Anemómetros

Anemómetros mecânicos

Foto: Um anemómetro de mão digital da La Crosse Technology. O ventilador no topo gera impulsos magnéticos, que os circuitos electrónicos no interior convertem numa velocidade precisa do vento. O visor também indica a força do vento na escala de Beaufort.

alguns dos anemómetros mais simples funcionam exactamente desta forma. São pouco mais do que um gerador eléctrico montado num cilindro metálico selado com um eixo saliente em relação ao mesmo. No topo do eixo, há várias copas grandes que apanham o vento e fazem o gerador girar em torno dele. Os anemómetros de hélice funcionam de forma muito semelhante. Tal como as mini-turbinas eólicas, utilizam pequenas hélices para alimentar os seus geradores em vez de girar as chávenas. Alguns anemómetros têm o que parece ser um pequeno ventilador no lugar das chávenas ou da hélice. À medida que o vento sopra, gira as pás dos ventiladores e um pequeno gerador ao qual estão ligados, que funciona um pouco como um dínamo de bicicletas. O gerador é ligado a um circuito electrónico que permite uma leitura instantânea da velocidade do vento num visor digital.

Alguns anemómetros estilo copo dispensam o gerador de electricidade e, em vez disso, contam quantas vezes os copos ou as pás dos ventiladores rodam a cada segundo. Num desenho típico, algumas das pás das ventoinhas têm ímanes minúsculos montados nelas e, de cada vez que fazem uma única rotação, passam por um detector magnético chamado interruptor de palheta. Quando um íman está próximo, o interruptor de palheta fecha-se e gera uma breve corrente eléctrica de impulso, antes de abrir novamente quando o íman desaparece. Este tipo de anemómetro faz efectivamente uma série de impulsos eléctricos a uma taxa proporcional à velocidade do vento. Conte a frequência com que os impulsos entram e pode calcular a velocidade do vento a partir daí.

Artwork: Como funciona um simples anemómetro de mudança de palheta. Pode-se ver que está dividido em três partes principais: a palheta em cima (azul), que indica a direcção do vento; as copas rotativas (vermelho); e a caixa estacionária que se segura por baixo (verde). Na secção da taça vermelha, há um íman incorporado num dos lados (amarelo). medida que o vento gira as chávenas, o íman gira para além de um par de interruptores de palheta (laranja) montados na secção inferior estacionária (verde). Estes enviam impulsos para um circuito que calcula a velocidade do vento. De US Patent 5,361,633: Método e aparelho para medição da velocidade e direcção do vento por William J. Peet II, 8 de Novembro de 1994, cortesia US Patent and Trademark Office.

Em outro desenho, conhecido como optoelectrónico, as chávenas giratórias giram uma espécie de roda de pás dentro da lata de metal por baixo. Cada vez que a roda de pás gira, quebra um feixe de luz e gera um impulso de corrente. Um circuito electrónico regula os impulsos e utiliza-os para calcular a velocidade do vento. Os anemómetros mostrados nas nossas fotografias acima, feitas por Ames da Eslovénia, funcionam aproximadamente desta forma.

Foto: As partes principais dos anemómetros ames optoelectrónicos de mão utilizados pela Marinha dos EUA. A caixa é feita de alumínio leve. Foto de Spencer Roberts cortesia da Marinha dos EUA.

Anemómetros ultrasónicos

Provavelmente sabe que o som viaja fazendo as moléculas de ar moverem-se para trás e para a frente. É bastante óbvio que a velocidade do vento afecta a velocidade a que os sons viajam. Se estiver a gritar a um amigo que está em baixo-vento de onde se está, ouvirá a sua voz um pouco mais cedo do que se não houvesse vento nenhum. Da mesma forma, se oyshout voltar, ouvirá a sua voz ligeiramente mais tarde – porque as ondas sonoras que geram têm de lutar contra o vento para reagir a si. A mesma ideia é usada de forma engenhosa nos anemómetros ultra-sónicos, que medem a velocidade do vento utilizando som de alta frequência (geralmente acima do alcance que os humanos podem ouvir).

Um anemómetro ultra-sónico tem dois ou três pares de transmissores e receptores de som montados em ângulos rectos um ao outro. Mantém-no ao vento e cada transmissor emite constantemente um som de alta frequência para o seu receptor de respeito. Os circuitos electrónicos no interior medem o tempo que o som leva a fazer a sua viagem desde cada transmissor até ao receptor correspondente. Dependendo de como o vento sopra, irá afectar alguns dos feixes sonoros mais do que os outros, abrandando-o ou acelerando-o muito ligeiramente. Os circuitos medem a diferença de velocidades dos feixes e usam-na para descobrir a rapidez com que o vento sopra.

P>Foto: Este mastro de medição do vento tem vários anemómetros montados sobre ele. No centro, pode simplesmente fazer um anemómetro ultra-sónico. Há também aqui um par de anemómetros de hélice, parecendo pequenas turbinas eólicas. Foto de Warren Gretz cortesia do US Department of Energy/NREL.Artwork: Um anemómetro ultra-sónico funciona enviando ondas sonoras de alta frequência (tipicamente de cerca de 10kHz até 200kHz) entre transmissores (azul) e receptores (rosa) em três ou quatro sondas montadas num mastro central. Os feixes sonoros viajam em ângulos e direcções diferentes, o que torna possível calcular a velocidade do vento com muita precisão.

