Anemómetro
En meteorología, un anemómetro (del griego άνεμος (anemos) 'viento', y < /i>μέτρον (metron) 'medir') es un dispositivo que mide la velocidad y la dirección del viento. Es un instrumento común utilizado en las estaciones meteorológicas. La descripción más antigua conocida de un anemómetro fue realizada por el arquitecto y autor italiano Leon Battista Alberti (1404-1472) en 1450.
Historia
El anemómetro ha cambiado poco desde su desarrollo en el siglo XV. Se dice que Alberti lo inventó alrededor de 1450. En los siglos siguientes, muchos otros, incluido Robert Hooke. (1635-1703), desarrollaron sus propias versiones, y algunos fueron acreditados erróneamente como su inventor. En 1846, John Thomas Romney Robinson (1792–1882) mejoró el diseño utilizando cuatro copas hemisféricas y ruedas mecánicas. En 1926, el meteorólogo canadiense John Patterson (1872–1956) desarrolló un anemómetro de tres cazoletas, que Brevoort y Joiner mejoraron en 1935. En 1991, Derek Weston agregó la capacidad de medir la dirección del viento. En 1994, Andreas Pflitsch desarrolló el anemómetro sónico.
Anemómetros de velocidad
Anemómetros de cazoletas
Un tipo simple de anemómetro fue inventado en 1845 por el reverendo Dr. John Thomas Romney Robinson del Observatorio de Armagh. Consistía en cuatro copas hemisféricas sobre brazos horizontales montados en un eje vertical. El flujo de aire que pasaba por las copas en cualquier dirección horizontal hacía girar el eje a una velocidad aproximadamente proporcional a la velocidad del viento. Por lo tanto, contar las revoluciones del eje durante un intervalo de tiempo determinado produjo un valor proporcional a la velocidad promedio del viento para una amplia gama de velocidades. Este tipo de instrumento también se denomina anemómetro rotacional.
Con un anemómetro de cuatro copas, el viento siempre tiene el hueco de una copa delante y sopla en la parte posterior de la copa opuesta. Dado que un hemisferio hueco tiene un coeficiente de arrastre de 0,38 en el lado esférico y de 1,42 en el lado hueco, se genera más fuerza en la copa que la que presenta su lado hueco al viento. Debido a esta fuerza asimétrica, se genera un par en el eje del anemómetro, lo que hace que gire.
Teóricamente, la velocidad de rotación del anemómetro debería ser proporcional a la velocidad del viento porque la fuerza que se produce sobre un objeto es proporcional a la velocidad del gas o fluido que pasa por él. Sin embargo, en la práctica, otros factores influyen en la velocidad de rotación, incluida la turbulencia producida por el aparato, el aumento de la resistencia al par producido por las copas y los brazos de soporte, y la fricción en el punto de montaje. Cuando Robinson diseñó por primera vez su anemómetro, afirmó que las copas se movían a un tercio de la velocidad del viento, sin verse afectadas por el tamaño de la copa o la longitud del brazo. Aparentemente, esto fue confirmado por algunos de los primeros experimentos independientes, pero era incorrecto. En cambio, la relación entre la velocidad del viento y la de las copas, el factor del anemómetro, depende de las dimensiones de las copas y los brazos, y puede tener un valor entre dos y algo más de tres. Una vez que se descubrió el error, se tuvo que repetir todo el experimento anterior con anemómetros.
El anemómetro de tres cazoletas desarrollado por el canadiense John Patterson en 1926, y las posteriores mejoras de cazoletas de Brevoort & Joiner de los Estados Unidos en 1935, condujo a un diseño de rueda de copa con una respuesta casi lineal y un error de menos del 3% hasta 60 mph (97 km/h). Patterson descubrió que cada copa producía un par máximo cuando estaba a 45° del flujo del viento. El anemómetro de tres copas también tenía un par más constante y respondía más rápidamente a las ráfagas que el anemómetro de cuatro copas.
