Anemômetro - Anemometer

Um anemômetro de copo hemisférico do tipo inventado em 1846 por John Thomas Romney Robinson .

Um anemômetro é um dispositivo usado para medir a velocidade e direção do vento . É também um instrumento comum de estação meteorológica . O termo é derivado da palavra grega anemos , que significa vento , e é usado para descrever qualquer instrumento de velocidade do vento usado em meteorologia . A primeira descrição conhecida de um anemômetro foi dada por Leon Battista Alberti em 1450.

História

O anemômetro mudou pouco desde seu desenvolvimento no século 15. Diz-se que Leon Battista Alberti (1404–1472) inventou o primeiro anemômetro mecânico por volta de 1450. Nos séculos seguintes, vários outros, incluindo Robert Hooke (1635–1703), desenvolveram suas próprias versões, com alguns sendo erroneamente creditados como o inventor. Em 1846, John Thomas Romney Robinson (1792-1882) aprimorou o design usando quatro copos hemisféricos e rodas mecânicas. Em 1926, o meteorologista canadense John Patterson (3 de janeiro de 1872 - 22 de fevereiro de 1956) desenvolveu um anemômetro de três copos, que foi aprimorado por Brevoort e Joiner em 1935. Em 1991, Derek Weston acrescentou a capacidade de medir a direção do vento. Em 1994, Andreas Pflitsch desenvolveu o anemômetro sônico.

Anemômetros de velocidade

Anemômetros de copo

Animação do anemômetro de copa

Um tipo simples de anemômetro foi inventado em 1845 pelo Rev Dr. John Thomas Romney Robinson , do Observatório Armagh . Consistia em quatro copos hemisféricos montados em braços horizontais, os quais eram montados em uma haste vertical. O fluxo de ar passando pelos copos em qualquer direção horizontal girou o eixo a uma taxa que era aproximadamente proporcional à velocidade do vento. Portanto, a contagem das voltas do eixo ao longo de um intervalo de tempo definido produziu um valor proporcional à velocidade média do vento para uma ampla faixa de velocidades. Também é chamado de anemômetro rotacional.

Em um anemômetro com quatro xícaras, é fácil perceber que, como as xícaras estão dispostas simetricamente na ponta dos braços, o vento sempre tem a concavidade de uma xícara apresentada a ele e está soprando nas costas da xícara no lado oposto fim da cruz. Como um hemisfério oco tem um coeficiente de arrasto de 0,38 no lado esférico e 1,42 no lado oco, mais força é gerada no copo que está apresentando seu lado oco ao vento. Por causa dessa força assimétrica, o torque é gerado no eixo do anemômetro, fazendo-o girar.

Teoricamente, a velocidade de rotação do anemômetro deve ser proporcional à velocidade do vento porque a força produzida em um objeto é proporcional à velocidade do fluido que passa por ele. Porém, na prática, outros fatores influenciam a velocidade de rotação, incluindo turbulência produzida pelo aparelho, aumento do arrasto em oposição ao torque que é produzido pelas taças e braços de suporte e atrito do ponto de montagem. Quando Robinson projetou seu anemômetro pela primeira vez, ele afirmou que os copos se moviam um terço da velocidade do vento, não afetados pelo tamanho do copo ou pelo comprimento do braço. Isso foi aparentemente confirmado por alguns experimentos independentes anteriores, mas estava incorreto. Em vez disso, a relação entre a velocidade do vento e a das xícaras, o fator anemômetro , depende das dimensões das xícaras e dos braços e pode ter um valor entre dois e um pouco mais de três. Todos os experimentos anteriores envolvendo um anemômetro tiveram que ser repetidos depois que o erro foi descoberto.

O anemômetro de três taças desenvolvido pelo canadense John Patterson em 1926 e as melhorias subsequentes da taça pela Brevoort & Joiner dos Estados Unidos em 1935 levaram a um projeto de roda dentada com uma resposta quase linear e teve um erro de menos de 3% até 60 mph (97 km / h). Patterson descobriu que cada copo produzia torque máximo quando estava a 45 ° do fluxo do vento. O anemômetro de três copos também teve um torque mais constante e respondeu mais rapidamente às rajadas do que o anemômetro de quatro copos.

