En meteorología , un anemómetro (del griego antiguo άνεμος ( ánemos ) 'viento', y μέτρον ( métron ) 'medida') es un dispositivo que mide la velocidad y dirección del viento . Es un instrumento común utilizado en las estaciones meteorológicas . La descripción más antigua conocida de un anemómetro la realizó el arquitecto y autor italiano Leon Battista Alberti (1404-1472) en 1450.
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 de ellos fueron erróneamente acreditados como su inventor. En 1846, 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 tazas, que fue mejorado por Brevoort y Joiner en 1935. En 1991, Derek Weston añadió la capacidad de medir la dirección del viento. En 1994, Andreas Pflitsch desarrolló el anemómetro sónico. [1]
Un tipo simple de anemómetro fue inventado en 1845 por el Rev. Dr. John Thomas Romney Robinson del Observatorio Armagh . Constaba de cuatro copas hemisféricas sobre brazos horizontales montados 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 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 un amplio rango de velocidades. Este tipo de instrumento también se llama anemómetro rotacional .
Con un anemómetro de cuatro copas, el viento siempre tiene el hueco de una copa y sopla en la parte posterior de la copa opuesta. Dado que un hemisferio hueco tiene un coeficiente de resistencia de 0,38 en el lado esférico y 1,42 en el lado hueco, [2] se genera más fuerza en la copa que presentando 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 producida 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 en oposición 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. Al parecer, 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 anemómetro , depende de las dimensiones de las copas y de los brazos, y puede tener un valor entre dos y poco más de tres. Una vez descubierto el error, hubo que repetir todos los experimentos anteriores con anemómetros.
El anemómetro de tres copas desarrollado por el canadiense John Patterson en 1926, y las posteriores mejoras de copa realizadas por Brevoort & Joiner de los Estados Unidos en 1935, dieron lugar a un diseño de rueda de copa con una respuesta casi lineal y un error de menos del 3% hasta 60 mph. (97 kilómetros por hora). Patterson descubrió que cada copa producía un par máximo cuando estaba a 45° con respecto al flujo del viento. El anemómetro de tres copas también tenía un torque más constante y respondía más rápidamente a las ráfagas que el anemómetro de cuatro copas.
El anemómetro de tres tazas fue modificado aún más por el Dr. australiano Derek Weston en 1991 para medir también la dirección del viento. Añadió una etiqueta a una taza, lo que provocó que la velocidad de la rueda 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 promedio de la rueda de copa.
Los anemómetros de tres copas son actualmente el estándar de la industria para los estudios y prácticas de evaluación de recursos eólicos .
Una de las otras formas de anemómetro de velocidad mecánico es el anemómetro de paletas . Puede describirse como un molino de viento o un anemómetro de hélice. A diferencia del anemómetro Robinson, cuyo eje de rotación es vertical, el anemómetro de veleta debe tener su eje paralelo a la dirección del viento y por 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 paletas combina así una hélice y una cola en el mismo eje para obtener mediciones exactas y precisas de la velocidad y dirección del viento desde el mismo instrumento. [3] La velocidad del ventilador se mide mediante un cuentarrevoluciones y se convierte en velocidad del viento mediante un chip electrónico. Por lo tanto, el caudal volumétrico se puede calcular 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 los pozos de ventilación de minas y edificios, se emplean veletas conocidas como medidores de aire, que dan resultados satisfactorios. [4]
Los anemómetros de hilo caliente utilizan un hilo fino (del orden de varios micrómetros) calentado eléctricamente a una temperatura superior a la ambiental. 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 opción popular para los cables calientes), se puede obtener una relación entre la resistencia del cable 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 combinen con una veleta.
Existen varias formas de implementar esto, y los dispositivos de hilo caliente se pueden clasificar como 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 de corriente repetido que lleva el cable a una resistencia específica y luego se detiene hasta que se alcanza un umbral "piso". en cuyo momento se envía nuevamente el pulso.
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 las fluctuaciones rápidas de velocidad sean de importancia. interés.
Una versión industrial del anemómetro de alambre fino es el medidor de flujo térmico , que sigue el mismo concepto, pero utiliza dos pines o cuerdas para monitorear la variación de temperatura. Las cuerdas contienen alambres finos, pero revestirlos 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 suelen contener suciedad que daña el clásico anemómetro de hilo caliente.
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 material semilla introducido deliberadamente) que fluyen junto con las moléculas de aire cerca de donde sale el rayo reflejan, o retrodispersan, la luz de regreso a 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 tanto, 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 en función del tiempo de vuelo de los pulsos sónicos entre pares de transductores . [7]
El tiempo que tarda un pulso sónico en viajar desde 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: donde es el tiempo de vuelo, es la distancia entre transductores, es la velocidad del sonido en el aire y es la velocidad del viento. En otras palabras, cuanto más rápido sopla el viento, más rápido viaja el pulso del sonido. Para corregir la velocidad del sonido en el aire (que varía según la temperatura, la presión y la humedad), se envían pulsos de sonido en ambas direcciones y la velocidad del viento se calcula utilizando los tiempos de vuelo hacia adelante y hacia atrás: ¿ dónde está el tiempo de vuelo hacia adelante y el revés.