El anemómetro de tres copas fue modificado por el Dr. australiano Derek Weston en 1991 para medir también la dirección del viento. Agregó una etiqueta a una taza, lo que provocó que la velocidad de la copa aumentara y disminuyera a medida que la etiqueta se movía alternativamente con y contra el viento. La dirección del viento se calcula a partir de estos cambios cíclicos de velocidad, mientras que la velocidad del viento se determina a partir de la velocidad media de la rueda de copa.
Los anemómetros de tres copas son actualmente el estándar de la industria para los estudios y la práctica de evaluación de recursos eólicos.
Anemómetros de molinete
Una de las otras formas de anemómetro de velocidad mecánica es el anemómetro de paleta. Puede describirse como un molino de viento o un anemómetro de hélice. A diferencia del anemómetro de Robinson, cuyo eje de rotación es vertical, el anemómetro de molinete debe tener su eje paralelo a la dirección del viento y por lo tanto es horizontal. Además, dado que el viento varía en dirección y el eje tiene que seguir sus cambios, se debe emplear una veleta o algún otro dispositivo para cumplir el mismo propósito.
Un anemómetro de veleta combina una hélice y una cola en el mismo eje para obtener mediciones exactas y precisas de la velocidad y la dirección del viento desde el mismo instrumento. La velocidad del ventilador se mide con un cuentarrevoluciones y se convierte en velocidad del viento con un chip electrónico. Por lo tanto, la tasa de flujo volumétrico se puede calcular si se conoce el área de la sección transversal.
En los casos en los que la dirección del movimiento del aire es siempre la misma, como en la ventilación de pozos de minas y edificios, se emplean veletas conocidas como medidores de aire y dan resultados satisfactorios.
- Anemometers de Vane
Vane estilo de anemometer
Anemómetro de hélice helicoidista que incorpora una furgoneta para orientación
Mango anemometer de baja velocidad
Anemómetro digital de mano o Byram.
Anemómetros de hilo caliente
Los anemómetros de hilo caliente utilizan un hilo fino (del orden de varios micrómetros) calentado eléctricamente a una temperatura superior a la ambiente. El aire que pasa por el cable lo enfría. Como la resistencia eléctrica de la mayoría de los metales depende de la temperatura del metal (el tungsteno es una elección popular para los hilos calientes), se puede obtener una relación entre la resistencia del hilo y la velocidad del aire. En la mayoría de los casos, no se pueden usar para medir la dirección del flujo de aire, a menos que se combinen con una veleta.
Existen varias formas de implementar esto, y los dispositivos de hilo caliente se pueden clasificar en CCA (anemómetro de corriente constante), CVA (anemómetro de voltaje constante) y CTA (anemómetro de temperatura constante). La salida de voltaje de estos anemómetros es, por lo tanto, el resultado de algún tipo de circuito dentro del dispositivo que intenta mantener constante la variable específica (corriente, voltaje o temperatura), siguiendo la ley de Ohm.
Además, también se utilizan anemómetros PWM (modulación de ancho de pulso), en los que la velocidad se infiere por la duración de un pulso repetitivo de corriente que lleva el cable hasta una resistencia específica y luego se detiene hasta un umbral "piso" se alcanza, en cuyo momento el pulso se envía de nuevo.
Los anemómetros de hilo caliente, si bien son extremadamente delicados, tienen una respuesta de frecuencia extremadamente alta y una resolución espacial fina en comparación con otros métodos de medición y, como tales, se emplean casi universalmente para el estudio detallado de flujos turbulentos o cualquier flujo en el que la velocidad sea alta. las fluctuaciones son de interés.
Una versión industrial del anemómetro de alambre fino es el medidor de flujo térmico, que sigue el mismo concepto, pero usa dos pines o cuerdas para monitorear la variación de temperatura. Las cuerdas contienen cables finos, pero recubrir los cables los hace mucho más duraderos y capaces de medir con precisión el flujo de aire, gas y emisiones en tuberías, conductos y chimeneas. Las aplicaciones industriales a menudo contienen suciedad que dañará el clásico anemómetro de hilo caliente.