Instrumentos rotativos não semelhantes, os instrumentos ultra-sónicos não têm partes móveis, pelo que são menos susceptíveis de falhar mecanicamente e não sofrem tanto de problemas como temperaturas de congelamento; também dão medições mais precisas em ventos muito fortes.

Anemómetro interferómetro laser

Foto: Um anemómetro interferómetro laser a ser utilizado pela NASA. Foto cortesia da NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

P>Pode fazer uma medição semelhante – mas muito mais precisa usando feixes de luz em vez de ultra-som. O princípio básico é chamado interferometria, e pode ser usado para medir todo o tipo de coisas diferentes com uma precisão incrível. Como é que funciona? Pega num raio laser e divide-o ao meio utilizando um espelho semi-principio (um espelho parcialmente revestido de prata, de modo a permitir a passagem de metade da luz e a reflectir o resto). Mantém uma parte do raio intacta (chamemos-lhe o raio de referência) e permite que a outra parte do raio (chamemos-lhe o raio de medição) seja embelezada pela coisa que pretende medir. Seja o que for, alterará ligeiramente a fase (padrão de vibração) das ondas de luz no feixe de medição, mas não afectará as ondas no feixe de referência (que viajam ao longo de um caminho separado). Agora recombina-se os feixes de twolaser. O feixe de medição estará ligeiramente desfasado do feixe de referência, causando a formação de um padrão de luz estranho onde se encontram e se sobrepõem, conhecido como um conjunto de franjas de interferência.Ao medir o espaçamento das franjas, pode calcular quanto feixe de medição foi afectado.

Quando se trata de medir a velocidade do ar, simplesmente permite que o seu feixe de medição passe através de uma câmara onde o ar se move. Pode dispará-lo através de parte de um túnel de vento, de uma amostra, ou através de uma tubagem ou tubo onde se está a estudar o fluxo de ar. É claro que precisa de calibrar primeiro a configuração, para conhecer a relação entre a velocidade do vento e as mudanças que observa nas franjas de interferência. Uma vez feito isso, pode utilizar o seu anemómetro laser para medir a velocidade de qualquer corrente de ar desconhecida.

Anemómetros laser Doppler

Dada a sua natureza de alta precisão, utilizaria um interferómetro laser para fazer medições muito precisas num laboratório. Mas alguns anemómetros laser são suficientemente robustos para uma utilização mais geral ao ar livre. Eles enviam um ou mais feixes laser infravermelhos seguros directamente para o ar (que servem como feixe de referência) e detectam o feixe reflectido de volta para baixo de partículas de poeira, gotículas de água, etc. (que é o feixe de medição). Os movimentos do vento abanam essas partículas transportadas pelo ar para que o feixe de medição seja ligeiramente alterado na frequência em comparação com o feixe de referência. Medindo a mudança de frequência, é possível medir com precisão a velocidade do que quer que a tenha causado (neste caso, a velocidade do vento). Um anemómetro típico que funciona desta forma é o ZephIR®,feito por Natural Power.

Artwork: Como funciona um anemómetro laser Doppler. Um laser (1) dispara através de uma lente (2) para um fluido (3), tal como o vento, que se quer medir. Parte do feixe dispara sem ser perturbado (4),enquanto outra parte (5) é espalhada e o Doppler deslocado. Espelhos (6) recombinam os feixes e um fotodíodo (7) detecta-os e mede-os. Um circuito ligado ao detector calcula a velocidade do vento a partir da mudança de frequência dos feixes combinados.

Anemómetros de fio quente

Trabalho de arte: Como funciona um anemómetro de arame quente: O vento frio (1) sopra sobre um fio aquecido (2), arrefecendo-o e alterando a sua resistência eléctrica de forma correspondente. Um circuito de ponte de Wheatstone-bridge ligado ao fio (3) mede a sua resistência à mudança e converte-o numa medição mais familiar da velocidade do vento.

Quantas mais formas de medir o vento poderiam existir? Surpreendentemente, bastantes. Se estiver familiarizado com o conceito de arrefecimento pelo vento, saberá que o vento arrefece as coisas ao passar por elas de uma forma muito previsível.Assim, medir a quantidade de arrefecimento que um vento produz num objecto com uma certa temperatura é uma forma indirecta de descobrir a velocidade desse vento. Isto é essencialmente como funciona um anemómetro de fio quente. Utiliza um pedaço de fio aquecido electricamente (semelhante ao filamento de uma lâmpada antiquada ou de um elemento de aquecimento fino) passado pelo qual o vento sopra. medida que o fio arrefece, a sua resistência eléctrica muda; isso pode ser medido (utilizando um circuito chamado ponte de Wheatstone) para calcular a quantidade de arrefecimento e a velocidade do vento. Os anemómetros de fio quente são particularmente adequados para medir o fluxo de ar turbulento, e são amplamente utilizados na engenharia para coisas como medições de fluxo de fluidos em motores a jacto.