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풍속계

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목차

1. 개요

풍속계는 바람의 속도를 측정하는 기기로, 15세기 레오나르도 다 빈치가 풍속계 재현을 시도한 이후 다양한 형태로 발전해 왔다. 초기에는 풍압을 이용한 기계식 풍속계가 개발되었으며, 1775년 제임스 린드는 실용적인 압력관 풍속계를 제작했다. 19세기에는 4컵식 풍배형 풍속계가 개발되었고, 20세기 초 3컵식 풍속계가 등장하면서 널리 사용되었다. 현대에는 초음파 풍속계와 열선 풍속계 등 다양한 종류가 개발되어 기상 관측, 항공, 풍력 발전 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

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풍속계
지도 정보
기본 정보
유형기상 관측 기기
측정 대상풍속
용도기상 관측소
항공
항해
사용 목적풍속 측정
측정 단위m/s
km/h
mph
kn
작동 원리
회전식 풍속계컵 풍속계: 바람의 힘으로 회전하는 컵의 회전 속도 측정
프로펠러 풍속계: 바람의 힘으로 회전하는 프로펠러의 회전 속도 측정
압력식 풍속계피토관 풍속계: 바람의 속도에 따른 압력 차이 측정
열선 풍속계열선 냉각 정도에 따른 풍속 측정
초음파 풍속계초음파를 이용하여 풍속 측정
레이저 도플러 풍속계레이저 도플러 효과를 이용한 풍속 측정
기타풍선 추적: 풍선을 추적하여 풍속 측정
역사
발명15세기
최초 기록레온 바티스타 알베르티
로버트 훅회전식 풍속계 (1667년)
존 토마스 롬니 로빈슨컵 풍속계 (1846년)
참고 자료
관련 표준ISO 17713-1:2007
ISO 17713-2:2007
ISO 17713-3:2007
ISO 17713-4:2007
ISO 17714:2007

2. 역사

레오나르도 다 빈치의 풍속계 재현


풍속계는 15세기 개발 이후로 큰 변화가 없었다. 1450년경 레온 바티스타 알베르티가 최초의 기계식 풍속계를 고안했다고 알려져 있다. 그 후 수 세기 동안 로버트 훅을 포함한 많은 사람들이 자신만의 풍속계를 개발했으며, 일부는 잘못하여 풍속계 발명가로 인정받기도 했다.

18세기 중반 피에르 부게는 용수철의 신축으로 풍압을 측정하는 휴대형 풍력계를 만들었다.[21] 1889년 영국의 기상학자 윌리엄 다인스는 U자형 관을 사용하는 제임스 린드의 풍압계를 개선하여 실용적이고 정교한 다인스 풍속계를 개발했다.

회전식 풍속계는 풍차를 참고하여 만들어졌다. 로버트 훅은 자동 기상 관측 장치용 풍차형 풍속계를 개발했지만, 실제로 제작되지는 않았다.[22] 1673년경 프랑스의 시계 기술자 르네 그리예는 수평 십자가의 각 가로 나무에 4장의 얇은 판을 경첩으로 연결한 풍속계를 개발했다.[22]

2. 1. 초기 발전



1450년경, 레온 바티스타 알베르티가 최초의 기계식 풍속계인 풍력계를 고안했다.[1] 이 풍력계는 풍압을 판의 기울기로 측정하는 방식이었다.[21] 1663년, 로버트 훅은 풍속계를 만들었는데, 직사각형 판이 바람의 강도에 따라 뜨게 되고, 그 각도로 바람의 세기를 측정하는 방식이었다.[21]

1775년, 영국의 의사 제임스 린드는 압력관을 사용한 실용적인 풍속계를 만들었다. 이 풍속계는 U자관 양쪽 입구의 압력 차이를 이용하여 풍압을 측정했다.[21]

2. 2. 로빈슨과 패터슨의 공헌

1846년, 아일랜드의 천문학자 토머스 로빈슨은 4개의 반구형 컵을 가진 4컵식 풍배형 풍속계(로빈슨 풍속계)를 고안했다. 이 풍속계는 회전이 느려 기록 장치가 간단하고, 풍향에 맞출 필요가 없어 널리 보급되었다. 그러나 19세기 후반부터 컵의 회전이 풍속과 정확히 일치하지 않는다는 문제가 제기되었다.[24] 1926년, 캐나다 기상청의 기상학자 존 패터슨은 풍동 실험을 통해 3개의 컵을 가진 3컵식 풍속계가 더 우수하다는 것을 밝혀냈고, 이후 3컵식 풍배형 풍속계가 널리 사용되기 시작했다.[22]

2. 3. 현대의 발전

1991년, 데릭 웨스턴은 3컵 풍속계에 풍향 측정 기능을 추가했다.[1] 1994년, 안드레아스 플리치는 초음파 풍속계를 개발했다.[1]

2. 4. 한국의 풍속계 역사

한국에서는 1961년부터 프로펠러형 풍향풍속계(에어로벤)가 도입되어 사용되기 시작했다.[23]

3. 종류

기상 요소로서의 바람은 기온, 기압과 같이 스칼라량이 아니라, 풍향을 포함하는 벡터로 파악해야 한다. 따라서 실제 관측 환경에서 풍속계는 풍향을 관측하는 장치를 함께 사용하거나 내장하는 경우가 많다.

다양한 종류의 풍속계가 개발되어 사용되고 있으며, 주요 종류는 다음과 같다.


  • 풍배형(컵형) 풍속계: 3~4개의 반구형 또는 원추형 컵(풍배)이 바람에 의해 회전하는 속도를 측정한다. 바람의 변화에 대한 응답성이 높지만, 풍향 관측을 위해서는 별도의 풍향계가 필요하다.

  • 풍차형 풍속계: 프로펠러 형태의 날개가 바람에 의해 회전하는 속도를 측정한다. 보통 풍향과 풍속을 동시에 측정할 수 있는 '''풍향풍속계''' 형태로 사용된다.

