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 primera descripción conocida de un anemómetro fue realizada por 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, algunas de las cuales fueron erróneamente acreditadas 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 copas, que fue mejorado por Brevoort y Joiner en 1935. En 1991, Derek Weston agregó la capacidad de medir la dirección del viento. En 1994, Andreas Pflitsch desarrolló el anemómetro sónico. [1]
En 1845, el reverendo Dr. John Thomas Romney Robinson, del Observatorio de Armagh , inventó un tipo sencillo de anemómetro . Consistía en 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, 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 denomina anemómetro rotacional .
En un anemómetro de cuatro copas, el viento siempre tiene el hueco de una de ellas frente a él y sopla en la parte posterior de la copa opuesta. Como un hemisferio hueco tiene un coeficiente de arrastre de 0,38 en el lado esférico y de 1,42 en el lado hueco, [2] se genera más fuerza en la copa que si se 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.
En teoría, 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 fluye a su alrededor. 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 las copas o la longitud de los brazos. Esto aparentemente fue confirmado por algunos experimentos independientes tempranos, 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 un poco más de tres. Una vez que se descubrió el error, todos los experimentos anteriores que involucraban anemómetros tuvieron que repetirse.
El anemómetro de tres cazoletas desarrollado por el canadiense John Patterson en 1926, y las posteriores mejoras de las cazoletas realizadas por Brevoort & Joiner de los Estados Unidos en 1935, dieron lugar a un diseño de rueda de cazoletas con una respuesta casi lineal y un error de menos del 3 % hasta 60 mph (97 km/h). Patterson descubrió que cada cazoleta producía un par máximo cuando se encontraba a 45° respecto del flujo del viento. El anemómetro de tres cazoletas también tenía un par más constante y respondía más rápidamente a las ráfagas que el anemómetro de cuatro cazoletas.
El anemómetro de tres cazoletas fue modificado por el australiano Dr. Derek Weston en 1991 para medir también la dirección del viento. Añadió una etiqueta a una de las cazoletas, lo que hizo que la velocidad de la rueda de cazoletas aumentara y disminuyera a medida que la etiqueta se movía alternativamente a favor y en contra del 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 cazoletas.
Los anemómetros de tres copas son actualmente el estándar industrial para estudios y prácticas de evaluación de recursos eólicos .
Otra forma de anemómetro mecánico de velocidad es el anemómetro de veleta . 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 veleta debe tener su eje paralelo a la dirección del viento y, por lo tanto, es horizontal. Además, como el viento varía de 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 una hélice y una cola en el mismo eje para obtener mediciones precisas y exactas de la velocidad y dirección del viento con el mismo instrumento. [3] La velocidad del ventilador se mide con un cuentarrevoluciones 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 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 alambre fino (del orden de varios micrómetros) calentado eléctricamente a una temperatura superior a la ambiente. El aire que fluye a través del alambre 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 alambres calientes), se puede obtener una relación entre la resistencia del alambre 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 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 por 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 especificada y luego se detiene hasta que se alcanza un umbral "piso", momento en el que se envía nuevamente el pulso.
Los anemómetros de hilo caliente, aunque 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 interés.
Una versión industrial del anemómetro de hilo fino es el medidor de flujo térmico , que sigue el mismo concepto, pero utiliza dos clavijas o hilos para controlar la variación de temperatura. Los hilos contienen hilos finos, pero al envolverlos, estos son 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.
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 de semilla introducido deliberadamente) que fluyen junto con las moléculas de aire cerca de donde sale el haz reflejan, o retrodispersan, la luz de regreso a un detector, donde se mide en relación con el haz 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. [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 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 de 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: donde es el tiempo de vuelo hacia adelante y hacia atrás.
