Anemomètres

Anémomètres mécaniques

Photo : Un anémomètre numérique portatif de La Crosse Technology. Le ventilateur situé en haut génère des impulsions magnétiques, que les circuits électroniques situés à l’intérieur convertissent en une vitesse de vent précise. L’écran indique également la force du vent sur l’échelle de Beaufort.

Certains des anémomètres les plus simples fonctionnent exactement de cette manière. Ils ne sont guère plus qu’un générateur d’électricité monté dans un cylindre métallique scellé avec un axe qui en dépasse vers le haut. Au sommet de l’axe se trouvent plusieurs grandes coupelles qui captent le vent et font tourner le générateur. Les anémomètres à hélice fonctionnent à peu près de la même manière. Comme les éoliennes miniatures, ils utilisent de petites hélices pour faire fonctionner leurs générateurs au lieu des coupelles qui tournent. Certains anémomètres ont ce qui ressemble à un petit ventilateur à la place des gobelets ou de l’hélice. Lorsque le vent souffle, il fait tourner les pales du ventilateur et un minuscule générateur auquel elles sont attachées, qui fonctionne un peu comme une dynamo de vélo. Le générateur est relié à un circuit électronique qui donne une lecture instantanée de la vitesse du vent sur un écran numérique.

Certains anémomètres à coupelles se passent du générateur d’électricité et, à la place, comptent combien de fois les coupelles ou les pales du ventilateur tournent par seconde. Dans une conception typique, certaines des pales du ventilateur ont de minuscules aimants montés sur eux et, chaque fois qu’ils font une seule rotation, ils passent devant un détecteur magnétique appelé interrupteur à lames.Lorsqu’un aimant est à proximité, l’interrupteur à lames se ferme et génère une brève impulsion de courant électrique, avant de s’ouvrir à nouveau lorsque l’aimant s’éloigne. Ce type d’anémomètre produit effectivement une série d’impulsions électriques à un rythme proportionnel à la vitesse du vent.Comptez la fréquence des impulsions et vous pouvez en déduire la vitesse du vent.

Artwork : Comment fonctionne un anémomètre à commutateur reed simple. Vous pouvez voir qu’il est divisé en trois parties principales : la girouette sur le dessus (bleu), qui indique la direction du vent ; les coupelles rotatives (rouge) ; et le boîtier fixe que vous tenez en dessous (vert). Dans la section des coupes rouges, un aimant est intégré sur un côté (jaune). Lorsque le vent fait tourner les gobelets, l’aimant passe devant deux interrupteurs Reed (orange) montés dans la partie inférieure fixe (verte). Ceux-ci envoient des impulsions à un circuit qui calcule la vitesse du vent. Extrait du brevet américain 5,361,633 : Method and apparatus for wind speed and direction measurement par William J. Peet II, 8 novembre 1994, avec l’aimable autorisation de l’US Patent and Trademark Office.

Dans une autre conception, dite optoélectronique, les tasses qui tournent font tourner une sorte de roue à aubes à l’intérieur du bidon métallique situé en dessous. Chaque fois que la roue à aubes tourne, elle brise un faisceau lumineux et génère une impulsion de courant. Un circuit électronique chronomètre ces impulsions et les utilise pour calculer la vitesse du vent. Les anémomètres présentés dans nos photos ci-dessus, fabriqués par Ames de Slovénie, fonctionnent à peu près de cette manière.

Photo : Les principales parties des anémomètres Ames optoélectroniques portatifs utilisés par la marine américaine. Le boîtier est fabriqué en aluminium léger. Photo de Spencer Roberts avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Anémomètres ultrasoniques

Vous savez probablement que le son se propage en faisant aller et venir les molécules d’air. Il est assez évident que la vitesse du vent affecte la vitesse à laquelle les sons voyagent. Si vous criez à un ami qui se trouve sous le vent de l’endroit où vous vous trouvez, vous entendrez sa voix un peu plus tôt que s’il n’y avait pas de vent du tout. De même, s’il vous répond en criant, vous entendrez sa voix un peu plus tard, car les ondes sonores qu’il génère doivent lutter contre le vent pour vous atteindre. La même idée est utilisée de manière ingénieuse dans les anémomètres à ultrasons, qui mesurent la vitesse du vent à l’aide de sons à haute fréquence(généralement au-dessus de la gamme que les humains peuvent entendre).

Un anémomètre à ultrasons comporte deux ou trois paires d’émetteurs et de récepteurs de sons montés à angle droit les uns par rapport aux autres. Placez-le dans le vent et chaque émetteur émet constamment un son à haute fréquence vers son récepteur respectif. Des circuits électroniques situés à l’intérieur mesurent le temps que met le son pour aller de chaque émetteur au récepteur correspondant. Selon la façon dont le vent souffle, certains faisceaux sonores seront plus affectés que d’autres, les ralentissant ou les accélérant très légèrement. Les circuits mesurent la différence de vitesse des faisceaux et l’utilisent pour déterminer à quelle vitesse le vent souffle.

Photo : Ce mât de mesure du vent est équipé de plusieurs anémomètres. Au centre, vous pouvez juste distinguer un anémomètre à ultrasons. Il y a aussi quelques anémomètres à hélice ici, ressemblant à de minuscules éoliennes. Photo de Warren Gretz, avec l’aimable autorisation du ministère américain de l’Énergie/NREL : Un anémomètre à ultrasons fonctionne en envoyant des ondes sonores à haute fréquence (généralement de 10 kHz à 200 kHz) entre des émetteurs (bleus) et des récepteurs (roses) sur trois ou quatre sondes montées sur un mât central. Les faisceaux sonores se déplacent à des angles et dans des directions différentes, ce qui permet de calculer très précisément la vitesse du vent.