  • 초음파 풍속계: 초음파의 전파 시간을 측정하여 풍속을 계산한다. 움직이는 부품이 없어 내구성이 좋고, 정밀한 측정이 가능하다.

  • 압력관 풍속계: 피토관을 이용하여 풍압을 측정하고, 이를 통해 풍속을 계산한다. 과거에는 다인스식 풍속계가 기상 관측에 사용되기도 했으나, 현재는 주로 풍동 관리나 다른 풍속계 검정, 교정에 사용된다.

  • 열선 풍속계: 전열선에 전류를 흘려 발열시키고, 바람에 의해 냉각되는 정도를 측정하여 풍속을 구한다. 정밀하지만, 센서가 쉽게 파손될 수 있어 주로 실내에서 사용된다.


이 외에도 레이저 도플러 풍속계, 바람개비, 도플러 레이더, 윈드 프로파일러 등 다양한 방식의 풍속계가 있다.

3. 1. 풍배형 (컵형) 풍속계

컵형 풍속계 애니메이션


풍배형 풍속계


'''풍배형 풍속계'''는 수직 회전축 주위에 3개 또는 4개의 반구형 또는 원추형 날개인 '''풍배'''를 가진 수직축 풍력 터빈 형태의 감지부를 가지고 있다. 풍배에 바람이 불면, 볼록한 면보다 오목한 면의 공기 저항이 크기 때문에 오목한 면이 밀리는 방향으로 축이 회전한다. 이 회전을 기어식 기구나 발전기, 포토 인터럽터를 이용한 계수기 등으로 검출하여 수치나 전기 신호로 변환하여 표시·출력함으로써 측정값을 얻는다.

회전 유무 및 회전수가 풍향에 의존하지 않기 때문에 바람의 변화에 대한 응답성이 높은 것이 장점이지만, 풍향 관측에는 별도로 "풍향계"를 설치해야 한다. 비교적 소형으로 제작할 수 있기 때문에 이동 관측용으로 손잡이형으로 만든 것과 공사 현장 등의 환경 측정에 편리한 삼각대가 있는 것도 제품화되고 있다.

기상 관측용 풍배형 풍속계의 허용 성능은 다음과 같다.

구분거리 정수계기 오차
풍배 지름 5cm 이하13m 이하풍속 10m/s 이하에서 0.5m/s, 풍속 10m/s 초과에서는 풍속의 5%
풍차 지름 15cm 이하12m 이하풍속 10m/s 이하에서 1m/s, 풍속 10m/s 초과에서는 풍속의 10%



최초의 간단한 형태의 풍속계는 1845년 아마교 천문대의 존 토마스 로미 로빈슨 박사에 의해 발명되었다. 로빈슨의 풍속계는 수직 축에 장착된 수평 팔에 반구형 컵 네 개로 구성되었다. 어떤 수평 방향으로든 컵을 지나는 기류는 풍속에 거의 비례하는 속도로 축을 회전시켰다. 설정된 시간 간격 동안 축의 회전 수를 세면 넓은 속도 범위에 걸쳐 평균 풍속에 비례하는 값을 얻을 수 있었다. 이러한 유형의 기구를 회전식 풍속계라고도 하며, 기계식 기구에 의해 회전수를 적산하여 풍정(측정 시간 내의 공기 이동 거리)을 표시하는 방식의 것을 '''로빈슨 풍속계'''라고 불렀다.

4컵 풍속계에서는 바람이 항상 한 컵의 오목한 부분을 향하게 되고, 반대쪽 컵의 뒤쪽에 불게 된다. 구형 면의 항력 계수가 0.38이고 오목한 면의 항력 계수가 1.42이기 때문에(항력 계수)[2], 오목한 부분을 바람 쪽으로 향한 컵에 더 큰 힘이 발생한다. 이러한 비대칭적인 힘 때문에 풍속계 축에 토크가 발생하여 회전한다.

이론적으로 풍속계의 회전 속도는 바람 속도에 비례해야 한다. 그러나 실제로는 장치가 발생시키는 난류, 컵과 지지대에 의해 발생하는 항력 증가, 마운트 지점의 마찰 등 다른 요인들이 회전 속도에 영향을 미친다.

1926년 캐나다의 존 패터슨이 개발한 3컵 풍속계와 1935년 미국의 브리보트와 조이너가 개선한 컵은 거의 선형적인 반응을 보이는 컵 휠 디자인으로 이어졌으며, 60mi/h까지 오차가 3% 미만이었다. 패터슨은 각 컵이 바람 흐름에 대해 45°일 때 최대 토크를 생성한다는 것을 발견했다. 또한 3컵 풍속계는 4컵 풍속계보다 토크가 더 일정하고 돌풍에 대한 반응 속도가 더 빨랐다.

3컵 풍속계는 1991년 호주의 데렉 웨스턴 박사에 의해 풍향 측정 기능이 추가되도록 개량되었다. 웨스턴은 한 컵에 태그를 추가하여 태그가 바람과 번갈아 가며 일치하거나 반대 방향으로 움직이면서 컵 휠 속도가 증가하거나 감소하도록 했다. 풍향은 이러한 속도의 순환적 변화로 계산하고, 풍속은 평균 컵 휠 속도로 결정한다.

3컵 풍속계는 현재 풍력 자원 평가 연구 및 실무의 업계 표준이다. 과거에는 풍배를 4개 가진 4배식이 주류였고, 한때 기상청의 심볼 마크에 도안화되었을 정도였지만, 검출 기구가 기계식에서 구동 부하가 적은 전기식으로 바뀌면서 축 주위의 관성 모멘트가 적고 응답성이 좋은 3배식으로 대체되고 있다.

