Anemómetro

En 1845, el reverendo Dr. John Thomas Romney Robinson, del Observatorio de Armagh , inventó un anemómetro sencillo . Consistía en cuatro copas hemisféricas montadas en brazos horizontales sobre 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 del viento. Por lo tanto, al contar las revoluciones del eje durante un intervalo de tiempo determinado, se obtenía un valor proporcional a la velocidad media del viento para un amplio rango de velocidades. Este tipo de instrumento también se conoce como anemómetro rotacional .

Otro tipo de anemómetro mecánico es el anemómetro de veleta . Se le puede describir como un anemómetro de molino de viento o de hélice. A diferencia del anemómetro de Robinson, cuyo eje de rotación es vertical, el anemómetro de veleta debe tener su eje paralelo a la dirección del viento y, por lo tanto, es horizontal. Además, dado que la dirección del viento varía y el eje debe seguir estos cambios, se debe emplear una veleta u otro dispositivo que cumpla la misma función.

Un anemómetro de paletas combina una hélice y una cola en el mismo eje para obtener mediciones precisas de la velocidad y dirección del viento con un mismo instrumento. ^{[ 3 ]} La velocidad del ventilador se mide mediante un contador de revoluciones y se convierte en velocidad del viento mediante un chip electrónico. Por lo tanto, se puede calcular el caudal volumétrico si se conoce el área de la sección transversal.

En los casos en 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, que dan resultados satisfactorios. ^{[ 4 ]}

• anemómetros de paletas
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  Anemómetro de tipo paleta
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  Anemómetro de hélice helicoidal con veleta para orientación.
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  Anemómetro de paletas de baja velocidad portátil
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  Anemómetro digital portátil o anemómetro Byram.

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 fluye alrededor del hilo lo enfría. Dado que la resistencia eléctrica de la mayoría de los metales depende de su temperatura (el tungsteno es una opción común para los hilos calientes), se puede obtener una relación entre la resistencia del hilo y la velocidad del aire. ^{[ 5 ]} En la mayoría de los casos, no se pueden utilizar para medir la dirección del flujo de aire, a menos que se acoplen a una veleta.

Existen diversas formas de implementar esto, y los dispositivos de hilo caliente se pueden clasificar además como CCA ( anemómetro de corriente constante ), CVA (anemómetro de voltaje constante ) y CTA (anemómetro de temperatura constante). El voltaje de salida 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 por ancho de pulso ), en los que la velocidad se deduce a partir de la duración de un pulso de corriente repetitivo que eleva el cable hasta una resistencia específica y luego se detiene hasta que se alcanza un umbral mínimo, momento en el que se vuelve a enviar el pulso.

Los anemómetros de hilo caliente, si bien son extremadamente delicados, poseen una respuesta en 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 interesen las fluctuaciones rápidas de velocidad.

Una versión industrial del anemómetro de hilo fino es el caudalímetro térmico , que sigue el mismo concepto, pero utiliza dos agujas o hilos para monitorizar la variación de temperatura. Los hilos contienen alambres finos, pero al recubrirlos, se vuelven mucho más duraderos y capaces de medir con precisión el flujo de aire, gas y emisiones en tuberías, conductos y chimeneas. Las aplicaciones industriales suelen contener suciedad que puede dañar el anemómetro de hilo caliente clásico.

En la velocimetría láser Doppler , los anemómetros láser Doppler utilizan un haz de luz láser dividido en dos, uno de los cuales se propaga fuera del anemómetro. Las partículas (o material de siembra introducido deliberadamente) que fluyen junto con las moléculas de aire cerca de la salida del haz reflejan, o retrodispersan, la luz hacia un detector, donde se mide en relación con el haz láser original. Cuando las partículas están en movimiento intenso, producen un desplazamiento Doppler que permite medir la velocidad del viento en la luz láser, la cual se utiliza para calcular la velocidad de las partículas y, por lo tanto, la del aire alrededor del anemómetro. ^{[ 6 ]}

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 basándose en el tiempo de vuelo de los pulsos sónicos entre pares de transductores . ^{[ 7 ]}

