EL ANEMÓMETRO

Un anemómetro es un aparato meteorológico que se usa para la predicción del tiempo y, específicamente, para medir la velocidad del viento. Esta medición no tiene por qué ser exacta a no ser que sea un anemómetro digital

En meteorología, se usan principalmente los anemómetros de cazoletas o de molinete, que es una especia de diminuto molino cuyas cuatro aspas se hallan constituidas por cazoletas sobre las cuales actúa la fuerza del viento. Así el número de vueltas puede ser leído directamente en un contador o registro sobre una banda de papel (anemograma), e cuyo caso el aparato se denomina anemógrafo. Aunque también los hay de tipo electrónicos.

Podemos ver así mismo el anemómetro como aparato para medir la velocidad de movimiento relativo de un objeto, sobre el que se coloca el anemómetro, con respecto al viento en calma.

La velocidad del viento se mide usando la Escala de Beaufort para el Viento que es una escala de 0 a 12 con base en claves visuales.

Para medir la velocidad relativa del viento es necesario utilizar algún  proceso físico cuya magnitud varíe según una regla fija con respecto a la variación de esa velocidad. En la práctica entre otros se usan:

1. La variación de velocidad de rotación de una hélice sometida al viento.
2. La fuerza que se obtiene al enfrentar una superficie al viento.
3. La diferencia de temperatura entre dos filamentos calentados por igual, uno sometido al viento y otro en calma.
4. Aprovechando la presión aerodinámica producida en una superficie enfrentada al viento.
5. Otros métodos ultrasónicos o de láser.

Dependiendo de la precisión con la que queramos trabajar podemos utilizar una clase de anemómetro u otro.

Así podemos clasificar los anemómetros según su precisión o su simplicidad.

Anemómetro Láser Doppler.

Este anemómetro digital usa un láser que es dividido y enviado al anemómetro. El retorno del rayo láser decae por la cantidad de moléculas de aire en el detector, donde la diferencia entre la radiación relativa del láser en el anemómetro y el retorno de radiación, son comparados para determinar la velocidad de las moléculas de aire, lo cual permite medir la velocidad del viento del clima

Dibujo de un anemómetro láser. El láser es emitido (1) a través de la lente frontal (6) del anemómetro y es sosegado por las moléculas de aire. La radiación retrodispersada (puntos) reentra y el efecto reflejado se dirige a ese detector (12).

Anemómetros de hélice

Estos son los más utilizados por su simplicidad y suficiente exactitud para la mayor parte de las necesidades de medición así como por la relativa facilidad de permitir la medición a distancia.

Hay muchos diseños de hélices pero la mas común es la hélice de cazoleta, debido a que no es necesario mecanismo alguno para orientar la hélice al viento y que su  construcción puede ser robusta para soportar grandes velocidades del viento.

Este es un esquema que representa una hélice de cazoletas, debido a que la resistencia aerodinámica de la cazoleta es diferente entre la parte cóncava y convexa, esta recibirá un empuje mayor en una dirección y la hélice rotará a mayor o menor velocidad, en proporción a la velocidad del viento.

También se usan las hélices de tipo helicoidal, como la típica hélice del ventilador común que todos conocemos e híbridos entre las de cazoletas y la helicoidal.

La velocidad de rotación del eje de la hélice es proporcional a la velocidad del viento, por lo que si medimos esta velocidad de rotación, podremos hacer una tabla de calibración directamente en unidades de velocidad del viento en metros por segundo (m/seg) o kilómetros por hora (Km/h) etc...

Hay diversas maneras de hacer la indicación, a continuación algunos ejemplos:

Este es un anemómetro de cazoletas muy elemental, la velocidad de rotación de la hélice, hace que la creciente fuerza centrífuga, empuje el extremo superior de las palancas hacia afuera, moviendo hacia abajo el anillo marcador de la parte inferior del mecanismo, cuando la velocidad de la hélice crece, y a través de un resorte recuperador se produzca el efecto contrario cuando disminuye.

Una escala apropiada marcada en el soporte central calibrada a velocidad de viento, servirá para indicarla en todo momento.

Este es un esquema que muestra un anemómetro mas terminado. La hélice está acoplada a un pequeño generador eléctrico, cuyo voltaje generado es proporcional a la velocidad de rotación de la hélice y con ello a la del viento.

Este voltaje se mide en un voltímetro cuya escala ha sido calibrada a velocidad del viento por lo que podremos saber su valor en todo momento.