3. 2. 풍차형 풍속계

풍차형 풍속계는 수평축에 프로펠러 형태의 날개를 부착하여 바람에 의해 날개가 회전하는 속도로 풍속을 측정하는 방식이다. 로빈슨 풍속계와 달리 회전축이 수직이 아니라 수평이며, 바람 방향과 평행해야 한다. 바람의 방향이 변하면 축도 따라서 변해야 하므로, 풍향계 또는 이와 유사한 장치를 사용한다.[3]

하나의 기계로 풍속과 풍향을 동시에 측정하기 위해 프로펠러와 꼬리를 같은 축에 결합한 형태가 많으며, 이를 풍향풍속계라고 부른다.[3]
풍차식 풍향풍속계
풍차식 풍향풍속계(요코하마 지방기상대 설치)
풍차의 회전 속도는 회전 계수기로 측정하고, 전자 칩을 통해 풍속으로 변환한다. 따라서 단면적을 알면 체적 유량도 계산할 수 있다.

기상 요소로서의 바람은 기온, 기압처럼 스칼라량이 아니라 풍향을 포함하는 벡터로 파악해야 한다. 그래서 실제 관측 환경에서 풍속계는 풍향을 관측하는 장치를 함께 사용하거나 내장하는 경우가 많다.

기상 관측용 풍향풍속계는 보통 앞쪽에 풍차, 뒤쪽에 풍향 안정을 위한 꼬리 날개가 달린 유선형 본체가 받침대를 통해 수평으로 회전하는 구조를 갖는다. 이를 통해 풍차는 항상 바람을 향하고, 동시에 풍향도 관측할 수 있다. 풍차의 회전수는 발전기나 광전식 장치로 측정하는데, 광전식이 응답성이 좋고, 시간이 지나도 성능 저하가 적으며, 디지털 출력에 적합하여 더 선호된다. 날개는 알루미늄 합금이나 폴리카보네이트와 같은 가볍고 강도가 높은 재료로 만들어진다.

일본에서는 제2차 세계 대전 이후 GHQ에 의해 항공기 연구가 금지되자, 사누키 마토 등 프로펠러·날개 관련 기술 전문가들이 1949년(쇼와 24년) 코신전기공업주식회사와 공동 개발로 풍속계 개발에 뛰어들면서 독자적인 발전을 이루었다. 그 결과, 일본은 기상 관측에 사용되는 풍속계 중 풍차형 풍속계의 비율이 세계에서 가장 높은 국가 중 하나가 되었다.

기상 관측용 풍차형 풍속계의 성능은 다음과 같이 규정되어 있다.

항목규정
거리 상수8m 이하 (풍차 지름 15cm 이하일 때는 9m 이하)
계기 오차풍속 10m/s 이하: 0.5m/s 이하 (풍차 지름 15cm 이하일 때는 1m/s 이하)
풍속 10m/s 초과: 풍속의 5% 이하 (풍차 지름 15cm 이하일 때는 10% 이하)
풍향풍속계풍속 10m/s일 때 90° 풍향 변화에 대해 5초 이내 추종


3. 3. 열선 풍속계

열선 풍속계는 주변 온도보다 높은 온도로 전기적으로 가열된 매우 가는 와이어(수 마이크로미터 정도)를 사용한다. 와이어를 지나는 공기 흐름은 와이어를 식힌다. 대부분의 금속은 온도에 따라 전기 저항이 달라지므로(열선에는 텅스텐이 많이 사용됨), 와이어의 저항과 공기 속도 사이의 관계를 통해 풍속을 알 수 있다.[5] 풍향계와 결합하지 않는 한, 공기 흐름의 방향은 측정할 수 없다.

열선 풍속계는 구현 방법에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

이러한 풍속계의 전압 출력은 옴의 법칙에 따라 특정 변수(전류, 전압 또는 온도)를 일정하게 유지하려고 하는 장치 내부 회로의 결과이다.

PWM(펄스 폭 변조) 풍속계도 사용되는데, 이 경우 속도는 와이어를 지정된 저항까지 올린 다음 임계값 "바닥"에 도달할 때까지 멈추었다가 펄스를 다시 보내는 반복 펄스의 시간 길이로 추론된다.

열선 풍속계는 매우 섬세하지만, 다른 측정 방법에 비해 주파수 응답이 매우 높고 공간 분해능이 미세하다. 따라서 난류 또는 빠른 속도 변동이 중요한 모든 흐름을 연구하는 데 거의 보편적으로 사용된다.

미세 와이어 풍속계의 산업용 버전은 열 유량계이며, 기본적인 개념은 동일하다. 하지만 온도 변화를 모니터링하기 위해 두 개의 핀 또는 스트링을 사용한다. 스트링에는 미세 와이어가 포함되어 있지만, 와이어를 캡슐화하여 내구성이 훨씬 좋아졌다. 따라서 파이프, 덕트 및 스택에서 공기, 가스 및 배기 가스 흐름을 정확하게 측정할 수 있다. 산업용 응용 분야에는 일반적인 열선 풍속계를 손상시키는 먼지가 자주 포함되어 있다.

열선 센서

3. 4. 초음파 풍속계

초음파 풍속계는 초음파를 사용하여 풍속을 측정하는 장비로, 1950년대에 처음 개발되었다. 센서 쌍 사이에서 음파의 이동 시간을 측정하여 풍속을 계산한다.[7]

바람이 더 빠르게 불수록 음파는 더 빨리 이동한다. 음파가 한 센서에서 다른 센서로 이동하는 데 걸리는 시간은 공기 중 음속과 같은 방향의 풍속에 반비례한다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

:t=\frac{L}{(c+v)}

여기서 t는 비행 시간, L은 센서 간의 거리, c는 공기 중 음속, v는 풍속이다.

공기 중 음속(온도, 기압 및 습도에 따라 다름)을 보정하기 위해 음파는 양방향으로 전송되며, 풍속은 정방향과 역방향 비행 시간을 사용하여 계산된다.

:v=\frac{1}{2} L(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})

여기서 t_1은 정방향 비행 시간이고 t_2는 역방향 비행 시간이다.

