Anemômetro

Um anemómetro é um termo da XVIII th  século , composto pelo prefixo "dados de ar" (em grego "  ἀνεμος  ", "  anemos  " em francês "vento") e o sufixo "metro" ( "medida"). É, portanto, um dispositivo para medir a velocidade ou a pressão do vento .

Existem várias variantes que podem ser agrupadas em dois tipos principais: medição do movimento do ar ou variação da pressão causada por este movimento. Os anemômetros são mais frequentemente colocados em um poste chamado mastro anemométrico , cuja altura depende tanto da natureza do local de observação (por exemplo, uma bóia meteorológica em relação a uma estação meteorológica terrestre) e do objetivo das medições (para exemplo de pesquisa sobre trocas solo-atmosfera ou para a aviação).

O anemômetro também é o dispositivo usado para medir a velocidade relativa do vento em um avião (de diferentes tipos, incluindo badin e tubo de Pitot ).

História

O primeiro anemômetro foi inventado por Leon Battista Alberti na XV th  século . Ele usou um anemômetro de placa onde a força do vento era estimada usando o ângulo com a vertical que uma placa móvel, girando em torno de um eixo horizontal, adotava em equilíbrio entre a força do vento e a da gravidade.

Ao longo dos séculos seguintes, muitos inventores , como Robert Hooke em 1664, desenvolveram variantes deste primeiro anemômetro. Em 1846, Thomas Romney Robinson , um astrônomo e físico britânico , aprimorou o conceito usando quatro pequenas tigelas presas a um eixo vertical girado pelo vento, o primeiro anemômetro de taça . Em 1926, John Patterson reduziu o número de xícaras para três. Este dispositivo será aprimorado por Brevoort e Joiner em 1935 e ainda é o anemômetro mais comum hoje.

Outros inventores usaram mais recentemente parâmetros diferentes para medir a velocidade do vento. Por exemplo, a variação da pressão em um tubo quando há vento ( anemômetro de tubo ) ou a variação da frequência por efeito Doppler entre um feixe emitido na direção do vento e seu retorno ( anemômetro de laser ). Em 1994, o Dr. Andrews Pflitsch chegou a desenvolver um anemômetro que mede o tempo que um som emitido leva para ser recebido por um receptor, a velocidade do som dependendo da pressão no ar em movimento.

usar

O anemômetro é um instrumento essencial em meteorologia porque o vento é um dos parâmetros que determinam a evolução do tempo e da previsão meteorológica . Também é usado em muitos campos relacionados, como transporte aéreo, navegação, obtenção de dados para estimar os efeitos do vento em edifícios ou transporte de precipitação radioativa , poeira industrial, etc.

Ao realizar medições em estações meteorológicas, o anemômetro será colocado em um mastro de 10 metros de acordo com os critérios da Organização Meteorológica Mundial . O princípio pode, no entanto, ser dobrado para usos específicos; na verdade, existem anemômetros de mão que podem ser mantidos com o braço estendido, sem suporte, para obter o valor da velocidade do vento. O anemômetro pode ser associado a um cata-vento , que fornece a velocidade e a direção do vento (por exemplo, anemômetro de hélice ), cujo eixo horizontal atua como um cata-vento).

O anemômetro bidirecional é usado em levantamentos de turbulência para medir não apenas o vento horizontal, mas também a velocidade do ar vertical. O anemômetro de registro, também chamado de anemógrafo , registra a velocidade do vento continuamente traçando anemogramas , incluindo rajadas . Por fim, o anemômetro totalizador é um anemômetro de copo ou hélice, cujo número de voltas é memorizado por um contador e, portanto, indica a distância percorrida pela corrente de ar que atravessa o local onde o instrumento está localizado.

Tipos de anemômetros

Os anemômetros podem ser divididos em duas classes:

  1. aqueles que medem velocidade;
  2. aqueles que medem a pressão do vento.

Como existe uma relação estreita entre velocidade e pressão, um dispositivo projetado para uma das duas primeiras medições também fornecerá informações sobre a outra quantidade.

