a pulse output signal can require a much longer measurement time interval (T) to achieve a
−1
wind speed measurement resolution (M ) of at least a 0,1 m⋅s . The wind speed measurement resolution
RU
(M ) in meters per second for an anemometer with a pulse output signal is the product of the wind distance
RU
passage per output pulse (D ) in meters divided by the measurement time interval (T) in seconds.
p
M = D / T (5)
RU p
If the anemometer wind speed measurement resolution (M ) is too large, the least squares regression
RU
coefficients determined in 8.2.4 will be invalid.
Record the wind tunnel speed and the anemometer rotation rate (R) or equivalent output. Increase the wind
tunnel speed to approximately three times U and record the measurements. Repeat at four times U , five
0 0
times U and six times U .
0 0
8.2.2 Set the wind tunnel air speed at approximately 10 % of the specified anemometer maximum
operational speed (U ). After the wind tunnel speed has reached equilibrium, measure the anemometer
max
output for the same fixed measurement time interval (T) used in 8.2.1. Record the mean wind tunnel air speed
and the anemometer rotation rate (R) or equivalent output. Increase the wind tunnel air speed to
approximately 20 % of U and, after it has reached equilibrium, record the measurements as before over
max
the same fixed measurement interval. Repeat at approximately 30 % of U , 40 % of U and 50 % of
max max
U . A complete determination of the transfer function requires at least five additional measurements at
max
approximately evenly spaced speeds up to U . A complete determination of transfer function is necessary
max
for a new design or a major design modification.
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 17713-1
Première édition
2007-05-01
Météorologie — Mesurages du vent —
Partie 1:
Méthodes d'essai en soufflerie
pour déterminer les caractéristiques
d'un anémomètre tournant
Meteorology — Wind measurements —
Part 1: Wind tunnel test methods for rotating anemometer performance
Numéro de référence
ISO 17713-1:2007(F)
©
ISO 2007
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Publié en Suisse
ii © ISO 2007 – Tous droits réservés
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ISO 17713-1:2007(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 1
4 Symboles et termes abrégés . 2
5 Récapitulatif de la méthode d'essai. 3
6 Documentation. 6
7 Appareillage . 6
7.1 Système de mesure . 6
7.2 Techniques d'enregistrement. 7
8 Méthodes d'essai . 7
8.1 Seuil de démarrage (U ) . 7
0
ˆ
8.2 Fonction de transfert (U = a + bR + …) . 8
8.3 Constante de distance (L ). 9
U
8.4 Coefficient de réponse hors axe (Q ) — Anémomètre à coupelles. 9
U
8.5 Coefficient de réponse hors axe (Q ) — Anémomètres girouettes à hélice . 9
U
8.6 Coefficient de réponse hors axe (Q ) — Anémomètres à hélice à axe fixe. 10
U
8.7 Essais de recette. 10
9 Qualité de la méthode d'essai . 10
9.1 Généralités . 10
9.2 Soufflerie . 10
9.3 Répétabilité. 10
9.4 Incertitude. 11
Annexe A (normative) Conditions normales d'essai en soufflerie . 12
Annexe B (informative) Exemples de formats de présentation des données issues des cycles . 15
Bibliographie . 18
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ISO 17713-1:2007(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 17713-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l'air, sous-comité SC 5,
Météorologie.
L'ISO 17713 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Météorologie — Mesurages du
vent:
⎯ Partie 1: Méthodes d'essai en soufflerie pour déterminer les caractéristiques d'un anémomètre tournant
La partie suivante est prévue:
⎯ Partie 2: Méthodes d'essai en soufflerie pour girouette
iv © ISO 2007 – Tous droits réservés
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ISO 17713-1:2007(F)
Introduction
Les anémomètres à coupelles ou à hélice sont les instruments les plus couramment utilisés en météorologie
pour mesurer la vitesse moyenne du vent dans la couche limite atmosphérique, qui se limite à quelques
dizaines de mètres au-dessus du sol. Certains types d'anémomètre à coupelles ou à hélice utilisés sont
disponibles pour mesurer des vitesses de vent allant de quelques dixièmes de mètres par seconde à
−1
100 m⋅s . Ces anémomètres sont largement utilisés dans les domaines de la météorologie, de l'aviation, de
la pollution de l'air, de l'énergie éolienne et dans de nombreuses autres applications.