초음파 풍속계는 움직이는 부품이 없어 유지 보수가 거의 필요 없고, 넓은 범위의 풍속에서 작동하며, 풍속과 방향의 급격한 변화를 측정할 수 있다는 장점이 있다. 초당 여러 번 측정하므로 난류 공기 흐름 패턴을 측정하는 데 유용하다. 하지만 센서를 지지하는 구조물이 기류를 왜곡할 수 있고, 빗방울이나 얼음이 맺히면 부정확해질 수 있다는 단점도 있다. 음속은 온도에 따라 변하므로 초음파 풍속계는 온도계로도 사용된다.

센서 쌍의 측정값을 결합하여 1차원, 2차원 또는 3차원 유동의 속도를 측정할 수 있다. 2차원 초음파 풍속계는 기상 관측소, 선박 항해, 항공, 기상 부표, 풍력 터빈 등에 사용된다. 풍력 터빈 모니터링에는 일반적으로 3 Hz의 풍속 측정 재생 빈도가 필요하며,[8] 초음파 풍속계는 이를 쉽게 달성할 수 있다. 3차원 초음파 풍속계는 에디 공분산 방법을 사용하여 가스 배출량과 생태계 플럭스를 측정하는 데 널리 사용된다.

음향 공진 풍속계


음향 공진 풍속계는 초음파 풍속계의 한 종류이다. 1999년에 사바스 카파르티스(Savvas Kapartis)가 발명하고 특허를 받았다.[9] 기존 초음파 풍속계가 비행 시간 측정에 의존하는 반면, 음향 공진 센서는 작은 공동 내에서 공진하는 음향(초음파)파를 사용한다.

음향 공진 원리


공동 내부에는 초음파 트랜스듀서 어레이가 내장되어 초음파 주파수에서 정상파 패턴을 생성한다. 바람이 공동을 통과하면 파의 특성(위상 변화)이 변한다. 각 트랜스듀서가 수신한 신호의 위상 변화량을 측정하고, 이를 수학적으로 처리하여 바람 속도와 방향을 정확하게 측정할 수 있다.

음향 공진 기술은 작은 공동 내에서 측정이 가능하여 센서 크기가 작고, 가열이 용이하여 결빙에 강하다는 장점이 있다. 이러한 특징 덕분에 높은 수준의 데이터 가용성을 가지며, 풍력 터빈 제어 및 전장 기상학과 같이 소형이고 견고한 센서가 필요한 분야에 적합하다.

기상 요소로서의 바람은 기온, 기압 등과 같은 스칼라량이 아니라, 풍향을 수반한 벡터로서 파악되어야 한다. 따라서, 실제 관측 환경에서의 풍속계는 풍향을 관측하는 수단을 병설하거나 내장하는 경우가 많다. 마주 보게 배치한 송신부와 수신부 사이에서 초음파의 전파 시간을 측정함으로써 풍속을 측정할 수 있다.

측정 구간이 직교하는 두 쌍의 송신부·수신부를 사용하여(예를 들어 동서·남북의) 성분별 측정을 함으로써, 바람을 풍향을 포함한 벡터로 관측할 수 있다(원통형으로 배치한 세 쌍을 사용하여 입체적인 관측을 하는 제품도 있다).

3차원 초음파 풍향풍속계


3차원 초음파 풍향풍속계는 초음파 송수신기를 2개씩 120도 간격으로 3방향에서 비스듬히 설치한다. 비스듬히 설치된 3개의 센서에서 얻어지는 전파 시간 차를 계산함으로써 수평 방향뿐만 아니라 상하 방향의 풍속까지 측정할 수 있다. 매질인 공기는 기온에 따라 초음파의 전파 속도가 변하므로, 송신과 수신을 양방향으로 번갈아 수행하여 기온에 의한 차이를 제외하도록 고려되어 있다.[19]

3. 5. 압력관 풍속계

화이트 마운틴 천문대의 계측 장비들. 피토관 정압 풍속계는 오른쪽에 있다.


뾰족한 머리가 피토관 포트(pitot port)이다. 작은 구멍들은 정압 포트(static port)에 연결되어 있다.


압력관 풍속계는 피토-정압관을 이용하여 풍속을 측정한다. 피토관은 뾰족한 머리 부분에 뚫린 구멍으로 바람의 동압을 측정하고, 관 옆면의 작은 구멍들로 정압을 측정한다. 피토관은 항상 바람을 향하도록 꼬리가 달려 있으며, 착빙을 방지하기 위해 가열되기도 한다.[14] 두 압력 차이를 압력계, 압력 트랜스듀서, 아날로그 기록계 등으로 측정하여 풍속을 계산한다.[15]

1892년 윌리엄 헨리 다인스(William Henry Dines)가 발명한 다인스 풍속계는 압력관 풍속계의 한 종류이다. 이 풍속계는 바람을 향한 직선 관의 열린 입구와 윗부분이 막힌 수직 관의 작은 구멍들의 고리 사이의 압력 차이를 이용한다. 이 압력 차이는 매우 작기 때문에, 물로 부분 채워진 밀폐된 공간에 떠 있는 부표를 이용하여 기록한다. 직선 관에서 나온 파이프는 밀폐 공간 상단에, 작은 관에서 나온 파이프는 부표 내부 하단으로 연결되어 압력 차이에 따라 부표의 수직 위치가 변하고, 이것이 풍속의 척도가 된다.[13]

다인스 풍속계는 10mi/h에서 오차가 1%에 불과했지만, 바람 방향에 따라 헤드를 돌리는 판형 베인의 반응이 좋지 않아 저풍속에는 약했다. 1918년, 평판의 8배 토크를 가진 공기역학적 베인이 개발되어 이 문제가 개선되었다.

일본에서는 과거에 자기식 다인스식 풍속계(ダインス式風速計)가 기상 관측에 사용되기도 했다. 이는 피토관을 이용하여 정압과 총압의 차이를 액체 용기 내 수위 변화로 검출하고, 부표의 상하 운동을 기록 펜으로 구동하여 기록지에 풍속을 기록하는 방식이었다. 그러나 피토관은 섬세하고 이물질에 의한 고장이 잦아, 현재는 풍동(風洞) 운전 관리나 다른 풍속계 검정·교정에 주로 사용된다.

