Anemómetros

Anemómetros mecánicos

Foto: Un anemómetro digital de mano de La Crosse Technology. El ventilador de la parte superior genera impulsos magnéticos, que los circuitos electrónicos del interior convierten en una velocidad de viento precisa. La pantalla también indica la intensidad del viento en la escala de Beaufort.

Algunos de los anemómetros más sencillos funcionan exactamente así. Son poco más que un generador de electricidad montado en un cilindro metálico sellado con un eje que sobresale hacia arriba. En la parte superior del eje, hay varias copas grandes que captan el viento y hacen que el generador gire. Los anemómetros de hélice funcionan de forma muy parecida. Al igual que las turbinas eólicas en miniatura, utilizan pequeñas hélices para alimentar sus generadores en lugar de tazas giratorias. Algunos anemómetros tienen lo que parece un pequeño ventilador en lugar de las copas o la hélice. Cuando el viento sopla, hace girar las aspas del ventilador y un pequeño generador al que están unidas, que funciona un poco como una dinamo de bicicleta. El generador está conectado a un circuito electrónico que proporciona una lectura instantánea de la velocidad del viento en una pantalla digital.

Algunos anemómetros de copa prescinden del generador de electricidad y, en su lugar, cuentan cuántas veces giran las copas o las aspas del ventilador cada segundo. En un diseño típico, algunas de las aspas del ventilador tienen pequeños imanes montados en ellas y, cada vez que hacen una sola rotación, pasan por delante de un detector magnético llamado interruptor de láminas.Cuando un imán está cerca, el interruptor de láminas se cierra y genera un breve impulso de corriente eléctrica, antes de abrirse de nuevo cuando el imán se aleja. Este tipo de anemómetro emite una serie de impulsos eléctricos con una frecuencia proporcional a la velocidad del viento. Ilustración de los principales componentes de la patente estadounidense 5.361.633.

Imagen: Cómo funciona un simple anemómetro de interruptor de láminas. Se puede ver que está dividido en tres partes principales: la veleta en la parte superior (azul), que indica la dirección del viento; las copas giratorias (rojo); y la carcasa fija que se sostiene debajo (verde). En la sección de copas rojas hay un imán incorporado en uno de los lados (amarillo). Cuando el viento hace girar las copas, el imán pasa por un par de interruptores de láminas (naranja) montados en la sección inferior fija (verde). Estos envían impulsos a un circuito que calcula la velocidad del viento. De la patente estadounidense 5.361.633: Method and apparatus for wind speed and direction measurement by William J. Peet II, 8 de noviembre de 1994, cortesía de la Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos.

En otro diseño, conocido como optoelectrónico, las tazas giratorias hacen girar una especie de rueda de paletas dentro del bote metálico que hay debajo. Cada vez que la rueda de paletas gira, rompe un haz de luz y genera un pulso de corriente. Un circuito electrónico cronometra los pulsos y los utiliza para calcular la velocidad del viento. Los anemómetros mostrados en nuestras fotos de arriba, fabricados por Ames de Eslovenia, funcionan más o menos de esta manera.

Foto: Las partes principales de los anemómetros Ames de mano, optoelectrónicos, utilizados por la Marina de Estados Unidos. La carcasa es de aluminio ligero. Foto de Spencer Roberts por cortesía de la Marina de los Estados Unidos.

Anemómetros ultrasónicos

Probablemente sepa que el sonido se desplaza haciendo que las moléculas de aire se muevan de un lado a otro. Es bastante obvio que la velocidad del viento afecta a la velocidad a la que viajan los sonidos. Si le gritas a un amigo que está en la parte inferior de tu posición, oirás su voz un poco antes de lo que lo harías si no hubiera viento. Del mismo modo, si te devuelve el grito, oirás su voz un poco más tarde, porque las ondas sonoras que genera tienen que luchar contra el viento para llegar a ti. La misma idea se utiliza de forma ingeniosa en los anemómetros ultrasónicos, que miden la velocidad del viento utilizando sonidos de alta frecuencia (generalmente por encima del rango que los humanos pueden oír).

Un anemómetro ultrasónico tiene dos o tres pares de transmisores y receptores de sonido montados en ángulo recto. Se coloca en el viento y cada transmisor emite constantemente un sonido de alta frecuencia a su respectivo receptor. Los circuitos electrónicos del interior miden el tiempo que tarda el sonido en hacer su recorrido desde cada transmisor hasta el receptor correspondiente. Dependiendo de cómo sople el viento, afectará a algunos de los haces de sonido más que a otros, ralentizándolos o acelerándolos muy ligeramente. Los circuitos miden la diferencia de velocidad de los haces y la utilizan para calcular la velocidad del viento.