Anemômetros de velocidade

Anemômetro de taça (disse Robinson)

O anemômetro de taça foi inventado por John Romney Robinson em 1846. Consiste em três meias conchas do tamanho de uma bola de tênis (cerca de 6,5  cm de diâmetro) dispostas em braços horizontais dispostos a 120  graus e montados em um eixo vertical equipado com um dispositivo de contagem de voltas ; a velocidade de rotação do anemômetro é proporcional à velocidade do vento.

Quando o vento sopra, ele encontra alternadamente uma xícara oca e depois arredondada. De acordo com as leis da aerodinâmica, uma cavidade opõe mais resistência do que uma forma convexa à passagem do ar. Essa diferença faz com que o anemômetro gire. A velocidade do vento é então muito aproximadamente igual à velocidade de deslocamento do centro das xícaras, ela própria proporcional ao número de rotações por segundo do anemômetro:

com:

 : velocidade do vento [m / s]  : raio médio dos braços (do eixo de rotação ao centro das copas) [m]  : número de revoluções por segundo [1 / s]  : função de calibração

A função de calibração reflete as propriedades aerodinâmicas do anemômetro e os atritos que alteram o movimento rotacional do anemômetro. Depende das dimensões e materiais do anemômetro e sua velocidade de rotação. Apenas testes de túnel de vento em diferentes condições de vento podem ser usados ​​para determiná-lo com precisão.

Para o anemômetro padrão (diâmetro das taças de 6 centímetros), uma velocidade de rotação de uma revolução por segundo corresponde a um vento soprando a uma velocidade de 1  m / s , ou 3,6  km / h . Este tipo de anemômetro é capaz de medir velocidades do vento entre 0 e quase 200  km / h . Velocidades mais altas causariam tensões que as xícaras não poderiam suportar. Mas ventos de tal violência só são encontrados em tornados ou ciclones tropicais .

Os dois grandes méritos deste anemômetro são sua simplicidade e praticamente a ausência de limitação na faixa de velocidades mensuráveis; mas se for usado sem equipamento de registro eletrônico de dados, uma rajada curta, mas violenta, não é gravada. Infelizmente, quando Robinson apresentou seu anemômetro, ele afirmou que o tamanho das copas e o comprimento dos braços não influenciaram no resultado da medição. Esta afirmação foi aparentemente confirmada por alguns experimentos independentes. Posteriormente, foi descoberto que a relação entre a velocidade do vento e o tamanho do copo (o fator) não é constante e depende muito do tamanho do copo e do comprimento do braço. Daqui resulta que os valores citados nas publicações oficiais do XIX th  século têm erros de até 60%.

Vane anemometer

Assemelhando-se a pequenos aviões, eles são acoplados a um cata - vento e se orientam na direção do vento. A hélice, que mede a velocidade do vento, gira em torno de um eixo horizontal.

Entre os tipos menos comuns de anemômetros estão os anemômetros que consistem em duas hélices girando em torno de dois eixos fixos, horizontal e perpendicular. A força e a direção do vento são calculadas correlacionando as velocidades de rotação das duas hélices. Este também é o caso das turbinas eólicas .

Anemômetro cata-vento (ou Byram)

O anemômetro cata-vento é um instrumento que mede a velocidade do vento pela rotação de um cata-vento com eixo horizontal ou vertical.

O princípio é semelhante ao anemômetro com hélices onde estas são substituídas por pás . A diferença essencial entre esses dois tipos é que o medidor de corrente é um sensor plano (mede a componente do vetor do vento em um plano perpendicular ao seu eixo de rotação), enquanto a hélice é um sensor cartesiano que mede a projeção do vetor do vento em seu eixo de rotação.

Na maioria das vezes, anemômetros manuais que um observador pode usar em qualquer lugar são desse tipo.