O anemômetro de três copos foi modificado pelo australiano Dr. Derek Weston em 1991 para medir a direção e a velocidade do vento. Weston adicionou uma etiqueta a um copo, o que faz com que a velocidade da roda do copo aumente e diminua à medida que a etiqueta se move alternadamente com e contra o vento. A direção do vento é calculada a partir dessas mudanças cíclicas na velocidade da roda dentada, enquanto a velocidade do vento é determinada a partir da velocidade média da roda dentada.

Anemômetros de três copos são usados ​​atualmente como o padrão da indústria para estudos e práticas de avaliação de recursos eólicos .

Anemômetros de palheta

Uma das outras formas de anemômetro de velocidade mecânica é o anemômetro de palheta . Pode ser descrito como um moinho de vento ou um anemômetro de hélice. Ao contrário do anemômetro de Robinson, cujo eixo de rotação é vertical, o anemômetro de palhetas deve ter seu eixo paralelo à direção do vento e, portanto, horizontal. Além disso, uma vez que o vento varia de direção e o eixo deve seguir suas mudanças, um cata-vento ou algum outro dispositivo para cumprir o mesmo propósito deve ser empregado.

Um anemômetro de palheta, portanto, combina uma hélice e uma cauda no mesmo eixo para obter medições precisas e precisas da velocidade e direção do vento a partir do mesmo instrumento. A velocidade do ventilador é medida por um conta-rotações e convertida em velocidade do vento por um chip eletrônico. Portanto, a taxa de fluxo volumétrico pode ser calculada se a área da seção transversal for conhecida.

Nos casos em que a direção do movimento do ar é sempre a mesma, como em poços de ventilação de minas e edifícios, são utilizadas palhetas de vento conhecidas como medidores de ar, com resultados satisfatórios.

Anemômetros de fio quente

Sensor de fio quente

Os anemômetros de fio quente usam um fio fino (da ordem de vários micrômetros) aquecido eletricamente a alguma temperatura acima da ambiente. O ar que passa pelo fio resfria o fio. Como a resistência elétrica da maioria dos metais depende da temperatura do metal (o tungstênio é uma escolha popular para fios quentes), pode-se obter uma relação entre a resistência do fio e a velocidade do ar. Na maioria dos casos, eles não podem ser usados ​​para medir a direção do fluxo de ar, a menos que sejam acoplados a um cata-vento.

Existem várias maneiras de implementar isso, e os dispositivos de fio quente podem ser ainda classificados como CCA ( anemômetro de corrente constante ), CVA ( anemômetro de tensão constante ) e CTA (anemômetro de temperatura constante). A saída de tensão desses anemômetros é, portanto, o resultado de algum tipo de circuito dentro do dispositivo tentando manter a variável específica (corrente, tensão ou temperatura) constante, seguindo a lei de Ohm .

Além disso, anemômetros PWM ( modulação por largura de pulso ) também são usados, em que a velocidade é inferida pela duração de um pulso de corrente repetido que traz o fio até uma resistência especificada e, em seguida, para até que um "piso" limite seja alcançado, momento em que o pulso é enviado novamente.

Os anemômetros de fio quente, embora extremamente delicados, têm resposta de frequência extremamente alta e resolução espacial fina em comparação com outros métodos de medição e, como tal, são quase universalmente empregados para o estudo detalhado de fluxos turbulentos, ou qualquer fluxo no qual as flutuações de velocidade rápida são de interesse.

Uma versão industrial do anemômetro de fio fino é o fluxômetro térmico , que segue o mesmo conceito, mas utiliza dois pinos ou cordas para monitorar a variação de temperatura. Os fios contêm fios finos, mas envolvê-los os torna muito mais duráveis ​​e capazes de medir com precisão o fluxo de ar, gás e emissões em tubos, dutos e pilhas. As aplicações industriais geralmente contêm sujeira que danificará o anemômetro de fio quente clássico.

Desenho de um anemômetro a laser. A luz laser é emitida (1) através da lente frontal (6) do anemômetro e é retroespalhada nas moléculas de ar (7). A radiação retroespalhada (pontos) entra novamente no dispositivo e é refletida e direcionada para um detector (12).