3. 6. 기타 풍속계

레이저 도플러 풍속계는 레이저에서 나오는 빛을 둘로 나누어 사용한다. 그중 한 갈래는 풍속계 밖으로 나가는데, 이때 공기 중의 미립자가 빛을 반사하여 검출기로 보낸다. 이 반사광은 원래 레이저 빔과 비교하여 측정되며, 입자의 운동량이 클 때 발생하는 도플러 편이를 이용하여 풍속을 계산한다.[6]

일반적인 풍속계는 실에 매달린 탁구공으로 만들 수 있다. 바람이 불면 가벼운 탁구공이 밀려나 움직이는데, 이때 실과 수직선 사이의 각도를 측정하여 풍속을 추정한다. 이러한 풍속계는 주로 중학교 교육에 사용되지만, 피닉스 화성 착륙선에도 비슷한 장치가 탑재되었다.[16]

기상 요소인 바람은 기온, 기압과 달리 풍향을 포함하는 벡터이다. 따라서 실제 풍속계는 풍향 관측 장치를 함께 사용하거나 내장하는 경우가 많다.

풍압을 이용하는 풍속계로는 피토관을 사용하는 방식이 있다. 이는 항공기 속도계와 같은 원리로, 과거에는 정압과 총압의 차이를 이용한 다인스식 풍속계가 기상 관측에 사용되었다. 그러나 피토관은 정밀하지만 고장이 잦아 현재는 풍동 관리나 다른 풍속계 검정, 교정에 주로 사용된다.

열선식 풍속계는 전열선에 전류를 흘려 발열시키고, 바람에 의해 냉각되는 정도를 측정하여 풍속을 구한다. 정밀하지만 장시간 측정에 부적합하고 센서가 쉽게 파손되어, 최근에는 실내용으로 주로 사용된다.

간단한 풍속계로는 직사각형 베인이 바람에 의해 기울어지는 각도로 풍속을 측정하는 방식이 있으며, 과학 교재로 사용된다.

바람개비의 방향과 기울기로 풍향과 대략적인 풍속을 측정하는 방법은 어선, 항공기 운항, 스포츠 경기 운영 등에 사용된다.

그 외에도 풍경을 풍력 계급표와 비교하거나, 기구가 바람에 날아가는 움직임을 추적하거나, 도플러 레이더를 이용하여 강수 입자의 움직임을 파악하거나, 윈드 프로파일러를 사용하는 등 바람을 관측하는 다양한 방법이 있다.

4. 작동 원리

각 종류의 풍속계는 고유한 작동 원리를 가지고 있다.


  • 풍배형 풍속계: 바람이 불면 반구형 또는 원추형 날개의 오목한 면이 밀리는 방향으로 축이 회전한다. 회전수는 기계식 기구나 발전기, 포토 인터럽터를 이용한 계수기 등으로 측정한다.[2]
  • 풍차형 풍속계: 프로펠러 날개가 바람에 의해 회전하고, 회전 속도가 풍속에 비례한다.[3] 풍향계와 결합하여 풍향과 풍속을 동시에 측정할 수 있다.
  • 열선 풍속계: 전기적으로 가열된 미세한 와이어(텅스텐이 많이 사용됨)가 바람에 의해 냉각되는 정도를 측정하여 풍속을 계산한다. 옴의 법칙에 따라 와이어의 저항 변화를 이용한다.[5]
  • 초음파 풍속계: 초음파 센서 쌍 사이의 음파 비행 시간을 측정하여 풍속을 계산한다. 음파가 바람의 방향으로 이동할 때 속도가 빨라지는 원리를 이용한다.[7]
  • 압력관 풍속계: 바람을 향한 관의 열린 입구와 관 측면의 작은 구멍 사이의 압력 차이를 측정하여 풍속을 계산한다. 피토관과 정압관을 이용하여 압력 차이를 측정한다.[13][14][15]

4. 1. 풍배형 풍속계



'''풍배'''는 수직축 풍력 터빈 형태의 감지부로, 수직 회전축 주위에 3개 또는 4개의 반구형 또는 원추형 날개로 구성된다. 바람이 불면 볼록한 면보다 오목한 면의 공기 저항이 크기 때문에 오목한 면이 밀리는 방향으로 축이 회전한다. 이 회전은 기어식 기구나 발전기, 포토 인터럽터를 이용한 계수기 등으로 검출하여 수치나 전기 신호로 변환하여 표시·출력한다. 특히 기계식 기구로 회전수를 적산하여 풍정(측정 시간 내의 공기 이동 거리)을 표시하는 방식은 발명자인 로빈슨(영국인)의 이름을 따 '''로빈슨 풍속계'''라고 부른다.[2]

회전 유무 및 회전수가 풍향에 의존하지 않아 바람 변화에 대한 응답성이 높지만, 풍향 관측에는 별도로 "풍향계"를 설치해야 한다. 과거에는 풍배 4개(4배식)가 주류였고, 기상청 심볼 마크에 도안화되기도 했지만, 검출 기구가 기계식에서 구동 부하가 적은 전기식으로 바뀌면서 축 주위의 관성 모멘트가 적고 응답성이 좋은 3배식으로 대체되고 있다.

이동 관측용으로 손잡이형으로 만들거나, 공사 현장 등의 환경 측정에 편리한 삼각대가 있는 제품도 소형으로 제작되어 판매되고 있다.

기상 관측용으로 허용되는 성능은 다음과 같다.

  • 거리 정수: 12m 이하 (풍배 지름 5cm 이하일 때는 13m 이하)
  • 계기 오차:
  • 풍속 10m/s 이하: 0.5m/s 이하 (풍차 지름 15cm 이하일 때는 1m/s 이하)
  • 풍속 10m/s 초과: 풍속의 5% 이하 (풍차 지름 15cm 이하일 때는 10% 이하)

4. 2. 풍차형 풍속계

풍차형 풍속계는 프로펠러 날개가 바람에 의해 회전하고, 회전 속도가 풍속에 비례하는 원리를 이용한다.[3] 로빈슨 풍속계와 달리 회전축이 수평이며, 바람 방향에 따라 축이 움직여야 하므로 풍향계(weather vane/wind vane)와 같은 장치가 필요하다.