Anemômetro de fio quente

Um fio de metal é aquecido ao passar uma corrente elétrica por ele. A resistência elétrica aumenta com a temperatura. O fio é resfriado pelo vento. Quanto mais forte o vento sopra, mais frio fica o fio e mais diminui a resistência elétrica. O elemento resistivo sendo colocado em uma ponte de Wheatstone , a variação da resistência devido à convecção atmosférica desequilibra a ponte. Um voltímetro colocado no meio desta permite a leitura do desequilíbrio de tensão da ponte e, conseqüentemente, se o anemômetro estiver calibrado , a velocidade do ar. Neste modo de operação, a intensidade da corrente de aquecimento do fio é constante.

Outro uso do fio quente é manter a temperatura do fio constante. A temperatura do fio é medida conforme explicado anteriormente, e um sistema de controle permite adaptar a intensidade enviada ao fio para mantê-la constante. Podemos então voltar à velocidade do fluido, começando com a energia enviada para o fio.

Deve-se notar que a operação de um fio quente é baseada na troca de calor. No entanto, o número de Nusselt só depende do número de Reynolds quando se está em fluxo incompressível, o que torna simples o uso de medições com fio quente. No entanto, quando alguém se coloca em fluxo compressível, o número de Nusselt depende de outras grandezas (normalmente o número de Mach), exigindo, assim, saber uma medição local da densidade do fluido para poder ir até a velocidade usando com um fio.

Anemômetro ultrassônico

Existem também anemômetros ultrassônicos que foram desenvolvidos a partir da década de 1950. A medição do vento é baseada na medição do tempo de viagem de uma onda ultrassônica. Dois pares de transdutores ultrassônicos são alternadamente transmissores e receptores de um trem de ondas ultrassônicas. Os tempos de trânsito de ida e volta são medidos e deduzimos deles, pela diferença entre as velocidades de ida e de retorno, a velocidade do vento ao longo do eixo formado pelos dois transdutores. A medição da temperatura ambiente é usada para determinar a velocidade do som que permite refinar o resultado. O poder de resolução desses dispositivos depende da distância entre os transdutores, normalmente entre 10 e 20  cm , e da frequência de repetição dos pulsos de som usados ​​(geralmente mais de 20  Hz ).

A vantagem desse tipo de anemômetro é que ele não possui partes móveis e pode medir ventos turbulentos. Eles podem, portanto, ser usados ​​em condições extremas durante longos períodos sem manutenção, em uma boia meteorológica ou em um local remoto, por exemplo, enquanto um anemômetro convencional seria afetado rapidamente por spray ou poeira. Como a velocidade do som varia com a temperatura, mas pouco com a variação da pressão, os anemômetros ultrassônicos também podem ser usados ​​como termômetros . A principal desvantagem do dispositivo é a distorção do fluxo de ar pelos suportes do transdutor. Uma correção deste efeito deve ser obtida no túnel de vento antes do uso.

Existem diferentes arranjos dos sensores para tal anemômetro bidimensional:

  • bidirecional: quatro sensores são montados em um mastro e ficam frente a frente dois a dois. Cada par é ortogonal ao outro, o que permite obter as componentes leste-oeste e norte-sul do vento. Este é o tipo mais comum;
  • com três caminhos: três sensores são montados no mastro e interrogam-se mutuamente para obter os dois componentes ortogonais. Esta montagem minimiza a distorção do fluxo de ar.
Anemômetro bidirecional

O anemômetro bidirecional é um dispositivo utilizado no estudo da turbulência para coletar dados simultaneamente sobre as componentes horizontal e vertical do vento. É uma variante do anterior com transceptores na vertical e na horizontal.

Anemômetro de ressonância acústica

Um anemômetro de ressonância acústica é uma variação recente do anemômetro ultrassônico. Desenvolvido por Savvas Kapartis e patenteado em 2000 pela FT Technologies , ele usa uma onda emitida continuamente em uma cavidade aberta em vez de uma onda pulsada para medir a velocidade do vento. A emissão dos transdutores produz uma onda estacionária ultrassônica na cavidade, cuja fase varia com a velocidade do ar que passa pela cavidade. Medindo o deslocamento de fase percebido pelos receptores de cada transdutor, é possível extrair a medição do vento horizontal e sua direção.