Anemômetros laser Doppler

Na velocimetria de laser Doppler, os anemômetros de laser Doppler usam um feixe de luz de um laser que é dividido em dois feixes, com um propagado para fora do anemômetro. Partículas (ou material de semente introduzido deliberadamente) fluindo junto com moléculas de ar perto de onde o feixe sai refletem, ou retroespalham, a luz de volta para um detector, onde ela é medida em relação ao feixe de laser original. Quando as partículas estão em grande movimento, elas produzem um deslocamento Doppler para medir a velocidade do vento na luz laser, que é usada para calcular a velocidade das partículas e, portanto, do ar ao redor do anemômetro.

Anemômetro ultrassônico 2D com 3 caminhos

Anemômetros ultrassônicos

Anemômetro ultrassônico 3D

Os anemômetros ultrassônicos, desenvolvidos pela primeira vez na década de 1950, usam ondas sonoras ultrassônicas para medir a velocidade do vento. Eles medem a velocidade do vento com base no tempo de voo dos pulsos sônicos entre pares de transdutores . As medições de pares de transdutores podem ser combinadas para produzir uma medição de velocidade em fluxo de 1, 2 ou 3 dimensões. A resolução espacial é dada pelo comprimento do caminho entre os transdutores, que normalmente é de 10 a 20 cm . Os anemômetros ultrassônicos podem fazer medições com resolução temporal muito fina , 20 Hz ou melhor, o que os torna adequados para medições de turbulência . A falta de peças móveis os torna apropriados para uso de longo prazo em estações meteorológicas automatizadas expostas e boias meteorológicas, onde a precisão e confiabilidade dos anemômetros tradicionais em forma de copo e palheta são adversamente afetadas pelo ar salgado ou poeira. Sua principal desvantagem é a distorção do fluxo de ar pela estrutura que sustenta os transdutores, o que requer uma correção baseada em medições em túnel de vento para minimizar o efeito. Um padrão internacional para este processo, ISO 16622 Meteorologia - Anemômetros / termômetros ultrassônicos - Métodos de teste de aceitação para medições de vento médio está em circulação geral. Outra desvantagem é a menor precisão devido à precipitação, onde as gotas de chuva podem variar a velocidade do som .

Como a velocidade do som varia com a temperatura e é virtualmente estável com a mudança de pressão, os anemômetros ultrassônicos também são usados ​​como termômetros .

Anemômetros sônicos bidimensionais (velocidade e direção do vento) são usados ​​em aplicações como estações meteorológicas , navegação de navios, aviação, bóias meteorológicas e turbinas eólicas. O monitoramento de turbinas eólicas geralmente requer uma taxa de atualização das medições da velocidade do vento de 3 Hz, facilmente alcançada por anemômetros sônicos. Anemômetros sônicos tridimensionais são amplamente usados ​​para medir emissões de gases e fluxos de ecossistemas usando o método de covariância parasita quando usados ​​com analisadores de gás infravermelho de resposta rápida ou analisadores baseados em laser .

Os sensores de vento bidimensionais são de dois tipos:

  • Dois caminhos de ultrassom : esses sensores têm quatro braços. A desvantagem desse tipo de sensor é que quando o vento vem na direção de uma trajetória de ultrassom, os braços atrapalham o fluxo de ar, reduzindo a precisão da medição resultante.
  • Três caminhos de ultrassom : esses sensores têm três braços. Eles fornecem redundância de um caminho da medição, o que melhora a precisão do sensor e reduz a turbulência aerodinâmica.

Anemômetros de ressonância acústica

Anemômetro de ressonância acústica

Os anemômetros de ressonância acústica são uma variante mais recente do anemômetro sônico. A tecnologia foi inventada por Savvas Kapartis e patenteada em 1999. Enquanto os anemômetros sônicos convencionais dependem da medição do tempo de voo, os sensores de ressonância acústica usam ondas acústicas ressonantes (ultrassônicas) dentro de uma pequena cavidade construída especificamente para realizar sua medição.

Princípio de ressonância acústica

Construído na cavidade está um conjunto de transdutores ultrassônicos, que são usados ​​para criar os padrões de ondas estacionárias separados em frequências ultrassônicas. Conforme o vento passa pela cavidade, ocorre uma mudança na propriedade da onda (mudança de fase). Ao medir a quantidade de mudança de fase nos sinais recebidos por cada transdutor e, em seguida, processar matematicamente os dados, o sensor é capaz de fornecer uma medição horizontal precisa da velocidade e direção do vento.