Contrairement aux instruments rotatifs, les instruments à ultrasons n’ont pas de pièces mobiles, ils sont donc moins susceptibles de tomber en panne mécaniquement et ne souffrent pas tout à fait autant de problèmes comme le gel ; ils donnent également des mesures plus précises dans les vents très forts.

Les anémomètres à interféromètre laser

Photo : Un anémomètre à interféromètre laser utilisé par la NASA. Photo reproduite avec l’aimable autorisation du Centre de recherche Glenn de la NASA (NASA-GRC).

Vous pouvez effectuer une mesure similaire – mais beaucoup plus précise – en utilisant des faisceaux de lumière au lieu d’ultrasons. Le principe de base est appelé interférométrie, et il peut être utilisé pour mesurer toutes sortes de choses différentes avec une précision incroyable. Comment cela fonctionne-t-il ? Vous prenez un faisceau laser et vous le divisez en deux à l’aide d’un miroir semi-argenté (un miroir partiellement recouvert d’argent pour laisser passer la moitié de la lumière et réfléchir le reste). Vous gardez une partie du faisceau intacte (appelons-la faisceau de référence) et vous laissez l’autre partie du faisceau (appelons-la faisceau de mesure) être affectée par la chose que vous voulez mesurer. Cet élément, quel qu’il soit, modifiera légèrement la phase (schéma de vibration) des ondes lumineuses du faisceau de mesure, mais n’affectera pas les ondes du faisceau de référence (qui suivent un chemin différent). Vous recombinez maintenant les deux faisceaux laser. Le faisceau de mesure sera légèrement décalé par rapport au faisceau de référence, ce qui entraînera la formation d’un motif lumineux étrange à l’endroit où ils se rencontrent et se chevauchent, connu sous le nom d’ensemble de franges d’interférence.En mesurant l’espacement des franges, vous pouvez calculer dans quelle mesure le faisceau de mesure a été affecté.

Lorsqu’il s’agit de mesurer la vitesse de l’air, il vous suffit de laisser votrefaisceau de mesure traverser une chambre où l’air se déplace. Vous pouvez le faire passer dans une partie d’une soufflerie, par exemple, ou dans un tuyau ou un tube où vous étudiez l’écoulement de l’air. Il faut bien sûr commencer par calibrer l’installation, afin de connaître la relation entre la vitesse du vent et les changements observés dans les franges d’interférence. Une fois que vous avez fait cela, vous pouvez utiliser votre anémomètre laser pour mesurer la vitesse de tout courant d’air inconnu.

Anémomètres laser Doppler

Etant donné sa nature de haute précision, vous utiliseriez un interféromètre laser pour effectuer des mesures très précises dans un laboratoire. Mais certains anémomètres laser sont suffisamment robustes pour une utilisation plus générale en extérieur. Ils envoient un ou plusieurs faisceaux laser infrarouges sécurisés directement dans l’air (qui servent de faisceau de référence) et détectent le faisceau réfléchi par les particules de poussière, les gouttelettes d’eau, etc. (qui constitue le faisceau de mesure). Les mouvements du vent agitent ces particules en suspension dans l’air, de sorte que la fréquence du faisceau de mesure est légèrement modifiée par rapport au faisceau de référence. Ce changement de fréquence est appelé décalage Doppler et ressemble à la façon dont la sirène d’un camion de pompiers passe d’une note aiguë à une note grave lorsqu’elle passe devant vous. En mesurant le décalage de fréquence, vous pouvez mesurer précisément la vitesse de ce qui l’a provoqué (dans ce cas, la vitesse du vent).Un anémomètre typique qui fonctionne de cette manière est le ZephIR®,fabriqué par Natural Power.

Artwork : Comment fonctionne un anémomètre laser Doppler. Un laser (1) tire à travers une lentille (2) dans un fluide (3), tel que le vent, que vous voulez mesurer. Une partie du faisceau traverse le fluide sans être perturbé (4), tandis qu’une autre partie (5) est diffusée et subit un décalage Doppler. Des miroirs (6) recombinent les faisceaux et une photodiode (7) les détecte et les mesure. Un circuit attaché au détecteur calcule la vitesse du vent à partir du changement de fréquence des faisceaux combinés.

Anémomètres à fil chaud

Artwork : Fonctionnement d’un anémomètre à fil chaud : Le vent froid (1) souffle sur un fil chauffé (2), le refroidissant et modifiant sa résistance électrique en conséquence. Un circuit en pont de Wheatstone fixé au fil (3) mesure sa résistance changeante et la convertit en une mesure plus familière de la vitesse du vent.

Combien d’autres façons de mesurer le vent pourraient-elles exister ? Étonnamment, il y en a pas mal. Si vous êtes familier avec le concept de refroidissement éolien, vous savez que le vent refroidit les choses lorsqu’il passe devant elles de manière très prévisible.Ainsi, mesurer la quantité de refroidissement qu’un vent produit sur un objet d’une certaine température est un moyen indirect de déterminer la vitesse de ce vent. C’est essentiellement de cette manière que fonctionne un anémomètre à fil chaud. Il utilise un morceau de fil chauffé électriquement (semblable au filament d’une ampoule électrique ancienne ou à un élément chauffant fin) devant lequel le vent souffle. Lorsque le fil se refroidit, sa résistance électrique change, ce qui peut être mesuré (à l’aide d’un circuit appelé pont de Wheatstone) pour déterminer le degré de refroidissement et la vitesse du vent. Les anémomètres à fil chaud sont particulièrement adaptés à la mesure des flux d’air turbulents, et ils sont largement utilisés en ingénierie pour des choses comme les mesures du flux de fluide dans les moteurs à réaction.