La présente partie de l'ISO 17713 a été développée pour définir une série de méthodes d'essai applicables
partout dans le monde et permettant de déterminer les caractéristiques des anémomètres à coupelles et des
anémomètres à hélice. Cette partie permet à un utilisateur final de comparer différents fabricants et modèles
d'anémomètres à coupelles et d'anémomètres à hélice et de déterminer leur aptitude à une application
donnée.
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NORME INTERNATIONALE ISO 17713-1:2007(F)
Météorologie — Mesurages du vent —
Partie 1:
Méthodes d'essai en soufflerie pour déterminer
les caractéristiques d'un anémomètre tournant
1 Domaine d'application
1.1 La présente partie de l'ISO 17713 décrit des méthodes d'essai en soufflerie visant à déterminer les
caractéristiques d'un anémomètre tournant, et plus particulièrement les anémomètres à coupelles et les
anémomètres à hélice.
1.2 La présente partie de l'ISO 17713 décrit un essai de réception et des méthodes non ambiguës
permettant de mesurer le seuil de démarrage, la constante de distance, la fonction de transfert et la réponse
hors axe d'un anémomètre tournant dans une soufflerie.
Il est à noter que pour l'application des valeurs déterminées à l'aide de ces méthodes aux courants
atmosphériques, il faut garder à l'esprit que les performances d'un anémomètre en conditions réelles diffèrent
des performances obtenues en soufflerie.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 5725-1, Exactitude (justesse et fidélité) des résultats et méthodes de mesure — Partie 1: Principes
généraux et définitions
ISO 5725-2, Exactitude (justesse et fidélité) des résultats et méthodes de mesure — Partie 2: Méthode de
base pour la détermination de la répétabilité et de la reproductibilité d'une méthode de mesure normalisée
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent. Voir également les
Références bibliographiques [1], [2] et [3].
3.1
constante de distance
L
U
distance parcourue par l'air qui traverse un anémomètre tournant pendant la période nécessaire aux
coupelles ou à l'hélice pour atteindre (1 − 1/e) ou 63 % de la vitesse d'équilibre, après un échelon
d'augmentation de la vitesse du vent
3.2
coefficient de réponse hors axe
Q
U
quotient de la vitesse du vent indiquée (U ) à différents angles d'attaque (θ) sur le produit de la vitesse du vent
θ
indiquée (U ) à angle d'attaque nul par le cosinus de l'angle d'attaque (θ), ainsi ce quotient (Q ) compare la
i U
réponse hors axe réelle à une réponse de cosinus vraie
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ISO 17713-1:2007(F)
3.3
seuil de démarrage
U
0
vitesse minimale du vent à laquelle un anémomètre tournant commence à tourner et fournit un signal
mesurable, en position normale de fonctionnement
NOTE Un anémomètre à coupelles est en position normale de fonctionnement lorsque son axe de rotation est
perpendiculaire au sens d'écoulement du vent. Un anémomètre à hélice est en position normale de fonctionnement
lorsque son axe de rotation est parallèle au sens d'écoulement du vent.