Debido a que los anenómetros ultrasónicos no tienen partes móviles, necesitan poco mantenimiento y pueden utilizarse en entornos hostiles. Funcionan en un amplio rango de velocidades del viento. Pueden medir cambios rápidos en la velocidad y dirección del viento, tomando muchas mediciones por 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 velocidad del viento de 3 Hz, [8] que se logra fácilmente con anemómetros sónicos. Los anemómetros sónicos tridimensionales se utilizan ampliamente para medir emisiones de gases y flujos de ecosistemas utilizando el método de covarianza de remolinos cuando se usan con analizadores de gas infrarrojos de respuesta rápida o analizadores basados en 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.
En la cavidad se encuentra integrado un conjunto 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 las propiedades de la onda (desplazamiento de fase). Al medir la cantidad de desplazamiento de fase en las señales recibidas por cada transductor y luego procesar matemáticamente los datos, el sensor puede proporcionar una medición horizontal precisa de la velocidad y la 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. 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 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.
Los primeros diseños de anemómetros que miden la presión se dividieron en clases de placas y tubos.
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 artístico 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 esta forma consistían en una placa plana, cuadrada o circular, que se mantiene perpendicular 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 esta se lee en un medidor adecuado o en un registrador. Los instrumentos de este tipo no responden a vientos suaves, son inexactos para lecturas de viento fuerte y son lentos para 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 (manómetro), con un extremo doblado hacia afuera 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 causa poco cambio en la presión en el otro lado del manómetro. La diferencia de elevación resultante en las dos patas del tubo en forma de 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 dirección real del viento causan 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 orientado hacia el 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 consiste en un flotador en una cámara sellada parcialmente llena de agua. El tubo del tubo recto está conectado 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, esto es una medida de la velocidad del viento. [13]
La gran ventaja del anemómetro de tubo reside 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, puede parecer que una conexión sería suficiente, pero las diferencias de presión de las que dependen estos instrumentos son tan pequeñas que debe tenerse en cuenta la presión del aire en la habitación donde se coloca la parte de registro. Por lo tanto, si el instrumento depende solo del efecto de la presión o succión, y esta presión o succión se mide en comparación con la presión del aire en una habitación común en la que las puertas y ventanas están cuidadosamente cerradas y luego se quema un periódico en la chimenea, se puede producir un efecto 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, puede alterar por completo el registro.
Si bien el anemómetro Dines tenía un error de solo 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 el cabezal hacia el viento. En 1918, una veleta aerodinámica con un par ocho veces superior al 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 de Pitot-estático , que es un tubo de Pitot con dos puertos, Pitot y estático, que normalmente se utiliza 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 pequeños orificios a lo largo del costado de ese tubo. El tubo de 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 escarcha en el tubo. [14] 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 de gráficos analógicos . [15]
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; como las pelotas de ping-pong son muy ligeras, se mueven fácilmente con vientos suaves. La medición del ángulo entre el aparato de cuerda y pelota y la vertical proporciona una estimación de la velocidad del viento.
Este tipo de anemómetro se utiliza principalmente para la instrucción de nivel medio, y la mayoría de los estudiantes lo hacen por su cuenta, pero un dispositivo similar también voló en el Phoenix Mars Lander . [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 real del aire difiere del valor de calibración, debido a diferencias de temperatura, altitud o presión barométrica, se requiere una corrección para obtener la velocidad real del viento. Se debe agregar aproximadamente un 1,5 % (1,6 % por encima de 6000 pies) 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 supervisar y controlar el funcionamiento de las turbinas eólicas, que en entornos fríos son propensas a la formación de hielo en las nubes. La formación de hielo altera la aerodinámica de un anemómetro y puede impedir su funcionamiento por completo. Por lo tanto, los anemómetros utilizados en estas aplicaciones deben tener calefacción interna. [17] Actualmente, tanto los anemómetros de cazoleta como los anemómetros sónicos están disponibles con versiones calefactadas.
Para que las velocidades del viento sean comparables de un lugar a otro, es necesario tener en cuenta el efecto del terreno, especialmente en lo que respecta a la altura. Otras consideraciones son la presencia de árboles y de cañones tanto naturales como 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'.