Como a tecnologia de ressonância acústica permite a medição dentro de uma pequena cavidade, os sensores tendem a ser normalmente menores em tamanho do que outros sensores ultrassônicos. O pequeno tamanho dos anemômetros de ressonância acústica os torna fisicamente fortes e fáceis de aquecer e, portanto, resistentes à formação de gelo. Essa combinação de recursos significa que eles alcançam altos níveis de disponibilidade de dados e são adequados para o controle de turbinas eólicas e para outros usos que requerem sensores pequenos e robustos, como meteorologia de campo de batalha. Um problema com este tipo de sensor é a precisão da medição quando comparada a um sensor mecânico calibrado. Para muitos usos finais, essa fraqueza é compensada pela longevidade do sensor e pelo fato de que ele não requer recalibração depois de instalado.

Anemômetros de bola de pingue-pongue

Um anemômetro comum para uso básico é construído a partir de uma bola de pingue-pongue presa a uma corda. Quando o vento sopra horizontalmente, ele pressiona e move a bola; como as bolas de pingue-pongue são muito leves, elas se movem facilmente com ventos fracos. Medir o ângulo entre o aparelho de bola de corda e a vertical dá uma estimativa da velocidade do vento.

Este tipo de anemômetro é usado principalmente para instrução de nível médio, que a maioria dos alunos faz por conta própria, mas um dispositivo semelhante também foi usado no Phoenix Mars Lander .

Anemômetros de pressão

Tour do clube do Britannia Yacht Club , burgee e medidor de vento no telhado

Os primeiros projetos de anemômetros que medem a pressão foram divididos em classes de placas e tubos.

Anemômetros de placa

Estes são os primeiros anemômetros modernos. Eles consistem em uma placa plana suspensa no topo de modo que o vento a desvie. Em 1450, o arquiteto de arte italiano Leon Battista Alberti inventou o primeiro anemômetro mecânico; em 1664 foi reinventado por Robert Hooke (que muitas vezes é considerado erroneamente o inventor do primeiro anemômetro). Versões posteriores dessa forma consistiam em uma placa plana, quadrada ou circular, que é mantida normal ao vento por um cata-vento. A pressão do vento em sua face é equilibrada por uma mola. A compressão da mola determina a força real que o vento está exercendo sobre a placa, e esta é lida em um medidor adequado ou em um registrador. Instrumentos desse tipo não respondem a ventos fracos, são imprecisos para leituras de vento forte e são lentos para responder a ventos variáveis. Anemômetros de placa têm sido usados ​​para disparar alarmes de vento forte em pontes.

Anemômetros de tubo

Anemômetro de tubo inventado por William Henry Dines. A parte móvel (direita) é montada na parte fixa (esquerda).
Instrumentos no Observatório Mount Washington . O anemômetro estático do tubo de Pitot está à direita.
A cabeça pontiaguda é a porta pitot. Os pequenos orifícios são conectados à porta estática.

O anemômetro de James Lind de 1775 consistia em um tubo de vidro em U contendo um manômetro de líquido (medidor de pressão), com uma extremidade dobrada na direção horizontal para enfrentar o vento e a outra extremidade vertical permanece paralela ao fluxo do vento. Embora o Lind não tenha sido o primeiro, ele foi o anemômetro mais prático e mais conhecido desse tipo. Se o vento sopra na boca de um tubo, ele causa um aumento de pressão em um lado do manômetro. O vento sobre a extremidade aberta de um tubo vertical causa pouca alteração na pressão do outro lado do manômetro. A diferença de elevação resultante nas duas pernas do tubo em U é uma indicação da velocidade do vento. No entanto, uma medição precisa requer que a velocidade do vento esteja diretamente na extremidade aberta do tubo; pequenos desvios da verdadeira direção do vento causam grandes variações na leitura.

O bem-sucedido anemômetro de tubo de pressão de metal de William Henry Dines em 1892 utilizou a mesma diferença de pressão entre a boca aberta de um tubo reto voltado para o vento e um anel de pequenos orifícios em um tubo vertical fechado na extremidade superior. Ambos são montados na mesma altura. As diferenças de pressão das quais a ação depende são muito pequenas e são necessários meios especiais para registrá-las. O registrador consiste em um flutuador em uma câmara selada parcialmente cheia de água. O tubo do tubo reto é conectado ao topo da câmara selada e o tubo dos pequenos tubos é direcionado para o fundo dentro do flutuador. Uma vez que a diferença de pressão determina a posição vertical da bóia, esta é uma medida da velocidade do vento.