3.4
fonction de transfert
relation entre la vitesse du vent en soufflerie et la vitesse du vent mesurée par la vitesse de rotation de
ˆ
l'anémomètre sur toute l'étendue de mesure de l'anémomètre: (U = a + bR + …)
4 Symboles et termes abrégés
a constante de décalage du zéro (en mètres par seconde)
b constante de passage du vent (pente apparente) ou constante d'étalonnage (en mètres par révolution)
D distance parcourue par l'air (en mètres) par impulsion de sortie pour les anémomètres fournissant un
P
signal de sortie à impulsion
° symbole pour degrés directionnels
e base des logarithmes népériens
−1 −1
L moyenne des constantes de distance (mètres) à des vitesses de 5 m⋅s et de 10 m⋅s
L constante de distance (mètres) à la vitesse du vent en soufflerie U (en mètres par seconde)
U
M résolution de mesure de la vitesse du vent, c'est-à-dire l'incrément de mesure minimal pour la vitesse
RU
(en mètres par seconde) de l'anémomètre
Q coefficient de réponse hors axe à la vitesse du vent en soufflerie U (en mètres par seconde)
U
r une révolution du rotor
−1
R vitesse de rotation (en révolutions par seconde, r⋅s )
t durée (en secondes)
t temps nécessaire (en secondes) à l'obtention de 74 % de la vitesse d'équilibre U de l'anémomètre (en
f f
mètres par seconde)
t temps nécessaire (en secondes) à l'obtention de 30 % de la vitesse d'équilibre U de l'anémomètre (en
i f
mètres par seconde)
T période de mesure (en secondes)
T résolution temporelle d'un mesurage (en secondes)
R
−1
U vitesse du vent en soufflerie (en mètres par seconde, m⋅s )
ˆ
U estimation de la vitesse du vent (en mètres par seconde), obtenue à l'aide de la fonction de transfert de
l'anémomètre
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ISO 17713-1:2007(F)
U vitesse du vent (en mètres par seconde) indiquée par l'anémomètre à l'équilibre
f
U vitesse du vent (en mètres par seconde) indiquée par l'anémomètre en conditions normales de
i
fonctionnement, en soufflerie
U vitesse opérationnelle maximale spécifiée pour l'anémomètre (en mètres par seconde)
max
U vitesse opérationnelle minimale spécifiée pour l'anémomètre (en mètres par seconde)
min
U vitesse du vent instantanée (en mètres par seconde) indiquée par l'anémomètre à l'instant t
t
U seuil de démarrage (en mètres par seconde)
0
U vitesse du vent (en mètres par seconde) indiquée par l'anémomètre à l'angle d'attaque hors axe θ
θ
θ angle d'attaque hors axe (en degrés)
θ angle de décrochage pour un anémomètre à hélice à axe fixe (en degrés)
s
τ temps de réponse de l'anémomètre (en secondes) pour la vitesse d'équilibre U .
f
5 Récapitulatif de la méthode d'essai
5.1 La présente méthode d'essai nécessite l'utilisation d'une soufflerie conforme à celle décrite dans
l'Annexe A. Pour de plus amples informations relatives aux essais en soufflerie, consulter les Références
[7], [10], [12], [13]
indiquées dans la Bibliographie .
5.2 Le seuil de démarrage (U ) est déterminé en mesurant la vitesse minimale à laquelle un anémomètre
0
commence à tourner et fournit un signal mesurable, en conditions normales de fonctionnement. Dans le cas
d'un anémomètre à hélice, l'axe de l'appareil est parallèle à la direction de l'air. Dans le cas d'un anémomètre
à coupelles, l'axe de l'appareil est perpendiculaire à la direction de l'air.
[1], [6]
ˆ
5.3 La fonction de transfert (U = a + bR + …) est déterminée en mesurant la vitesse de rotation ou le
signal de sortie de l'anémomètre à des vitesses du vent comprises dans l'étendue de mesure spécifiée. Dans
la gamme de vitesses du vent où la réponse de l'anémomètre n'est pas linéaire (proche du seuil), enregistrer
les résultats de mesure à au moins cinq vitesses différentes. Enregistrer les résultats de mesure obtenus pour
l'anémomètre et la soufflerie à au moins cinq vitesses supplémentaires, dans les limites du domaine de
mesure, mais au-dessus de la zone de seuil non linéaire (voir Figure 1). Si le domaine de mesure s'étend à
une gamme de vitesses élevées non linéaire, les résultats de mesure obtenus à ces vitesses supplémentaires
doivent alors être inclus dans cette gamme, suffisamment étendue pour permettre la détermination d'une
expression polynomiale appropriée. Réaliser au moins trois séries de mesurages. Les constantes a et b sont
déterminées par régression des moindres carrés à l'aide des mesurages individuels effectués à chaque point
de donnée.