Foto: Este mástil para medir el viento tiene varios anemómetros montados. En el centro, se puede distinguir un anemómetro ultrasónico. También hay un par de anemómetros de hélice aquí, que parecen pequeñas turbinas de viento. Foto de Warren Gretz por cortesía del Departamento de Energía de EE.UU./NREL: Un anemómetro ultrasónico funciona enviando ondas sonoras de alta frecuencia (normalmente desde unos 10kHz hasta 200kHz) entre los transmisores (azul) y los receptores (rosa) de tres o cuatro sondas montadas en un mástil central. Los haces de sonido viajan en diferentes ángulos y direcciones, lo que permite calcular la velocidad del viento con gran precisión.

A diferencia de los instrumentos giratorios, los ultrasónicos no tienen piezas móviles, por lo que es menos probable que fallen mecánicamente y no sufren tanto por problemas como las temperaturas de congelación; también dan mediciones más precisas en vientos muy fuertes.

Anemómetros de interferómetro láser

Foto: Un anemómetro interferómetro láser utilizado por la NASA. Foto cortesía del Centro de Investigación Glenn de la NASA (NASA-GRC).

Se puede realizar una medición similar -pero mucho más precisa- utilizando haces de luz en lugar de ultrasonidos. El principio básico se llama interferometría, y se puede utilizar para medir todo tipo de cosas diferentes con una precisión increíble. ¿Cómo funciona? Se toma un rayo láser y se divide por la mitad con un espejo semiespejado (un espejo parcialmente recubierto de plata que permite el paso de la mitad de la luz y refleja el resto). Lo que sea alterará ligeramente la fase (patrón de vibración) de las ondas de luz en el haz de medición, pero no afectará a las ondas del haz de referencia (que viajan por un camino distinto). Ahora se recombinan los dos haces de luz. El rayo de medición estará ligeramente desfasado con respecto al rayo de referencia, lo que hará que se forme un patrón de luz extraño en el lugar en el que se encuentran y se superponen, lo que se conoce como un conjunto de franjas de interferencia.Al medir el espaciado de las franjas, se puede calcular cuánto se ha visto afectado el rayo de medición.

Cuando se trata de medir la velocidad del aire, simplemente se permite que el rayo de medición pase a través de una cámara en la que el aire está en movimiento. Podría dispararlo a través de una parte de un túnel de viento, por ejemplo, o a través de una tubería o un tubo donde esté estudiando el flujo de aire. Por supuesto, primero hay que calibrar el equipo para conocer la relación entre la velocidad del viento y los cambios que se observan en las franjas de interferencia. Una vez que lo haya hecho, podrá utilizar su anemómetro láser para medir la velocidad de cualquier corriente de aire desconocida.

Anemómetros láser Doppler

Dada su naturaleza de alta precisión, usted utilizaría un interferómetro láser para realizar mediciones muy precisas en un laboratorio. Pero algunos anemómetros láser son lo suficientemente robustos para un uso más general en exteriores. Envían uno o varios rayos láser infrarrojos seguros hacia el aire (que sirven de rayo de referencia) y detectan el rayo reflejado por las partículas de polvo, las gotas de agua, etc. (que es el rayo de medición). Al medir el cambio de frecuencia, se puede medir con precisión la velocidad de lo que lo ha causado (en este caso, la velocidad del viento).Un anemómetro típico que funciona de esta manera es el ZephIR®, fabricado por Natural Power.

Trabajo artístico: Cómo funciona un anemómetro láser Doppler. Un láser (1) dispara a través de una lente (2) hacia un fluido (3), como el viento, que se quiere medir. Una parte del rayo se dispara sin alteraciones (4), mientras que otra parte (5) se dispersa y se desplaza por Doppler. Los espejos (6) recombinan los haces y un fotodiodo (7) los detecta y mide. Un circuito conectado al detector calcula la velocidad del viento a partir del cambio de frecuencia de los haces combinados.

Anemómetros de hilo caliente

Imagen: Cómo funciona un anemómetro de hilo caliente: El viento frío (1) sopla sobre un alambre caliente (2), enfriándolo y cambiando su resistencia eléctrica en consecuencia. Un circuito de puente Wheatstone conectado al cable (3) mide su resistencia cambiante y la convierte en una medida más familiar de la velocidad del viento.

¿Cuántas formas más de medir el viento podría haber? Sorprendentemente, bastantes. Si estás familiarizado con el concepto de sensación térmica, sabrás que el viento enfría las cosas cuando pasa por ellas de una manera muy predecible.Así que medir la cantidad de enfriamiento que un viento produce en un objeto de una determinada temperatura es una forma indirecta de averiguar la velocidad de ese viento. Así es como funciona un anemómetro de hilo caliente. Utiliza un trozo de alambre calentado eléctricamente (similar al filamento de una bombilla antigua o a un fino elemento calefactor) por el que pasa el viento. A medida que el cable se enfría, su resistencia eléctrica cambia; esto puede medirse (utilizando un circuito llamado puente de Wheatstone) para calcular la cantidad de enfriamiento y la velocidad del viento. Los anemómetros de hilo caliente son especialmente adecuados para medir el flujo de aire turbulento, y se utilizan ampliamente en ingeniería para cosas como las mediciones del flujo de fluidos en los motores a reacción.