Anemómetros láser Doppler
En la velocimetría láser Doppler, los anemómetros láser Doppler utilizan un haz de luz de un láser que se divide en dos haces, uno de los cuales se propaga fuera del anemómetro. Las partículas (o el material de semilla introducido deliberadamente) que fluyen junto con las moléculas de aire cerca de donde sale el rayo reflejan, o retrodispersan, la luz hacia un detector, donde se mide en relación con el rayo láser original. Cuando las partículas están en gran movimiento, producen un desplazamiento Doppler para medir la velocidad del viento en la luz láser, que se utiliza para calcular la velocidad de las partículas y, por lo tanto, del aire alrededor del anemómetro.
El pico central mantiene alejados a los pájaros.
Anemómetros ultrasónicos
Los anemómetros ultrasónicos, desarrollados por primera vez en la década de 1950, utilizan ondas sonoras ultrasónicas para medir la velocidad del viento. Miden la velocidad del viento en función del tiempo de vuelo de los pulsos sónicos entre pares de transductores. Las mediciones de pares de transductores se pueden combinar para producir una medición de la velocidad en un flujo de 1, 2 o 3 dimensiones. La resolución espacial viene dada por la longitud del camino entre los transductores, que suele ser de 10 a 20 cm. Los anemómetros ultrasónicos pueden tomar medidas con una resolución temporal muy fina, 20 Hz o mejor, lo que los hace muy adecuados para las medidas de turbulencia. La falta de partes móviles los hace apropiados para uso a largo plazo en estaciones meteorológicas automatizadas expuestas y boyas meteorológicas donde la precisión y confiabilidad de los anemómetros tradicionales de copa y paleta se ven afectadas negativamente por el aire salado o el polvo. Su principal desventaja es la distorsión del flujo de aire por la estructura que soporta los transductores, lo que requiere una corrección basada en mediciones de túnel de viento para minimizar el efecto. Una norma internacional para este proceso, ISO 16622 Meteorología—Anemómetros/termómetros ultrasónicos—Métodos de prueba de aceptación para mediciones de viento medio está en circulación general. Otra desventaja es la menor precisión debido a la precipitación, donde las gotas de lluvia pueden variar la velocidad del sonido.
Dado que la velocidad del sonido varía con la temperatura y es prácticamente estable con el cambio de presión, los anemómetros ultrasónicos también se utilizan como termómetros.
Los anemómetros sónicos bidimensionales (velocidad y dirección del viento) se utilizan en aplicaciones tales como estaciones meteorológicas, navegación de barcos, aviación, boyas meteorológicas y turbinas eólicas. El monitoreo de las turbinas eólicas generalmente requiere una frecuencia de actualización de las mediciones de la velocidad del viento de 3 Hz, que se logra fácilmente con anemómetros sónicos. Los anemómetros sónicos tridimensionales se utilizan ampliamente para medir las emisiones de gases y los flujos de los ecosistemas mediante el método de covarianza de remolinos cuando se utilizan con analizadores de gases infrarrojos de respuesta rápida o analizadores basados en láser.
Los sensores de viento bidimensionales son de dos tipos:
- Dos caminos de ultrasonidos: Estos sensores tienen cuatro brazos. La desventaja de este tipo de sensor es que cuando el viento viene en la dirección de un camino de ultrasonido, los brazos perturban el flujo de aire, reduciendo la precisión de la medición resultante.
- Tres caminos de ultrasonidos: Estos sensores tienen tres brazos. Ofrecen una salida de la medición que mejora la precisión del sensor y reduce la turbulencia aerodinámica.
Anemómetros de resonancia acústica
Los anemómetros de resonancia acústica son una variante más reciente del anemómetro sónico. La tecnología fue inventada por Savvas Kapartis y patentada en 1999. Mientras que los anemómetros sónicos convencionales se basan en la medición del tiempo de vuelo, los sensores de resonancia acústica utilizan ondas acústicas resonantes (ultrasónicas) dentro de una pequeña cavidad especialmente diseñada para realizar su medición.