Este tipo de anemómetro tiene las ventajas de que puede  ser muy preciso y que además la indicación de la velocidad puede ser a distancia, con solo conducir los cables apropiados hasta el lugar donde se coloque el voltímetro indicador.

Este tipo de anemómetro utiliza una hélice helicoidal, cuyo eje está acoplado directamente al indicador de velocidad de tipo mecánico. El mecanismo de acción de la aguja del indicador puede ser de tipo centrífugo, o basado en la electro inducción como en los velocímetros de los automóviles.

Un anemómetro portátil. La hélice de tipo helicoidal, tiene acoplado al eje un diminuto generador de impulsos eléctricos, que son contados por unidad de tiempo por el contador electrónico a baterías, y mostrados en pantalla ya calibrados a velocidad de viento.
La precisión de estos anemómetros depende en gran medida del operador, ya que es este, el que debe dar la adecuada orientación de frente al viento.

Anemómetros de empuje.

En estos anemómetros se utiliza la fuerza resultante en una superficie cuando es alcanzada de frente por el viento.

En el esquema se representa el principio de funcionamiento de un anemómetro de empuje.

Una escala apropiada, grabada en una superficie paralela al movimiento del péndulo servirá como indicador usando el propio péndulo como aguja indicadora.
Estos anemómetros no son muy precisos y se utilizan para obtener una información  estimada de la velocidad del viento, su indicación generalmente es en números relativos a una escala  arbitraria establecida de antemano.  Por ejemplo:

2= Se nota el movimiento de las hojas de los árboles.

3= Se mueven las ramas mas pequeñas de los árboles.

4= Se levanta el polvo del suelo.

Previamente se conocen los rangos de velocidades del viento de cada uno de estos números arbitrarios previstos.

Anemómetros de presión hidrodinámica

Cuando el viento impacta sobre una superficie, en ella se produce una presión adicional que depende de esa velocidad, si esta presión se capta adecuadamente, y se conduce a un instrumento medidor, tendremos un anemómetro de presión.

Para capturar esta presión se utiliza el llamado tubo de Pitot, que no es más que un tubo de suficiente diámetro en forma de U con uno de sus extremos doblado y colocado de frente al viento, y el otro abierto al exterior pero protegido de la acción de este.
 En la parte en forma de U se  graba una escala y dentro se coloca un líquido coloreado. La diferencia de presión entre los extremos del tubo de Pitot hará que la columna líquida se desplace de un lado, la diferencia de altura será proporcional a la velocidad del viento incidente en la boca del tubo y servirá como indicador de esta.

Este es el esquema de un anemómetro del tipo de presión hidrodinámica pero con indicación de aguja y esfera.

La cápsula barométrica es un bulbo elástico, al recibir la diferencia de presión desde las partes de alta y baja presión del tubo de pitot se dilata o recoge en proporción. Este movimiento es conducido y amplificado apropiadamente a través de un juego de palancas y engranajes hasta una aguja indicadora.

La ventaja de los anemómetros no mecánicos es que son menos sensibles a la formación de hielo. Sin embargo en la práctica los anemómetros de cazoletas son ampliamente utilizados, y modelos especiales con ejes y cazoletas eléctricamente calentados pueden ser usados en las zonas árticas.

Sin embargo, los anemómetros económicos no resultan de utilidad en las mediciones de la velocidad de viento que se llevan a cabo en la industria eólica, dado que pueden ser muy imprecisos y estar pobremente calibrados, con errores en la medición de quizás el 5 por ciento, e incluso del 10 por ciento.

Si está pensando construir un parque eólico puede resultar un desastre económico si dispone de un anemómetro que mide las velocidades de viento con un error del 10%. En ese caso, se expone a contar con un contenido energético del viento que es 1,1 3 -1=33% más elevado de lo que es en realidad. Si lo que tiene que hacer es recalcular sus mediciones para una altura de buje del aerogenerador distinta (digamos de 10 a 50 metros de altura), ese error podrá incluso multiplicarse por un factor del 1,3, con lo que sus cálculos de energía acabarán con un error del 75%.