Il est possible de faire une approximation de cette fonction par régression linéaire pour certains domaines de
mesure et certains types d'anémomètres. Cette fonction peut devenir non linéaire à des vitesses de soufflerie
ˆ
basses (généralement de deux à cinq fois la valeur U ) et de nouveau à des vitesses élevées. U est la
0
vitesse du vent attendue en mètres par seconde; a et b sont des constantes polynomiales. Les constantes
au-delà de b sont nulles pour la relation linéaire. Dans le cas d'une relation linéaire, la constante a est
communément désigné par le terme «décalage du zéro», exprimée en mètres par seconde. La valeur b est
une constante représentant le passage du vent en mètres par révolution pour chaque rotation des coupelles
ou de l'hélice et R est la vitesse de rotation, en révolutions par seconde. Il convient de noter que le décalage
du zéro est un paramètre distinct du seuil de démarrage. Dans le cas d'anémomètres très sensibles, il est
possible que la constante a, c'est-à-dire le décalage du zéro, soit à peine supérieure à zéro. Les constantes a
et b doivent être déterminées par mesurage en soufflerie pour chaque type d'anémomètre. Dans le cas des
anémomètres qui ne fournissent pas directement une vitesse de rotation, par exemple lorsque la valeur est
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ISO 17713-1:2007(F)
directement exprimée en vitesse du vent (ASCII, hexadécimal, etc.) ou en unités électriques (volts,
milliampères, etc.), R et b peuvent être exprimées dans des unités différentes qui correspondent à celles
fournies.
NOTE Même si le modèle de fonction de transfert ne simule pas complètement la réponse de l'anémomètre dans la
partie de départ non linéaire de la courbe, pour la plupart des applications, l'exactitude supplémentaire apportée par des
calculs mathématiques plus poussés n'est pas garantie. Ces points de données, situés dans la partie de départ non
linéaire de la courbe, peuvent servir de base pour l'élaboration d'un modèle mathématique plus avancé de la fonction de
transfert.
Légende
X vitesse du vent dans la soufflerie, U, en mètres par seconde
Y vitesse de rotation, R, en révolutions par seconde
a
Décalage du zéro, a, en mètres par seconde.
b
Seuil de démarrage, U , en mètres par seconde.
0
Figure 1 — Courbe d'étalonnage type d'un anémomètre
5.4 La constante de distance (L ) doit être déterminée à plusieurs vitesses du vent, parmi lesquelles des
U
−1 −1
vitesses de 5 m⋅s et de 10 m⋅s . Elle est calculée à partir du temps nécessaire à l'accélération du rotor de
l'anémomètre (1 − 1/e) ou à l'obtention de 63 % d'un échelon d'augmentation de la vitesse de rotation après
[4]
suppression d'une contrainte de non-rotation . La réponse finale, U, est la vitesse du vent à l'équilibre
f
indiquée par l'anémomètre (voir Figure 2). Ce temps de réponse (τ ) est uniquement applicable à la vitesse de
l'essai en cours. Pour certaines applications, il peut être utile de calculer cette constante de distance pour des
vitesses du vent supplémentaires, dans la gamme opérationnelle.
NOTE Lorsque le changement de palier est décroissant, la constante de distance varie. Cette valeur est un
indicateur de la survitesse de l'anémomètre (anémomètre qui enregistre une vitesse du vent supérieure à la vitesse réelle
du vent) en conditions de vent soufflant en rafales. Pour des applications spécifiques, il peut être intéressant de
déterminer cette constante de distance pour des vitesses du vent décroissantes. La détermination de la constante de
distance pour des vitesses du vent décroissantes n'entre pas dans le cadre de la présente partie de l'ISO 17713.
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ISO 17713-1:2007(F)
La réponse d'un anémomètre tournant à un changement de palier où la vitesse du vent augmente
[5]
instantanément de U = 0 à U = U est la suivante :
f
−(/t τ)
UU=−(1 e ) (1)
tf
Le temps de réponse est
τ=−tt (2)
fi
La constante de distance est
LU= τ (3)
U
Légende
X temps, t, en secondes
Y vitesse du vent indiquée par l'anémomètre, U , en mètres par seconde
i
a
Réponse finale.
b
Temps de réponse, τ.
Figure 2 — Courbe de réponse type d'un anémomètre — Changement de palier croissant
de la vitesse du vent
Pour éviter les éventuels effets perturbateurs de la contrainte de blocage de l'anémomètre, comme cela est
indiqué à la Figure 2, il convient d'effectuer les mesurages de temps entre 0,30 de U et 0,74 de U .
f f
L'intervalle de temps de réponse obtenu (τ), en secondes, correspond au temps de réponse théorique
(1 − 1/e) de l'instrument, à 1 % près. Pour le convertir en constante de distance (L ), multiplier ce temps par
U
[1]
la vitesse du vent en soufflerie (U) .