Como los anenómetros ultrasónicos no tienen partes móviles, necesitan poco mantenimiento y pueden usarse en entornos hostiles. Operan en una amplia gama de velocidades del viento. Pueden medir cambios rápidos en la velocidad y dirección del viento, tomando muchas mediciones cada segundo, por lo que son útiles para medir patrones de flujo de aire turbulento.
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 en túnel de viento para minimizar el 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 producir 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 de barcos, aviación, boyas meteorológicas y turbinas eólicas. El monitoreo de turbinas eólicas generalmente requiere una frecuencia de actualización de las mediciones de la velocidad del viento de 3 Hz, [8] 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 láser .
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 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 separados 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 típicamente más pequeños que otros sensores ultrasónicos. El pequeño tamaño de los anemómetros de resonancia acústica los hace físicamente fuertes y fáciles de calentar y, por tanto, resistentes a la formación de hielo. Esta combinación de características significa que alcanzan 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 en el 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.
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. Al medir el ángulo entre el aparato de cuerda y la vertical se obtiene una estimación de la velocidad del viento.
Este tipo de anemómetro se utiliza principalmente para la instrucción de nivel de escuela secundaria, que la mayoría de los estudiantes hacen por su cuenta, pero también se utilizó un dispositivo similar en el Phoenix Mars Lander . [10]
Los primeros diseños de anemómetros que miden la presión se dividieron en clases de placa y tubo.
Estos son los primeros anemómetros modernos. Consisten en una placa plana suspendida desde arriba para que el viento desvíe la placa. En 1450, el arquitecto artístico italiano Leon Battista Alberti inventó el primer anemómetro mecánico de este tipo; [11] en 1663 fue reinventado por Robert Hooke. [12] [13] Las versiones posteriores de esta forma consistían en una placa plana, cuadrada o circular, que se mantenía normal al viento mediante una veleta. La presión del viento sobre su cara se equilibra mediante un resorte. La compresión del resorte determina la fuerza real que el viento ejerce sobre la placa, y esto se lee en un medidor adecuado o en un registrador. Los instrumentos de este tipo no responden a vientos ligeros, son inexactos para lecturas de vientos fuertes y responden lentamente a vientos variables. Se han utilizado anemómetros de placas para activar alarmas de vientos fuertes 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 (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, sí fue el anemómetro de este tipo más práctico y conocido. Si el viento entra por 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 pocos cambios de presión en el 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 metálico de William Henry Dines en 1892 utilizó la misma diferencia de presión entre la boca abierta de un tubo recto mirando al viento y un anillo de pequeños agujeros 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 al fondo dentro del flotador. Dado que la diferencia de presión determina la posición vertical del flotador, ésta es una medida de la velocidad del viento. [14]
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 necesitan dos tubos de conexión. A primera vista podría parecer que una sola conexión serviría, pero las diferencias de presión de las que dependen estos instrumentos son tan pequeñas que hay que tener en cuenta la presión del aire en la habitación donde se coloca la parte de registro. Así, 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 cuidadosamente y luego se quema un periódico en la chimenea, se obtiene 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 de Dines tenía un error de sólo el 1% a 16 km/h (10 mph), no respondía muy bien a vientos bajos debido a la mala respuesta de la veleta de placa plana necesaria para girar la cabeza hacia el viento. En 1918, una paleta aerodinámica con ocho veces el par de la placa plana superó este problema.
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 utiliza para medir la velocidad del aire de las aeronaves. El puerto pitot mide la presión dinámica de la boca abierta de un tubo con la cabeza puntiaguda mirando al viento, y el puerto estático mide la presión estática desde pequeños orificios a lo largo del costado de ese tubo. El tubo pitot está conectado a una cola de modo que siempre hace que la cabeza del tubo mire hacia el viento. Además, el tubo se calienta para evitar la formación de hielo en el tubo. [15] 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 . [dieciséis]
En el anemómetro de tubo se mide realmente 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 diferencias de temperatura, elevación o presión barométrica, se requiere una corrección para obtener la velocidad del viento real. Aproximadamente 1,5% (1,6% por encima de 6000 pies) debe agregarse a la velocidad registrada por un anemómetro de tubo por cada 1000 pies (5% por cada kilómetro) sobre el nivel del mar.
En los aeropuertos, es esencial disponer de datos precisos sobre el viento 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. [17] Tanto los anemómetros de copa como los anemómetros sónicos están actualmente disponibles con versiones calentadas.
Para que la velocidad del viento sea comparable de un lugar a otro, es necesario considerar el efecto del terreno, especialmente en lo que respecta a la altura. Otras consideraciones son la presencia de árboles, y tanto de cañones naturales como de cañones artificiales (edificios urbanos). La altura estándar del anemómetro en terreno rural abierto es de 10 metros. [18]
La Royal Society fomentó el hábito de realizar observaciones meteorológicas de forma regular y sistemática, y ya en 1663 Hooke presentó a la Sociedad su artículo titulado "Un método para hacer una historia del tiempo".