El tiempo que tarda un pulso sónico en viajar de un transductor a su par es inversamente proporcional a la velocidad del sonido en el aire más la velocidad del viento en la misma dirección:${\displaystyle t={\frac {L}{(c+v)}}}$dónde${\displaystyle t}$es el tiempo de vuelo,${\displaystyle L}$es la distancia entre transductores,${\displaystyle c}$es la velocidad del sonido en el aire y${\displaystyle v}$es la velocidad del viento. En otras palabras, cuanto más rápido sopla el viento, más rápido viaja el pulso sonoro. Para corregir la velocidad del sonido en el aire (que varía según la temperatura, la presión y la humedad), se envían pulsos sonoros en ambas direcciones y se calcula la velocidad del viento utilizando los tiempos de vuelo de ida y vuelta:${\displaystyle v={\frac {1}{2}}L({\frac {1}{t_{1}}}-{\frac {1}{t_{2}}})}$dónde${\displaystyle t_{1}}$es el tiempo de vuelo hacia adelante y${\displaystyle t_{2}}$lo contrario.

Dado que los anenómetros ultrasónicos no tienen partes móviles, requieren poco mantenimiento y pueden utilizarse en entornos adversos. Funcionan en un amplio rango de velocidades del viento. Pueden medir cambios rápidos en la velocidad y dirección del viento, tomando numerosas mediciones por segundo, por lo que resultan útiles para medir patrones de flujo de aire turbulento.

Su principal desventaja radica en la distorsión del flujo de aire causada por la estructura que soporta los transductores, lo que requiere una corrección basada en mediciones en túnel de viento para minimizar este efecto. Las gotas de lluvia o el hielo sobre los transductores también pueden provocar imprecisiones.

Dado que la velocidad del sonido varía con la temperatura y es prácticamente estable con los cambios de presión, los anemómetros ultrasónicos también se utilizan como termómetros .

Las mediciones de pares de transductores se pueden combinar para obtener una medición de velocidad en flujo unidimensional, bidimensional o tridimensional. Los anemómetros sónicos bidimensionales (velocidad y dirección del viento) se utilizan en aplicaciones como estaciones meteorológicas , navegación marítima, aviación, boyas meteorológicas y aerogeneradores. El monitoreo de aerogeneradores generalmente requiere una frecuencia de actualización de las mediciones de velocidad del viento de 3  Hz, ^{[ 8 ]} fácilmente alcanzable con anemómetros sónicos. Los anemómetros sónicos tridimensionales se utilizan ampliamente para medir emisiones de gases y flujos de ecosistemas mediante el método de covarianza de remolinos cuando se utilizan con analizadores de gases infrarrojos de respuesta rápida o analizadores basados ​​en láser .

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. ^{[ 9 ]} Mientras que los anemómetros sónicos convencionales se basan en la medición del tiempo de vuelo, los sensores de resonancia acústica utilizan ondas acústicas (ultrasónicas) resonantes dentro de una pequeña cavidad especialmente diseñada para realizar la medición.

La cavidad incorpora una matriz de transductores ultrasónicos que generan patrones de ondas estacionarias independientes a frecuencias ultrasónicas. Al pasar el viento por la cavidad, se produce un cambio en las propiedades de la onda (desfase). Mediante la medición del desfase en las señales recibidas por cada transductor y el posterior procesamiento matemático de los datos, el sensor proporciona una medición horizontal precisa de la velocidad y dirección del viento.

Debido a que la tecnología de resonancia acústica permite realizar mediciones dentro de una cavidad pequeña, los sensores suelen ser más pequeños que otros sensores ultrasónicos. Su reducido tamaño los hace físicamente robustos y fáciles de calentar, lo que los hace resistentes a la formación de hielo. Esta combinación de características permite una alta disponibilidad de datos y los hace idóneos para el control de turbinas eólicas y otras aplicaciones que requieren sensores pequeños y robustos, como la meteorología en el campo de batalla. Un inconveniente de este tipo de sensor es la precisión de la medición en comparación con un sensor mecánico calibrado. Para muchas aplicaciones, esta limitación se compensa con la larga vida útil del sensor y el hecho de que no requiere recalibración una vez instalado.