As propriedades da ressonância acústica no ar permitem que essa medição seja feita com uma cavidade geralmente menor que as dimensões dos anemômetros acústicos tradicionais. Isso tem a vantagem de miniaturizar o detector, tornando-o mais robusto e incorporando uma unidade de aquecimento para derreter a neve ou gelo que ali se acumularia. Portanto, é ideal para obter dados sobre turbinas eólicas ou outros locais altamente expostos. No entanto, ele tem uma resolução menor que um anemômetro mecânico.

Anemômetro laser

Um anemômetro a laser usa velocimetria a laser para medir o movimento do ar e, portanto, do vento. O feixe emitido por um laser é dividido em dois. O primeiro feixe é direcionado para a atmosfera circundante, onde é retroespalhado pelos aerossóis do ambiente. Como são leves, eles se movem mais ou menos exatamente na velocidade do vento e o feixe retornado sofre uma mudança de frequência . O receptor captura a luz retornada e compara sua frequência com o segundo feixe para calcular o deslocamento e, portanto, a velocidade.

Como a velocidade assim medida apenas dá a componente radial da velocidade, ou seja, a velocidade de afastamento ou de aproximação em relação ao anemômetro, este deve ser orientado por um cata-vento para ficar no eixo do vento. Por outro lado, é possível colocar dois anemômetros Doppler a 90 graus um do outro o que permite obter as duas componentes ortogonais do vento, qualquer que seja a orientação do anemômetro, e assim permitir calcular o vento verdadeiro.

Anemômetros de pressão

Anemômetro de placa

O mais simples desses anemômetros consiste em uma placa quadrada ou circular mantida contra o vento por um cata-vento . Medimos a força exercida pelo vento na placa. Instrumentos deste tipo são muito precisos para ventos fracos ou durante variações lentas dos mesmos.

Santorio Santorio , professor de medicina da Universidade de Pádua, na Itália, foi o primeiro a descrever este tipo de anemômetro em 1625. Ele se interessou por medir o vento porque estava realizando um estudo sobre os efeitos sobre o vento. ventos.

Na aeronáutica , o anemômetro de verão mede a velocidade pelo recuo elástico de uma pequena raquete colocada em uma asa (imagem ao lado). Este anemômetro de verão teve algum sucesso (antes da generalização dos tubos de Pitot ou Pitot-venturi).

Anemômetro de bola

Projetado no início do XX °  século, o anemômetro Daloz é baseado na velocidade máxima atingida por uma bola esférica em queda livre. O sistema é colocado sobre um cata-vento permitindo orientar na direção do vento o plano de rotação do pêndulo onde a bola está fixada. A bola é fixada na extremidade superior do dispositivo por uma haste e o operador a deixa descer ao longo do eixo graduado voltado para o vento. Este último se opõe à gravidade exercida sobre a bola e quando as duas forças se equilibram, a bola para de cair. Então, é suficiente observar a posição da bola no eixo.

Anemômetro de tubo

O anemômetro ou anemômetro de tubo Dines é simplesmente um tubo em U contendo um líquido com uma extremidade dobrada horizontalmente para enfrentar o vento. O vento que sopra pela abertura do tubo causa pressão que pode ser transmitida a qualquer manômetro . O tubo pode ser guiado por um cata-vento. Esta é uma versão mais antiga dos tubos de Pitot, amplamente usados ​​na década de 1930 para observações meteorológicas

Um anemobiagraph é uma variante com um registrador usando um manômetro flutuante em que a escala de vento é feita linear por meio de molas.

Praticamente, o sistema pode ser sensível a qualquer vento que gire o cata-vento. Sua vantagem é que pode ser instalado em locais de difícil acesso, como no topo de um mastro com o dispositivo de gravação ao seu pé. Ele pode ser instalado sem precisar de manutenção por anos.