A grande vantagem do anemômetro de tubo reside no fato de que a parte exposta pode ser montada em um poste alto, e não requer lubrificação ou atenção por anos; e a parte de registro pode ser colocada em qualquer posição conveniente. São necessários dois tubos de conexão. Pode parecer à primeira vista que uma conexão serviria, mas as diferenças de pressão das quais esses instrumentos dependem são tão mínimas que a pressão do ar na sala onde a parte de gravação é colocada deve ser considerada. Assim, se o instrumento depender apenas da pressão ou do efeito de sucção, e esta pressão ou sucção for medida em relação à pressão do ar em uma sala comum, na qual as portas e janelas são cuidadosamente fechadas e um jornal é então queimado na chaminé, um efeito pode ser produzido igual a um vento de 10 mi / h (16 km / h); e a abertura de uma janela em mau tempo, ou a abertura de uma porta, pode alterar totalmente o registro.

Enquanto o anemômetro Dines teve um erro de apenas 1% a 10 mph (16 km / h), ele não respondeu muito bem a ventos fracos devido à má resposta da palheta de placa plana necessária para virar o cabeçote na direção do vento. Em 1918, uma palheta aerodinâmica com oito vezes o torque da placa plana superou esse problema.

Anemômetros estáticos de tubo de Pitot

Os anemômetros de tubo modernos usam o mesmo princípio do anemômetro Dines, mas com um design diferente. A implementação usa um tubo pitot estático, que é um tubo pitot com duas portas, pitot e estático, que normalmente é usado para medir a velocidade no ar de aeronaves. A porta pitot mede a pressão dinâmica da boca aberta de um tubo com a ponta voltada para o vento, e a porta estática mede a pressão estática de pequenos orifícios ao longo da lateral desse tubo. O tubo pitot é conectado a uma cauda de forma que sempre faça a cabeça do tubo ficar de frente para o vento. Além disso, o tubo é aquecido para evitar a formação de gelo no tubo. Existem duas linhas do tubo até os dispositivos para medir a diferença de pressão das duas linhas. Os dispositivos de medição podem ser manômetros , transdutores de pressão ou registradores gráficos analógicos .

Efeito da densidade nas medições

No anemômetro de tubo, a pressão dinâmica está realmente sendo medida, embora a escala geralmente seja graduada como uma escala de velocidade. Se a densidade real do ar for diferente do valor de calibração, devido à diferença de temperatura, elevação ou pressão barométrica, é necessária uma correção para obter a velocidade real do vento. Aproximadamente 1,5% (1,6% acima de 6.000 pés) deve ser adicionado à velocidade registrada por um anemômetro de tubo para cada 1000 pés (5% para cada quilômetro) acima do nível do mar.

Efeito da cobertura

Nos aeroportos, é essencial ter dados precisos sobre o vento em todas as condições, incluindo precipitação congelada. A anemometria também é necessária no monitoramento e controle da operação de turbinas eólicas, que em ambientes frios são propensos a congelamento na nuvem. O gelo altera a aerodinâmica de um anemômetro e pode bloquear totalmente sua operação. Portanto, os anemômetros usados ​​nessas aplicações devem ser aquecidos internamente. Ambos os anemômetros de copo e anemômetros sônicos estão atualmente disponíveis com versões aquecidas.

Localização do instrumento

Para que as velocidades do vento sejam comparáveis ​​de local para local, o efeito do terreno precisa ser considerado, especialmente no que diz respeito à altura. Outras considerações são a presença de árvores, tanto desfiladeiros naturais como artificiais (edifícios urbanos). A altura padrão do anemômetro em terreno rural aberto é de 10 metros.

Veja também

Notas

Referências

  • Instrumentos meteorológicos, WE Knowles Middleton e Athelstan F. Spilhaus, terceira edição revisada, University of Toronto Press, Toronto, 1953
  • Invention of the Meteorological Instruments, WE Knowles Middleton, The Johns Hopkins Press, Baltimore, 1969

links externos