Escala de velocidades de viento

Velocidades de viento a 10 m de altura

m/s

nudos

Clasificación del viento

Calma -------------------------------------------------------------------------------------------------

0,0-0,4

0,0-0,9

Ligero -------------------------------------------------------------------------------------------------

0,4-1,8

0,9-3,5

Moderado ---------------------------------------------------------------------------------------------

1,8-3,6

3,5-7,0

3,6-5,8

7-11

5,8-8,5

11-17

Fresco -------------------------------------------------------------------------------------------------

8,5-11

17-22

Fuerte -------------------------------------------------------------------------------------------------

11-14

22-28

Temporal ---------------------------------------------------------------------------------------------

14-17

28-34

17-21

34-41

Fuerte temporal --------------------------------------------------------------------------------------

21-25

41-48

25-29

48-56

Huracán -----------------------------------------------------------------------------------------------

29-34

56-65

>34

>65

Ya hemos visto algunos de los tipos de anemómetros existentes así como su capacidad de medición de la fuerza del viento. En esta tabla se puede ver  los valores  y que representan cada uno de ellos.

Construcción de un anemómetro.

Para la construcción de un anemómetro hemos de considerar algunos aspectos físicos para que nuestra construcción y posterior experimento salga de acuerdo a la teoría.

-         Momento de inercia.

Este punto es importante debido a que nuestro aparato tiene que girar en un eje central, con un plano horizontal constante y por supuesto con la menor masa posible. Es decir, nuestro aparato no se puede mover por sí mismo a menos que haya una fuerza horizontal sobre las palas o cazoletas que le haga moverse y por supuesto una vez que la fuerza cese nuestro aparato se tiene que parar. Es importante considerar que en todo el aparato y estructura no debe haber ninguna fuerza de rozamiento.

-         Freno.

Este elemento facilita 2 cosas: una, que el plano en el que gira el anemómetro sea constante y que cuando la fuerza ejercida sobre las palas desaparezca, este plano ya no es constante y por tanto el aparato se vaya frenando.

-         Perpendicularidad del flujo de viento.

Es fácil comprender que para que las mediciones sean aprobadas generales hemos de instaurar un criterio. Es criterio es que la fuerza ejercida sobre las palas ha de ser perpendicular, ya que si forma un cierto ángulo, la fuerza ejercida sobre las palas sería parcial.

-         Estabilidad del aparato.

Debido a la baja masa que tienen que tener estas aparatos, estos aparatos tienen que estar anclados debido a que están expuestos a fuerzas desplazantes. Por esto mismo las partes móviles del aparato tienen que estas bien sujetas y ancladas para que no entrañen ningún peligro si se separan de la estructura.

-         Precisión en la medición.

Lógicamente se puede generar un flujo de viento de muchas maneras, casi todas ellas basadas en la electricidad. La precisión en la medición de este flujo de viento viene determinado por el aparato de medición utilizado. En el experimento que llevo a cabo, utilizo un velocímetro, generalmente utilizado como velocímetro y cuentakilómetros en bicicletas.

-         Límite de medida.

Por supuesto este límite viene determinado por varios factores.

El primero es el que resiste el propio aparato para mantenerse estable y anclado.

El segundo es el que da el propio medidor de velocidad.

Y tercero es el que permite la seguridad. Como  hemos comentado antes todas las piezas ancladas a la estructura tiene que permanecer así. Ver por ejemplo cuando sopla una fuerza extrema, un huracán, muchos de los aparatos no pueden soportar dicha fuerza y se rompen aparte de que no quedan anclados desde ese momento.

Planos y diseño de construcción.

La siguiente construcción se ha basado en los diseños anteriormente expuestos pero con la peculiaridad de que las cazoletas son planas. Se ha elegido para la construcción madera de contrachapado por su baja densidad, haciendo así que la masa sea lo mas baja posible a la vez que da consistencia a la estructura.

Se han considerado elementos metálicos pulidos (arandelas) para eliminar el rozamiento entre componentes. Además se utilizan como estabilizador en la parte inferior de la pieza a) y como freno en la misma pieza en su parte superior.

En el aparato de medida se incorpora un sensor (imán con masa despreciable) en una de las palas para poder obtener los resultados.

a)      Esta figura tiene un diámetro de15cm. Se rebaja la masa de la figura con 4 orificios más 1 orificio central de 7mm de diámetro que determina el eje de rotación. b)      De esta figura se recortan 5 piezas (15cmx2cm), de las cuales 3 de ellas se destinan para el soporte del velocímetro y 2 para el apoyo del eje central. c)      Eje central (15 cmx2cm). d)      Palas (4 piezas: 4,5cm x 4,5cm) acopladas a la pieza a).