Integrado en la cavidad hay una serie de transductores ultrasónicos, que se utilizan para crear patrones de ondas estacionarias independientes en frecuencias ultrasónicas. A medida que el viento pasa a través de la cavidad, se produce un cambio en la propiedad de la onda (cambio de fase). Al medir la cantidad de cambio de fase en las señales recibidas por cada transductor y luego al procesar matemáticamente los datos, el sensor puede proporcionar una medición horizontal precisa de la velocidad y dirección del viento.
Debido a que la tecnología de resonancia acústica permite la medición dentro de una cavidad pequeña, los sensores tienden a ser más pequeños en tamaño que otros sensores ultrasónicos. El pequeño tamaño de los anemómetros de resonancia acústica los hace físicamente fuertes y fáciles de calentar y, por lo tanto, resistentes a la formación de hielo. Esta combinación de características significa que logran altos niveles de disponibilidad de datos y son muy adecuados para el control de turbinas eólicas y para otros usos que requieren sensores pequeños y robustos, como la meteorología del campo de batalla. Un problema con este tipo de sensor es la precisión de la medición en comparación con un sensor mecánico calibrado. Para muchos usos finales, esta debilidad se compensa con la longevidad del sensor y el hecho de que no requiere recalibración una vez instalado.
Anemómetros de pelota de ping-pong
Un anemómetro común para uso básico se construye a partir de una pelota de ping-pong atada a una cuerda. Cuando el viento sopla horizontalmente, presiona y mueve la pelota; Debido a que las pelotas de ping-pong son muy livianas, se mueven fácilmente con vientos suaves. La medición del ángulo entre el aparato de bolas de hilo y la vertical da una estimación de la velocidad del viento.
Este tipo de anemómetro se usa principalmente para la instrucción de nivel de secundaria, que la mayoría de los estudiantes hacen por su cuenta, pero también se voló un dispositivo similar en el Phoenix Mars Lander.
Anemómetros de presión
Los primeros diseños de anemómetros que miden la presión se dividieron en clases de placas y tubos.
Anemómetros de placa
Estos son los primeros anemómetros modernos. Consisten en una placa plana suspendida de la parte superior para que el viento desvíe la placa. En 1450, el arquitecto de arte italiano Leon Battista Alberti inventó el primer anemómetro mecánico; en 1664 fue reinventado por Robert Hooke (quien a menudo se considera erróneamente el inventor del primer anemómetro). Las versiones posteriores de esta forma consistían en una placa plana, ya sea cuadrada o circular, que se mantenía normal al viento mediante una veleta. La presión del viento en su cara se equilibra con un resorte. La compresión del resorte determina la fuerza real que el viento ejerce sobre la placa, y esto se lee en un indicador adecuado o en un registrador. Los instrumentos de este tipo no responden a vientos ligeros, son imprecisos para lecturas de vientos fuertes y responden lentamente a vientos variables. Los anemómetros de placas se han utilizado para activar alarmas de vientos fuertes en puentes.
Anemómetros de tubo
El anemómetro de James Lind de 1775 consistía en un tubo en U de vidrio montado verticalmente que contenía un manómetro de líquido (manómetro), con un extremo doblado en dirección horizontal para enfrentar el flujo del viento y el otro extremo vertical tapado. Aunque el Lind no fue el primero, fue el anemómetro más práctico y conocido de este tipo. Si el viento sopla en la boca de un tubo provoca un aumento de presión en un lado del manómetro. El viento sobre el extremo abierto de un tubo vertical provoca un pequeño cambio en la presión del otro lado del manómetro. La diferencia de elevación resultante en las dos patas del tubo en U es una indicación de la velocidad del viento. Sin embargo, una medición precisa requiere que la velocidad del viento esté directamente en el extremo abierto del tubo; pequeñas desviaciones de la verdadera dirección del viento provocan grandes variaciones en la lectura.
El exitoso anemómetro de tubo de presión de metal de William Henry Dines en 1892 utilizó la misma diferencia de presión entre la boca abierta de un tubo recto que mira hacia el viento y un anillo de pequeños orificios en un tubo vertical que está cerrado en el extremo superior. Ambos están montados a la misma altura. Las diferencias de presión de las que depende la acción son muy pequeñas y se requieren medios especiales para registrarlas. El registrador consta de un flotador en una cámara sellada parcialmente llena de agua. La tubería del tubo recto se conecta a la parte superior de la cámara sellada y la tubería de los tubos pequeños se dirige hacia el fondo dentro del flotador. Dado que la diferencia de presión determina la posición vertical del flotador, esta es una medida de la velocidad del viento.