하나의 기계로 풍속과 풍향을 모두 측정하기 위해 프로펠러와 꼬리가 같은 축에 결합되어 있다.[3] 팬의 회전 속도는 회전 계수기로 측정하고, 전자 칩을 통해 풍속으로 변환한다. 따라서 단면적을 알면 체적 유량도 계산할 수 있다. 공기의 이동 방향이 일정한 광산이나 건물의 환기 갱도 등에서는 풍향계(air meters)가 사용되기도 한다.[4]

일반적으로 기상 관측용으로는 앞쪽에 풍차, 뒤쪽에 풍향 안정용 미익을 가진 유선형 본체가 받침대를 통해 수평으로 회전하는 '''풍향풍속계''' 형태가 대부분이다. 이를 통해 풍차를 항상 바람이 불어오는 쪽으로 향하게 하고 풍향도 동시에 관측할 수 있다. 풍차의 회전수는 발전기나 광전식 기구로 검출하는데, 특히 광전식은 관성 모멘트가 낮아 응답성이 좋고, 경시 변화가 적으며, 디지털 출력에 적합하여 선호된다. 날개 재질로는 알루미늄 합금이나 폴리카보네이트와 같은 가볍고 강도가 높은 재료가 사용된다.

일본에서는 제2차 세계 대전 이후 GHQ에 의해 항공기 연구가 금지되자, 사누키 마토 등 프로펠러·날개 관련 기술 전문가들이 1949년(쇼와 24년)에 코신전기공업주식회사와 공동 개발로 풍속계 개발에 전환하여 독자적인 발전을 이루었다. 그 결과, 일본은 기상 관측에 사용되는 풍속계에서 풍차형 풍속계가 차지하는 비율이 세계에서 가장 높은 국가 중 하나가 되었다.

기상 관측용 풍차형 풍속계의 성능은 다음과 같이 규정되어 있다.

항목규격
거리 상수8m 이하 (풍차 지름 15cm 이하일 때 9m 이하)
계기 오차풍속 10m/s 이하: 0.5m/s 이하 (풍차 지름 15cm 이하일 때 1m/s 이하)
풍속 10m/s 초과: 풍속의 5% 이하 (풍차 지름 15cm 이하일 때 10% 이하)
풍향풍속계풍속 10m/s일 때 90° 풍향 변화에 대해 5초 이내 추종


4. 3. 열선 풍속계



열선 풍속계는 주변 온도보다 높은 온도로 전기적으로 가열된 미세한 와이어(수 마이크로미터 정도)를 사용한다. 와이어를 지나는 공기 흐름은 와이어를 식힌다. 대부분의 금속은 전기 저항이 온도에 따라 달라지므로(열선에는 텅스텐이 많이 사용됨), 와이어의 저항과 공기 속도 사이의 관계를 얻을 수 있다.[5] 대부분의 경우, 풍향계와 결합하지 않는 한 공기 흐름의 방향을 측정하는 데 사용할 수 없다.

열선 풍속계를 구현하는 방법에는 여러 가지가 있다. 열선 장치는 CCA(정전류 풍속계), CVA(정전압 풍속계), CTA(정온도 풍속계)로 분류할 수 있다. 이러한 풍속계의 전압 출력은 옴의 법칙에 따라 특정 변수(전류, 전압 또는 온도)를 일정하게 유지하려는 장치 내부 회로의 결과이다.

PWM(펄스 폭 변조) 풍속계도 사용되는데, 이 풍속계는 와이어를 지정된 저항까지 올린 다음 임계값 "바닥"에 도달할 때까지 멈추었다가 펄스를 다시 보내는 반복 펄스의 시간 길이로 속도를 추론한다.

열선 풍속계는 매우 섬세하지만, 다른 측정 방법에 비해 주파수 응답이 매우 높고 공간 분해능이 미세하여 난류 또는 빠른 속도 변동이 중요한 모든 흐름의 세부적인 연구에 거의 보편적으로 사용된다.

미세 와이어 풍속계의 산업용 버전은 열 유량계이며, 기본 개념은 동일하지만 온도 변화를 모니터링하기 위해 두 개의 핀 또는 스트링을 사용한다. 스트링에는 미세 와이어가 포함되어 있지만, 와이어를 캡슐화하여 내구성이 훨씬 좋아졌다. 따라서 파이프, 덕트 및 스택에서 공기, 가스 및 배기 가스 흐름을 정확하게 측정할 수 있다. 산업용 응용 분야에는 일반적인 열선 풍속계를 손상시키는 먼지가 자주 포함되어 있다.

4. 4. 초음파 풍속계

초음파 풍속계는 1950년대에 처음 개발되었으며, 초음파를 사용하여 풍속을 측정한다. 센서 쌍 사이의 음파 비행 시간을 기반으로 풍속을 측정하는데, 음파가 한 센서에서 다른 센서로 이동하는 데 걸리는 시간은 공기 중 음속과 같은 방향의 풍속에 반비례한다.[7] 즉, 바람이 더 빠를수록 음파는 더 빨리 이동한다. 공기 중 음속(온도, 기압 및 습도에 따라 다름)을 보정하기 위해 음파는 양방향으로 전송되며, 풍속은 정방향과 역방향 비행 시간을 사용하여 계산한다.

초음파 풍속계는 움직이는 부품이 없으므로 유지 보수가 거의 필요 없고 열악한 환경에서도 사용할 수 있다. 넓은 범위의 풍속에서 작동하며 풍속과 방향의 급격한 변화를 측정하고 초당 여러 번 측정하므로 난류 공기 흐름 패턴을 측정하는 데 유용하다.

