Anemometri

Anemometri meccanici

Foto: Un anemometro digitale portatile di La Crosse Technology. La ventola in alto genera impulsi magnetici, che i circuiti elettronici all’interno convertono in una precisa velocità del vento. Il display indica anche quanto è forte il vento sulla scala Beaufort.

Alcuni degli anemometri più semplici funzionano esattamente in questo modo. Sono poco più di un generatore di elettricità montato in un cilindro di metallo sigillato con un asse che sporge verso l’alto da esso. In cima all’asse, ci sono diverse grandi coppe che catturano il vento e fanno girare il generatore. Gli anemometri ad elica funzionano più o meno allo stesso modo. Come le turbine eoliche in miniatura, usano piccole eliche per alimentare i loro generatori invece di tazze rotanti. Alcuni anemometri hanno quello che sembra un piccolo ventilatore al posto delle tazze o dell’elica. Quando il vento soffia, fa girare le pale del ventilatore e un piccolo generatore a cui sono attaccati, che funziona un po’ come una dinamo di bicicletta. Il generatore è collegato a un circuito elettronico che dà una lettura istantanea della velocità del vento su un display digitale.

Alcuni anemometri a tazza fanno a meno del generatore di elettricità e, invece, contano quante volte le tazze o le pale del ventilatore ruotano ogni secondo. In un design tipico, alcune delle pale del ventilatore hanno piccoli magneti montati su di loro e, ogni volta che fanno una singola rotazione, si muovono oltre un rilevatore magnetico chiamato un interruttore reed.Quando un magnete è vicino, l’interruttore reed si chiude e genera un breve impulso di corrente elettrica, prima di aprirsi di nuovo quando il magnete va via. Questo tipo di anemometro produce effettivamente una serie di impulsi elettrici a un ritmo proporzionale alla velocità del vento.Conta quanto spesso arrivano gli impulsi e da questo puoi capire la velocità del vento.

Artwork: Come funziona un semplice anemometro reed-switch. Puoi vedere che è diviso in tre parti principali: la banderuola in cima (blu), che indica la direzione del vento; le coppe rotanti (rosse); e l’alloggiamento fisso che si tiene sotto (verde). Nella sezione della coppa rossa, c’è un magnete incorporato in un lato (giallo). Mentre il vento fa girare le tazze, il magnete ruota oltre un paio di interruttori reed (arancione) montati nella sezione inferiore fissa (verde). Questi inviano impulsi a un circuito che calcola la velocità del vento. Dal brevetto USA 5,361,633: Metodo e apparato per la misurazione della velocità e della direzione del vento di William J. Peet II, 8 novembre 1994, per gentile concessione dell’US Patent and Trademark Office.

In un altro design, noto come optoelettronico, le tazze rotanti fanno girare una specie di ruota a pale all’interno del contenitore di metallo sottostante. Ogni volta che la ruota a pale ruota, interrompe un raggio di luce e genera un impulso di corrente. Un circuito elettronico cronometra gli impulsi e li usa per calcolare la velocità del vento. Gli anemometri mostrati nelle nostre foto qui sopra, prodotti dalla Ames of Slovenia, funzionano più o meno in questo modo.

Foto: Le parti principali degli anemometri palmari, optoelettronici Ames usati dalla Marina degli Stati Uniti. La cassa è fatta di alluminio leggero. Foto di Spencer Roberts per gentile concessione della US Navy.

Anemometri a ultrasuoni

Probabilmente sapete che il suono viaggia facendo muovere le molecole d’aria avanti e indietro. È abbastanza ovvio che la velocità del vento influisce sulla velocità con cui viaggiano i suoni. Se stai gridando a un amico che si trova sottovento a dove ti trovi, sentirai la sua voce un po’ più presto di quanto farebbe se non ci fosse alcun vento. Allo stesso modo, se l’amico grida, sentirai la sua voce un po’ più tardi, perché le onde sonore che generano devono lottare contro il vento per raggiungerti. La stessa idea è usata in modo ingegnoso negli anemometri a ultrasuoni, che misurano la velocità del vento usando suoni ad alta frequenza (generalmente al di sopra della gamma che gli umani possono sentire).

Un anemometro a ultrasuoni ha due o tre coppie di trasmettitori e ricevitori di suoni montati ad angolo retto l’uno rispetto all’altro. Mettilo nel vento e ogni trasmettitore emette costantemente un suono ad alta frequenza al suo rispettivo ricevitore. I circuiti elettronici all’interno misurano il tempo che impiega il suono a fare il suo viaggio da ogni trasmettitore al ricevitore corrispondente. A seconda di come soffia il vento, influenzerà alcuni dei fasci di suono più degli altri, rallentandolo o accelerandolo molto leggermente. I circuiti misurano la differenza di velocità dei raggi e la usano per capire quanto velocemente soffia il vento.

Foto: Questo albero per la misurazione del vento ha diversi anemometri montati su di esso. Al centro, si può appena distinguere un anemometro a ultrasuoni. Ci sono anche un paio di anemometri ad elica, che sembrano piccole turbine eoliche. Foto di Warren Gretz per gentile concessione del Dipartimento dell’Energia/NREL: Un anemometro a ultrasuoni funziona inviando onde sonore ad alta frequenza (tipicamente da circa 10kHz fino a 200kHz) tra trasmettitori (blu) e ricevitori (rosa) su tre o quattro sonde montate su un albero centrale. I fasci sonori viaggiano ad angoli e direzioni diverse, il che rende possibile calcolare la velocità del vento in modo molto accurato.