Anemômetro de placa deslizante (conhecido como ventímetro)

É um anemômetro portátil muito simples com relativa precisão, mas suficiente para uso por marinheiros e velejadores a bordo de pequenos barcos sem instalações complexas: Um disco de plástico leve desliza em uma haste vertical de aço inoxidável. A haste e o disco são encerrados em um tubo transparente de formato frustocônico (diâmetro maior voltado para o topo) de material plástico, cuja parte inferior forma uma alça.

Uma abertura na base comunica o interior do tubo com o exterior para captar o vento e um respiradouro na parte superior evacua o ar que entra pela parte inferior. Devido ao formato frustocônico do tubo, é necessário um vento cada vez mais forte para fazer o disco subir ao longo da haste. A entrada de ar deve estar voltada para a direção do vento (a abertura de exaustão, no lado oposto, é a favor do vento ) e a leitura do dispositivo (mantida no comprimento do braço em um espaço o mais livre possível da interferência das velas ou superestruturas) é feito diretamente por uma escala gravada no cone truncado transparente.

Este dispositivo, patenteado e produzido pela empresa sueca Elvometer teve grande popularidade nos anos 1950 a 1980 (antes do surgimento dos dispositivos eletrônicos miniaturizados e estanques). Seu construtor alegou uma incerteza de 1 nó sobre a faixa de uso prático do dispositivo de 1 a 55 nós cobrindo quase toda a escala Beaufort (que é empírica e não assume a medição da velocidade do vento por um instrumento dedicado).

A extrema robustez deste dispositivo para uma precisão aceitável foi a principal causa de seu sucesso. Várias indicações no tubo de embalagem do dispositivo e na alça permitiram fazer as correções necessárias em relação à altitude (o ventímetro, usado em pequenas embarcações de pesca ou de recreio, fica apenas alguns metros acima do nível do mar. 'Água - às vezes agitado - enquanto os anemômetros de estações meteorológicas citados em relatórios meteorológicos marinhos estão sujeitos a um vento mais rápido prevalecendo em sua altitude de instalação padrão de 33 pés (ou cerca de 10 metros) acima de um plano de superfície.

Anemômetro de tubo de pitot

O tubo de Pitot deve seu nome ao físico francês Henri Pitot (1695-1771) que foi o primeiro em 1732 a propor uma "máquina para medir a velocidade da água corrente e o rastro de embarcações" . O conceito é retomado e aprimorado por Henry Darcy e depois por Ludwig Prandtl, que pensa em usar o tubo em um cano para medir as velocidades locais do fluxo do fluido. Na aeronáutica é, do ponto de vista tecnológico, o sucessor do sistema Etévé.

O tubo de Pitot é um elemento constituinte do sistema anemobarométrico, constituído por dois tubos cotovelos coaxiais cujos orifícios, em comunicação com o fluido cuja velocidade deve ser medida, estão dispostos de maneira particular.

  • Um é colocado ortogonalmente ao deslocamento. É um fluido cuja velocidade relativa é a velocidade d a ser medida e cuja pressão estática é a pressão ambiente.
  • O outro é colocado na direção do fluxo. Possui velocidade relativa zero e pressão total , soma da pressão dinâmica e da pressão estática.

A diferença entre essas pressões dá a velocidade do ar a partir da qual a velocidade de solo pode ser deduzida, sendo esses dois parâmetros informações essenciais para o piloto que precisa deles para calcular seu deslocamento no espaço (navegação) e o consumo de seu veículo. Isso segue do teorema de Bernoulli, negligenciando o termo z para ter uma relação direta entre a velocidade e a pressão dinâmica que é medida com um sensor de pressão ou um manômetro simples.

, de onde

no qual :

 : velocidade de movimento (ou vento) [ m / s ]  : Pressão ambiente (estática) medida ortogonalmente [ Pa ]  : Pressão total (dinâmica + estática) medida tangencialmente [ Pa ]  : Densidade do fluido [ kg / m 3 ]

Outros dispositivos para medir o vento

Notas e referências

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Apêndices

Artigos relacionados

links externos