주요 단점은 센서를 지지하는 구조물이 기류를 왜곡한다는 점이며, 이를 최소화하기 위해 풍동 측정을 기반으로 보정이 필요하다. 센서에 빗방울이나 얼음이 맺히면 부정확해질 수도 있다.

음속은 온도에 따라 변하고 압력 변화에는 거의 영향을 받지 않으므로 초음파 풍속계는 온도계로도 사용된다.

센서 쌍의 측정값을 결합하여 1차원, 2차원 또는 3차원 유동의 속도를 측정할 수 있다. 2차원(풍속 및 풍향) 초음파 풍속계는 기상 관측소, 선박 항해, 항공, 기상 부표 및 풍력 터빈과 같은 응용 분야에 사용된다. 풍력 터빈 모니터링에는 일반적으로 3 Hz의 풍속 측정 재생 빈도가 필요하며,[8] 초음파 풍속계는 이를 쉽게 달성할 수 있다. 3차원 초음파 풍속계는 빠른 응답 적외선 가스 분석기 또는 레이저 기반 분석기와 함께 사용하여 에디 공분산 방법을 사용하여 가스 배출량과 생태계 플럭스를 측정하는 데 널리 사용된다.

3차원 초음파 풍향풍속계는 초음파 송수신기를 2개씩 120도 간격으로 3방향에서 비스듬히 설치한다. 비스듬히 설치된 3개의 센서에서 얻어지는 전파 시간 차를 계산함으로써 수평 방향뿐만 아니라 상하 방향의 풍속까지 측정할 수 있다. 매질인 공기는 기온에 따라 초음파의 전파 속도가 변하므로, 송신과 수신을 양방향으로 번갈아 수행하여 기온에 의한 차이를 제외하도록 고려되어 있다.[19]

기상 요소로서의 바람은 기온, 기압 등과 같은 스칼라량이 아니라, 풍향을 수반한 벡터로서 파악되어야 한다. 따라서, 실제 관측 환경에서의 풍속계는 풍향을 관측하는 수단을 병설하거나 내장하는 경우가 많다. 음파는 풍상에서 풍하로는 Vs+Vw (Vs: 음속, Vw: 풍속), 풍하에서 풍상으로는 Vs-Vw의 속도로 전파하는데, 이를 이용하여 마주 보게 배치한 송신부와 수신부 사이에서 초음파의 전파 시간을 측정함으로써 풍속을 측정할 수 있다.

측정 구간이 직교하는 두 쌍의 송신부·수신부를 사용하여(예를 들어 동서·남북의) 성분별 측정을 함으로써, 바람을 풍향을 포함한 벡터로 관측할 수 있다(원통형으로 배치한 세 쌍을 사용하여 입체적인 관측을 하는 제품도 있다). 또한, 실제 제품에서는 측정 구간의 양단에 수신부와 송신부를 일체화한 것을 배치하여 왕복 양쪽의 시간을 측정함으로써 기온·기압의 변화에 의한 음속의 변화를 상쇄하고, 관측 오차를 억제하고 있다.

외부 잡음에 의한 오차가 발생하기 쉽고, 풍향·풍속의 확정에는 컴퓨터 처리가 필요한 반면, 원리상 거리 상수가 존재하지 않고, 환경 중에 기계적인 작동 부분을 노출하지 않기 때문에 내후성이 뛰어나고, 또한 방빙 장치의 구현도 용이하기 때문에, 잦은 점검을 하기 어려운 외딴 곳에 설치되는 경우가 많다.

기상 관측용으로 허용되는 계기 오차는 풍속 6m/s 이하에서 0.3m/s, 풍속 6m/s 초과에서는 풍속의 5%로 되어 있다.

4. 5. 압력관 풍속계

제임스 린드(James Lind, 1736~1812)가 1775년에 만든 풍속계는 유리 U자관에 액체 마노미터(압력계)를 넣어 만들었는데, 한쪽 끝은 바람을 향하도록 수평으로 구부리고 다른 쪽 끝은 수직으로 세워 막았다. 이 풍속계가 최초는 아니었지만, 가장 실용적이고 널리 알려졌다. 바람이 관으로 불어 들어가면 마노미터 한쪽에 압력이 증가하고, 다른 쪽은 거의 변화가 없어 U자관 속 액체의 높이 차이로 풍속을 측정했다. 하지만 정확한 측정을 위해서는 바람이 관의 열린 끝을 정면으로 향해야 했다.

윌리엄 헨리 다인스(William Henry Dines)가 발명한 튜브 풍속계.


윌리엄 헨리 다인스(William Henry Dines)는 1892년에 바람을 향한 직선 관의 열린 입구와 윗부분이 막힌 수직 관의 작은 구멍들의 고리 사이의 압력 차이를 이용하는 금속 압력관 풍속계를 만들었다. 압력 차이가 매우 작아, 물이 담긴 밀폐된 공간에 떠 있는 부표를 이용하여 기록했다. 직선 관은 밀폐된 공간 위에, 작은 관은 부표 아래에 연결하여 압력 차이로 부표의 위치가 결정되도록 했다.[13]

튜브 풍속계는 높은 곳에 설치 가능하고, 관리가 거의 필요 없으며, 기록 장치를 편리한 곳에 둘 수 있다는 장점이 있다. 하지만 압력 차이가 매우 작아 주변 공기압의 영향을 크게 받는다. 다인스 풍속계는 10mi/h에서 오차가 1%였지만, 바람 방향을 따라 회전하는 베인(vane)의 반응이 느려 낮은 풍속에는 적합하지 않았다. 1918년에는 이 문제를 해결하기 위해 8배 더 강한 힘을 가진 공기역학적 베인이 개발되었다.

현대의 튜브 풍속계는 항공기 속도 측정에 사용되는 피토-정압관을 사용한다. 피토관은 바람을 정면으로 받는 관의 열린 입구에서 동압을 측정하고, 정압관은 관 측면의 작은 구멍에서 정압을 측정한다. 피토관은 항상 바람을 향하도록 꼬리가 연결되어 있고, 착빙 방지를 위해 가열된다.[14] 두 관의 압력 차이는 압력계, 압력 트랜스듀서, 또는 아날로그 기록계로 측정한다.[15]

5. 한국 기상 관측에서의 활용

제공된 원본 소스에는 한국 기상 관측에서 풍속계가 구체적으로 어떻게 활용되는지에 대한 정보가 없기 때문에, 이 섹션에 내용을 작성할 수 없습니다.

