Original paper

Influence of high-frequency radiation on turbulence measurements on a 200 m tower

Barthlott, Christian; Kalthoff, Norbert; Fiedler, Franz

Meteorologische Zeitschrift Vol. 12 No. 2 (2003), p. 67 - 71

published: Apr 25, 2003

DOI: 10.1127/0941-2948/2003/0012-0067

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ArtNo. ESP025011202001, Price: 29.00 €

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Abstract

Turbulence measurements conducted by means of Solent Gill ultrasonic anemometers at several altitudes on the 200 m tower at the Research Center Karlsruhe showed white noise behaviour at the high-frequency end of the spectra with increasing measurement height. In a number of data sets with a time resolution of 48 ms, the computed power spectra of the velocity components and temperature converge into white noise and the decline in the inertial subrange expected theoretically is hidden. The noise covers a broad range of the spectrum, which greatly increases variance and makes further data analysis difficult. The cause of this parasitic noise is found in high-frequency radiation from regional longwave transmitters in the frequency range of 150 to 200 kHz, which interferes with the transducer crystals. The resonance frequency of the transducer crystals is 180 kHz. It is found that a thin, grounded mesh wire around the sensor head acts like a Faradays cage, protecting the transducers from the radiation. Negative side effects, like eddy production from the cage or a modified mean wind speed can be excluded from results gained by different ultrasonic anemometers, operated simultaneously close to the ground. The mesh wire shield thus is a permanent solution to these problems in case of longwave transmitters surrounding the measurement site.

Kurzfassung

Turbulenzmessungen in mehreren Höhen mit Solent Gill Ultraschallanemometern am 200 m hohen Mast des Forschungszentrums Karlsruhe zeigten in den berechneten Turbulenzspektren am hochfrequenten Ende ungewöhnlich hohe Spektraldichten, die einem Weißen Rauschen zuzuordnen sind. In zahlreichen Datensätzen mit einer zeitlichen Auflösung von 48 m s gehen die berechneten Spektren der Geschwindigkeitskomponenten und der Temperatur in ein Weißes Rauschen über, dessen Niveau mit der Höhe zunimmt. Der theoretisch erwartete Rückgang im Inertialbereich wird durch das starke Rauschen überdeckt. Das Rauschen umfasst einen großen Bereich des Spektrums, so dass die Varianz zum Teil beträchtlich ansteigt, was eine weitere Datenauswertung schwierig macht. Die Ursache des störenden Rauschens sind Hochfrequenz-Einstrahlungen eines regionalen Langwellensenders, die in einem Frequenzbereich zwischen 150 und 200 kHz liegen und mit den Quarzkristallen der Schallwandler interferieren. Die Resonanzfrequenz der Kristalle liegt bei 180 kHz. Mit Hilfe eines dünnen, geerdeten Drahtgitters um den Gerätekopf wird ein Faradayscher Käfig konstruiert, der die Schallwandler gegen die Einstrahlungen abschirmt. Negative Effekte, wie z. B. Wirbelablösung am Gitter oder Veränderung der mittleren Windgeschwindigkeit, können nach einem Vergleich dreier simultan betriebener Ultraschallanemometer in geringem Abstand zueinander ausgeschlossen werden, so dass das Gitter eine permanente Lösung im Fall von Störungen durch Langwellensender nahe des Messgeländes ist.