A differenza degli strumenti rotanti, gli strumenti a ultrasuoni non hanno parti in movimento, quindi hanno meno probabilità di guastarsi meccanicamente e non soffrono molto di problemi come il congelamento delle temperature; danno anche misurazioni più accurate con venti molto forti.

Anemometri interferometrici laser

Foto: Un anemometro interferometro laser utilizzato dalla NASA. Foto per gentile concessione del NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Si può fare una misurazione simile, ma molto più precisa, usando fasci di luce invece di ultrasuoni. Il principio di base si chiama interferometria, e può essere usato per misurare tutti i tipi di cose diverse con incredibile precisione. Come funziona? Si prende un raggio laser e lo si divide a metà usando uno specchio semi-argentato (uno specchio parzialmente rivestito di argento che lascia passare metà della luce e riflette il resto), si mantiene intatta una parte del raggio (chiamiamolo raggio di riferimento) e si lascia che l’altra parte del raggio (chiamiamolo raggio di misura) sia influenzata dalla cosa che si vuole misurare. Qualunque cosa sia altererà leggermente la fase (modello di vibrazione) delle onde di luce nel fascio di misurazione, ma non influenzerà le onde nel fascio di riferimento (che viaggiano lungo un percorso separato). Ora ricombinate i due fasci laser. Il fascio di misurazione sarà leggermente fuori passo con il fascio di riferimento, causando la formazione di un modello di luce astrange dove si incontrano e si sovrappongono, noto come un insieme di frange di interferenza.misurando la spaziatura delle frange, è possibile calcolare quanto il fascio di misurazione tema è stato influenzato.

Quando si tratta di misurare la velocità dell’aria, è sufficiente consentire il vostro fascio di misurazione per passare attraverso una camera dove l’aria è in movimento. Si potrebbe sparare attraverso una parte di una galleria del vento, per esempio, o attraverso un tubo dove si sta studiando il flusso d’aria. Naturalmente devi prima calibrare il setup, in modo da conoscere la relazione tra la velocità del vento e i cambiamenti che osservi nelle frange di interferenza. Una volta fatto questo, puoi usare il tuo anemometro laser per misurare la velocità di qualsiasi corrente d’aria sconosciuta.

Anemometri laser Doppler

Data la sua natura di alta precisione, si usa un interferometro laser per fare misure molto precise in un laboratorio. Ma alcuni anemometri laser sono abbastanza robusti per un uso più generale all’aperto. Essi inviano uno o più sicuri, raggi laser infrarossi direttamente nell’aria (che servono come raggio di riferimento) e rilevare il fascio riflesso verso il basso da particelle di polvere, goccioline d’acqua, e così via (che è il raggio di misura). movimenti di vento oscillare quelle particelle sospese nell’aria intorno così il fascio di misura è leggermente cambiato in frequenza rispetto al raggio di riferimento. il cambiamento di frequenza è chiamato uno spostamento Doppler ed è molto simile a theway una sirena dei vigili del fuoco cambia passo da una nota alta a una nota bassa asit velocità passato. Un tipico anemometro che funziona in questo modo è lo ZephIR®, prodotto da Natural Power.

Artwork: Come funziona un anemometro laser Doppler. Un laser (1) spara attraverso una lente (2) in un fluido (3), come il vento, che si vuole misurare. Una parte del raggio passa indisturbata (4), mentre un’altra parte (5) viene diffusa e spostata Doppler. Gli specchi (6) ricombinano i fasci e un fotodiodo (7) li rileva e li misura. Un circuito collegato al rilevatore calcola la velocità del vento dal cambiamento di frequenza dei fasci combinati.

Anemometri a filo caldo

Artwork: Come funziona un anemometro a filo caldo: Il vento freddo (1) soffia su un filo riscaldato (2), raffreddandolo e cambiando di conseguenza la sua resistenza elettrica. Un circuito a ponte di Wheatstone collegato al filo (3) misura la sua resistenza che cambia e la converte in una misura più familiare della velocità del vento.

Quanti altri modi di misurare il vento potrebbero esserci? Sorprendentemente, parecchi. Se hai familiarità con il concetto di raffreddamento del vento, saprai che il vento raffredda le cose mentre soffia su di esse in un modo molto prevedibile, quindi misurare la quantità di raffreddamento che un vento produce su un oggetto di una certa temperatura è un modo indiretto per capire la velocità di quel vento. Questo è essenzialmente il modo in cui funziona un anemometro a filo caldo. Utilizza un pezzo di filo riscaldato elettricamente (simile al filamento di una vecchia lampadina o un sottile elemento riscaldante) oltre il quale soffia il vento. Quando il filo si raffredda, la sua resistenza elettrica cambia; questo può essere misurato (usando un circuito chiamato ponte di Wheatstone) per capire la quantità di raffreddamento e la velocità del vento. Gli anemometri a filo caldo sono particolarmente adatti per misurare il flusso d’aria turbolento, e sono ampiamente utilizzati in ingegneria per cose come le misurazioni del flusso di fluido nei motori a reazione.