5. 1. 법적 기준

일본에서는 '''기상업무법''' 및 그 하위 법령에 따라 공공적인 기상 관측에는 검정에 합격한 “풍배형 풍속계”, “풍차형 풍속계”, “초음파식 풍속계”를 사용하도록 규정되어 있다.[1]

5. 2. 활용 분야

기상 요소로서의 바람은 기온, 기압 등과 같은 스칼라량이 아니라, 풍향을 수반한 벡터로서 파악되어야 한다. 따라서 실제 관측 환경에서의 풍속계는 풍향을 관측하는 수단을 병설하거나 내장하는 경우가 많다.[1]

6. 추가 정보

풍속계는 캘리브레이션(교정)이 필요하며, 결빙 문제를 고려해야 한다. 튜브 풍속계는 실제 공기 밀도에 따라 보정이 필요하고, 해발 고도에 따라 추가적인 보정이 필요하다.[1] 풍속계의 응답성은 거리상수로 평가되며, 값이 작을수록 성능이 좋다.[1] 공항이나 풍력 터빈 등에서는 결빙 방지를 위해 가열 장치가 있는 풍속계를 사용한다.[17]

6. 1. 캘리브레이션 (Calibration, 교정)

튜브 풍속계는 속도 눈금으로 눈금이 매겨져 있지만, 실제로는 동압을 측정한다. 온도, 고도 또는 기압의 차이로 인해 실제 공기 밀도가 보정 값과 다를 경우, 실제 풍속을 얻으려면 보정이 필요하다. 해발 약 304.80m마다 튜브 풍속계가 기록한 속도에 약 1.5%( 약 1828.80m 이상에서는 1.6%)를 더해야 하며, 해발 1km마다 5%를 더해야 한다.[1]

풍속계는 풍속 변화에 대한 응답성이 우수해야 한다. 이는 '''거리상수'''로 평가된다. 거리상수는 풍속이 0에서 V(m/sec)로 급변했을 때 풍속계의 지시가 0에서 0.63V가 되는 데 걸리는 시간을 S(sec)라고 할 때, SV(m)의 값이며, 값이 작을수록 성능이 좋다.[1]

6. 2. 결빙 문제

공항에서는 결빙성 강수를 포함한 모든 조건에서 정확한 풍향, 풍속 자료를 확보하는 것이 필수적이다. 풍력 터빈의 운영 모니터링 및 제어에도 풍속계가 필요한데, 추운 환경에서는 구름 속 결빙이 발생하기 쉽다. 결빙은 풍속계의 공기역학적 특성을 변화시키고 작동을 완전히 차단할 수도 있다. 따라서 이러한 용도로 사용되는 풍속계는 내부 가열 장치가 있어야 한다.[17] 현재 컵형 풍속계와 초음파 풍속계 모두 가열식 버전이 출시되어 있다.

참조

[1] 웹사이트 History of the Anemometer https://www.windlogg[...] Logic Energy 2012-06-18
[2] 서적 Sighard Hoerner's Fluid Dynamic Drag https://archive.org/[...] 1965
[3] 웹사이트 Vane anemometer http://www.eumetcal.[...] 2014-04-06
[4] 서적 Encyclopaedia Britannica, 11th Edition, Volume 2, Part 1, Slice 1 https://books.google[...] Prabhat Prakashan 2018-01-01
[5] 웹사이트 Hot-wire Anemometer explanation http://www.efunda.co[...] eFunda 2006-09-18
[6] 웹사이트 Laser Doppler Anemometer http://patft.uspto.g[...] United States Patent and Trademark Office 2006-09-18
[7] 웹사이트 Sonic Anemometers (Centre for Atmospheric Science - The University of Manchester) http://www.cas.manch[...] 2024-02-29
[8] 서적 Wind Energy Systems: Optimising design and construction for safe and reliable operation Elsevier 2010-12-20
[9] 특허 Anemometer employing standing wave normal to fluid flow and travelling wave normal to standing wave 1999
[10] 웹사이트 Windvanes and anemometers https://brunelleschi[...] Museo Galileo - Istituto e Museo di Storia della Scienza
[11] 서적 The History of the Royal Society of London 1746
[12] 웹사이트 History of the Meteorological Office https://assets.cambr[...] Cambridge University Press
[13] 학술지 Anemometer Comparisons https://archive.org/[...] 2014-07-14
[14] 웹사이트 Instrumentation: Pitot Tube Static Anemometer, Part 1 http://www.accuweath[...] Mt. Washington Observatory 2014-07-14
[15] 웹사이트 Instrumentation: Pitot Tube Static Anemometer, Part 2 http://www.accuweath[...] Mt. Washington Observatory 2014-07-14
[16] 웹사이트 The Telltale project http://marslab.au.dk[...] 2012-02-20
[17] 학술지 Anemometry in Icing Conditions 2001
[18] 서적 Initial Guidance to Obtain Representative Meteorological Observations At Urban Sites World Meteorological Organization 2013-02-04
[19] 서적 超音波技術 基礎のきそ 日刊工業新聞社 2007-11-29
[20] 서적 気象学と気象予報の発達史　風力計・風速計 https://www.maruzen-[...] 丸善出版 2018
[21] 서적 The History of Meteorology to 1800 American Meteorological Society 1977
[22] 서적 Invention of the Meteorological Instruments The Johns Hopkins Press 1969
[23] 학술지 気象観測と測器 1982
[24] 웹사이트 気象学と気象予報の発達史: ウィリアム・ダインス（3）風速計の調査 (William Dines 3: Investigation for anemometer) https://korechi1.blo[...] 2019-04-04


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