La gran ventaja del anemómetro de tubo radica en el hecho de que la parte expuesta se puede montar en un poste alto y no requiere lubricación ni atención durante años; y la parte de registro se puede colocar en cualquier posición conveniente. Se requieren dos tubos de conexión. A primera vista, podría parecer que una conexión serviría, pero las diferencias de presión de las que dependen estos instrumentos son tan pequeñas que se debe considerar la presión del aire en la habitación donde se coloca la parte de grabación. Por lo tanto, si el instrumento depende únicamente del efecto de presión o succión, y esta presión o succión se mide contra la presión del aire en una habitación ordinaria, en la que las puertas y ventanas se cierran con cuidado y luego se quema un periódico en la chimenea, un efecto puede producirse igual a un viento de 10 mi/h (16 km/h); y la apertura de una ventana con mal tiempo, o la apertura de una puerta, pueden alterar enteramente el registro.
Si bien el anemómetro Dines tuvo un error de solo el 1 % a 16 km/h (10 mph), no respondió muy bien a vientos bajos debido a la mala respuesta de la veleta de placa plana requerida para convertir la cabeza en el viento. En 1918, una paleta aerodinámica con ocho veces el par de torsión de la placa plana superó este problema.
Anemómetros estáticos de tubo de Pitot
Los anemómetros de tubo modernos utilizan el mismo principio que el anemómetro Dines pero con un diseño diferente. La implementación utiliza un tubo pitot-estático, que es un tubo pitot con dos puertos, pitot y estático, que normalmente se usa para medir la velocidad aerodinámica de las aeronaves. El puerto de Pitot mide la presión dinámica de la boca abierta de un tubo con la cabeza puntiaguda orientada hacia el viento, y el puerto estático mide la presión estática de los pequeños orificios a lo largo del costado de ese tubo. El tubo de Pitot está conectado a una cola para que siempre haga que la cabeza del tubo mire hacia el viento. Además, el tubo se calienta para evitar la formación de escarcha en el tubo. Hay dos líneas desde el tubo hasta los dispositivos para medir la diferencia de presión de las dos líneas. Los dispositivos de medición pueden ser manómetros, transductores de presión o registradores gráficos analógicos.
Efecto de la densidad en las mediciones
En el anemómetro de tubo, en realidad se mide la presión dinámica, aunque la escala generalmente se gradúa como una escala de velocidad. Si la densidad del aire real difiere del valor de calibración, debido a la diferencia de temperatura, elevación o presión barométrica, se requiere una corrección para obtener la velocidad del viento real. Se debe agregar aproximadamente un 1,5 % (1,6 % por encima de los 6000 pies) a la velocidad registrada por un anemómetro de tubo por cada 1000 pies (5 % por cada kilómetro) sobre el nivel del mar.
Efecto de la formación de hielo
En los aeropuertos, es fundamental contar con datos de viento precisos en todas las condiciones, incluidas las precipitaciones heladas. La anemometría también es necesaria para monitorear y controlar el funcionamiento de las turbinas eólicas, que en ambientes fríos son propensas a la formación de hielo en las nubes. La formación de hielo altera la aerodinámica de un anemómetro y puede bloquear por completo su funcionamiento. Por lo tanto, los anemómetros utilizados en estas aplicaciones deben calentarse internamente. Tanto los anemómetros de cazoletas como los anemómetros sónicos están actualmente disponibles con versiones calentadas.
Ubicación del instrumento
Para que las velocidades del viento sean comparables de un lugar a otro, se debe considerar el efecto del terreno, especialmente en lo que respecta a la altura. Otras consideraciones son la presencia de árboles, y tanto cañones naturales como cañones artificiales (edificios urbanos). La altura estándar del anemómetro en terreno rural abierto es de 10 metros.