Estos son los primeros anemómetros modernos. Consisten en una placa plana suspendida de la parte superior, de modo que el viento la desvía. En 1450, el arquitecto italiano Leon Battista Alberti inventó el primer anemómetro mecánico de este tipo; ^{[ 10 ]} en 1663 fue reinventado por Robert Hooke. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Las versiones posteriores de este instrumento consistían en una placa plana, cuadrada o circular, que se mantenía perpendicular al viento mediante una veleta. La presión del viento sobre su superficie se equilibraba con un resorte. La compresión del resorte determinaba la fuerza real que el viento ejercía sobre la placa, y esta se leía en un manómetro adecuado o en un registrador. Los instrumentos de este tipo no responden a vientos suaves, son imprecisos para lecturas de vientos fuertes y tardan en responder a vientos variables. Los anemómetros de placa se han utilizado para activar alarmas de viento fuerte en puentes.

El anemómetro de James Lind de 1775 consistía en un tubo de vidrio en forma de U montado verticalmente que contenía un manómetro de líquido (indicador de presión), con un extremo doblado horizontalmente para orientarse hacia el flujo del viento y el otro extremo vertical tapado. Si bien el anemómetro de Lind no fue el primero, sí fue el más práctico y conocido de este tipo. Cuando el viento sopla hacia la boca del tubo, provoca un aumento de presión en un lado del manómetro. El viento que incide sobre el extremo abierto del tubo vertical produce poca variación de presión en el otro lado del manómetro. La diferencia de elevación resultante entre las dos ramas del tubo en U indica la velocidad del viento. Sin embargo, para una medición precisa, es necesario que el viento incida directamente en el extremo abierto del tubo; pequeñas desviaciones de la dirección real del viento provocan grandes variaciones en la lectura.

El exitoso anemómetro de tubo de presión metálico de William Henry Dines en 1892 utilizaba la misma diferencia de presión entre la boca abierta de un tubo recto orientado hacia el viento y un anillo de pequeños orificios en un tubo vertical cerrado en su extremo superior. Ambos se montaban a la misma altura. Las diferencias de presión de las que depende su funcionamiento son muy pequeñas, y se requieren medios especiales para registrarlas. El registrador consta de un flotador en una cámara sellada parcialmente llena de agua. El tubo del tubo recto se conecta a la parte superior de la cámara sellada y el tubo 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. ^{[ 13 ]}

La gran ventaja del anemómetro de tubo reside en que la parte expuesta puede montarse en un poste alto y no requiere lubricación ni mantenimiento durante años; además, la parte de registro puede colocarse en cualquier posición conveniente. Se requieren dos tubos de conexión. A primera vista, podría parecer que una sola conexión sería suficiente, pero las diferencias de presión de las que dependen estos instrumentos son tan mínimas que es necesario considerar la presión del aire en la habitación donde se ubica la parte de registro. Así, si el instrumento depende únicamente del efecto de presión o succión, y esta presión o succión se mide con respecto a la presión del aire en una habitación común con puertas y ventanas cerradas y donde se quema un periódico en la chimenea, se puede producir un efecto equivalente a un viento de 16  km/h (10  mi/h); y la apertura de una ventana o una puerta en condiciones climáticas adversas puede alterar completamente el registro.

Si bien el anemómetro de Dines tenía un margen de error de tan solo el 1 % a 16 km/h (10 mph ) , no respondía bien a vientos flojos debido a la escasa respuesta de la veleta de placa plana necesaria para orientar el cabezal contra el viento. En 1918, una veleta aerodinámica con un par motor ocho veces mayor que el de la placa plana solucionó este problema.  

Un anemómetro común para uso básico se construye con una pelota de ping-pong atada a una cuerda. Cuando el viento sopla horizontalmente, ejerce presión sobre la pelota y la mueve; como las pelotas de ping-pong son muy ligeras, se mueven fácilmente con vientos suaves. Midiendo el ángulo entre el conjunto de cuerda y pelota y la vertical se obtiene una estimación de la velocidad del viento.

Este tipo de anemómetro se utiliza principalmente para la enseñanza en la escuela secundaria, y la mayoría de los estudiantes lo fabrican por su cuenta, pero un dispositivo similar también voló en el módulo de aterrizaje Phoenix Mars . ^{[ 16 ]}

En el anemómetro de tubo se mide la presión dinámica, aunque la escala suele estar graduada como una escala de velocidad. Si la densidad del aire real difiere del valor de calibración debido a variaciones de temperatura, altitud o presión barométrica, se requiere una corrección para obtener la velocidad real del viento. Aproximadamente, se debe añadir un 1,5 % (1,6 % por encima de los 1830 metros) a la velocidad registrada por el anemómetro de tubo por cada 305  metros (5 % por cada kilómetro) sobre el nivel del mar.