5.5 Le coefficient de réponse hors axe (Q ) peut varier en fonction de la vitesse. Il doit être déterminé à
U
−1 −1
plusieurs vitesses du vent, parmi lesquelles des vitesses de 5 m⋅s et de 10 m⋅s .
5.5.1 Dans le cas des anémomètres à coupelles, le signal de sortie est mesuré lorsque l'anémomètre est
orienté dans le vent (courant d'air descendant) et contre le vent (courant d'air ascendant) et que la soufflerie
fournit une vitesse régulière. Le signal de sortie est mesuré lorsque l'axe de l'anémomètre est incliné par pas
de 5° par rapport à un axe vertical, entre 0° et ± 30° de la verticale. Le signal mesuré est ensuite converti en
coefficient pour chaque inclinaison en divisant par le produit du cosinus de l'angle et le signal mesuré lorsque
l'axe de l'anémomètre est en position normale (verticale).
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ISO 17713-1:2007(F)
5.5.2 Dans le cas des anémomètres girouettes à hélice, le signal de sortie est mesuré lorsque l'axe de
rotation de l'anémomètre est orienté dans le vent vers le bas (courant d'air descendant) et orienté dans le vent
vers le haut (courant d'air ascendant) et que la soufflerie fournit une vitesse régulière. Le signal de sortie est
mesuré pour l'axe de rotation incliné par pas de 5°, entre 0° et ± 30° par rapport à l'horizontale. Le signal
mesuré est ensuite converti en coefficient pour chaque inclinaison en divisant par le produit du cosinus de
l'angle et le signal mesuré lorsque l'axe de l'anémomètre est en position normale (horizontale). Cet essai peut
être réalisé que la girouette soit en place ou non. Dans les deux cas, l'axe de rotation doit être fixe et orienté
face au vent de la soufflerie.
5.5.3 Dans le cas des anémomètres à hélice à axe fixe, le signal de sortie est mesuré lorsque
l'anémomètre est orienté dans le vent pour les 360° d'angle d'attaque. Le mesurage du signal est réalisé en
plusieurs angles mais doit inclure des intervalles de 10° répartis entre 0° et 360°, sauf pour 90° et 270°. Des
mesurages supplémentaires à 85°, 95°, 265° et 275° sont également requis. Le signal mesuré pour chaque
angle d'attaque est ensuite converti en coefficient en divisant chaque résultat par le produit du résultat obtenu
le long de l'axe de la soufflerie à l'angle d'attaque de 0° (flux axial) et le cosinus de l'angle d'essai. En outre,
l'angle de décrochage (θ ) de l'hélice est mesuré en orientant l'axe de rotation de l'hélice à 90° par rapport au
s
flux d'air de la soufflerie et en lui appliquant une lente rotation dans le vent et contre le vent jusqu'à ce que
l'hélice commence à tourner en continu. L'angle de décrochage est l'angle contenu total pour lequel l'hélice
cesse de tourner en continu. Ce mode opératoire est répété avec un angle de 270°.
6 Documentation
Il convient de consigner les données de tous les cycles dans un format similaire à ceux donnés dans
l'Annexe B. Le rapport d'essai doit contenir au moins les éléments suivants:
⎯ la date, l'heure, l'identification de la soufflerie et son emplacement; l'identification de l'appareil de mesure
de la vitesse du vent dans la soufflerie avec les numéros de série et les dates d'étalonnage; le modèle et
le numéro de série de l'anémomètre soumis à essai, et, le cas échéant, la version du logiciel interne de
l'anémomètre. Si possible, inclure une identification unique de tous ces appareils. Il est recommandé de
joindre des photographies de l'anémomètre d'essai, monté sur les divers supports d'essai de la soufflerie;
⎯ une description des conditions ambiantes d'essai ainsi que les corrections éventuelles permettant
d'obtenir les conditions normales (A.2). Le rapport d'essai doit au moins détailler la gamme des
paramètres environnementaux. Il est recommandé de faire figurer dans le rapport d'essai les valeurs des
paramètres environnementaux pour chaque mesurage de vitesse;
⎯ un tableau récapitulant les données ayant permis de déterminer les résultats de la méthode d'essai
(Annexe B);
⎯ la gamme de vitesses utilisée pour l'essai de l'anémomètre;
⎯ l'incertitude de mesure de la soufflerie doit être documentée sur le site d'installation de la soufflerie et être
reliée (chaîne de traçabilité) à des résultats de mesure obtenus dans un laboratoire national et consignés
dans un rapport sur l'étalon de transfert. L'incertitude de mesure de la soufflerie doit être déclarée dans
chaque rapport d'étalonnage de l'anémomètre.
7 Appareillage
7.1 Système de mesure
7.1.1 Rotation
Il est possible que la résolution du capteur de l'anémomètre limite la répétabilité de mesure. La résolution du
système de mesure ou d'enregistrement doit représenter la vitesse du vent indiquée avec une résolution
−1
inférieure ou égale à 0,02 m⋅s .
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ISO 17713-1:2007(F)
7.1.2 Temps
La résolution temporelle (T ) doit être cohérente avec l'exactitude requise pour la constante de distance. C'est
R
pourquoi, la résolution temporelle peut varier lorsque la vitesse du vent en soufflerie varie. Pour un mesurage
de la constante de distance, une résolution de 0,1 m (M ) nécessite une résolution temporelle de 0,05 s à
R
−1 −1
2 m⋅s et de 0,01 s à 10 m⋅s .
T = M /U (4)
R R
7.1.3 Angle d'attaque
La résolution de l'angle d'attaque (θ) doit être de l'ordre de ± 0,5°. Un rapporteur d'angle courant, de taille
adéquate et comportant des graduations de 0,5°, fournit une résolution de mesure adéquate. Il convient de
mettre en place un support permettant d'aligner l'anémomètre pour les angles hors axe voulus lorsque la
soufflerie fonctionne à une vitesse régulière.
7.1.4 Constante de distance
L'appareillage d'essai doit comporter un dispositif mécanique permettant d'immobiliser l'anémomètre dans sa
position d'essai normale et de le libérer lorsque la soufflerie a atteint la vitesse d'essai. Lorsque la soufflerie
est à l'arrêt, l'activation de ce mécanisme ne doit pas influer sur le mouvement du rotor de l'anémomètre.
7.2 Techniques d'enregistrement
7.2.1 La température, la pression et l'humidité relative (ou le point de rosée) de l'environnement dans la
section d'essai de la soufflerie doivent être enregistrés pour chaque mesurage effectué.
7.2.2 Concernant le mesurage de la constante de distance (L ), l'utilisation de systèmes d'enregistrement
U
numériques et de programmes de calcul appropriés s'avère satisfaisante si le débit d'échantillonnage est d'au
moins 100 échantillons par seconde. Il convient d'éviter l'utilisation de circuits électroniques comportant des
constantes de temps, car cela nuit à l'enregistrement des performances de l'anémomètre. Il est possible
d'utiliser des oscilloscopes ayant une fonction mémoire et une fonction d'impression.
Une autre technique simple consiste à utiliser un enregistreur graphique papier à réponse rapide (réponse en
fréquence plate jusqu'à 10 Hz ou mieux) fournissant un gain suffisant pour que le signal produit par
−1
l'anémomètre lorsque la vitesse de la soufflerie est de 2 m⋅s permette d'obtenir une déflexion totale de la
−1
plume de l'enregistreur. La vitesse de défilement du diagramme doit être supérieure ou égale à 50 mm⋅s .
Lorsque l'anémomètre utilisé fournit un signal de sortie à impulsions, il convient de veiller à ce que la
fréquence des impulsions soit suffisante pour fournir une résolution de mesure satisfaisante. Lorsque la
résolution de mesure est limitée, il peut s'avérer nécessaire de mettre en œuvre des techniques
d'interpolation pour la constante de distance. Certains anémomètres calculent des vitesses du vent interne
moyennées et ne fournissent pas de vitesses instantanées. Les anémomètres de ce type peuvent, par
exemple, présenter un problème de résolution lorsqu'ils fournissent un message de sortie numérique de
données. Dans ce cas de figure, il peut être nécessaire de modifier l'anémomètre sur le plan matériel ou
micrologiciel afin de permettre des mesurages directement liés à la vitesse de rotation des coupelles ou de
l'hélice. Il convient de consulter le fabricant de l'anémomètre po
...
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