Introdução aos Anemômetros
Anemômetros são instrumentos que medem a velocidade em um fluxo controlado, como a vazão de ar em um duto, ou em fluxos impossíveis de controlar, como o vento atmosférico.
Eles detectam variações em certas propriedades físicas do fluido ou o efeito do fluido em um dispositivo mecânico inserido no fluxo para que possam determinar a velocidade.
Um anemômetro consegue medir a magnitude total da velocidade, a magnitude da velocidade em um plano ou o componente da velocidade em uma determinada direção.
Geralmente, os anemômetros medem os fluxos de gás em condições turbulentas de fluxo.
Anemômetros com lemes, térmicos e de conchas (típicos de estações meteorológicas) são utilizados sobretudo na medição da velocidade média, enquanto os anemômetros de fio quente são utilizados na medição das características da turbulência, tais como medições em cortes transversais (O termo "anemômetro térmico" é geralmente usado para todos os anemômetros que fazem uso da relação entre transferência de calor e velocidade para determinar a velocidade).
Os anemômetros de concha (utilizados em estações meteorológicas) medem a velocidade em um plano perpendicular ao eixo das conchas de rotação.
Quando o eixo dos anemômetros de concha é montado perpendicularmente à linha horizontal, apenas o componente do vento paralelo ao solo será medido.
Outros anemômetros, tais como anemômetros de hélices, são utilizados com a ponta alinhada ao vetor da velocidade total.
Antes de se utilizar um anemômetro, é importante determinar como ele deve ser posicionado e qual componente da velocidade total sua medição representa.
Às vezes chamado de medidores da velocidade do ar ou do vento, os anemômetros costumam ser classificados como de fio quente ou de hélices.
O anemômetro de fio quente é mais adequado para medir com precisão o fluxo de ar em velocidades muito baixas (por exemplo, abaixo de 2000 pés/min).
Alguns modelos são projetados para medir velocidades que chegam a 15.000 pés/min, mas podem medir velocidades bem mais baixas com muita precisão.
O anemômetro de hélices baseia-se em um rotor de giro para detectar a velocidade do ar.
Anemômetros de hélices são os mais recomendáveis para medir a velocidade do vento. Muitos permitem que o usuário escolha a unidade de medida: pé/min, m/s, MPH, km/h e nós, adaptando-se a uma ampla variedade de aplicações.
Um termoanemômetro é um anemômetro de hélices ou de fio quente que também mede a temperatura do ar. Além dos recursos do termoanemômetro, os anemômetros higrotermométricos também possuem um sensor de umidade, fornecendo ao cliente todas as informações sobre o ambiente.
Anemômetros com registradores de dados são projetados para armazenar medições, que são revisadas posteriormente.
Alguns fazem a transferência dos registros de leitura da velocidade do ar para o computador, para que sejam revisados, grafados e analisados mais profundamente.
Tipos de anemômetros
Anemômetros de hélices:
Podemos separar as formas dos anemômetros mecânicos de velocidade de giro como pertencente à classe das palhetas ou das hélices.
Com este tipo de anemômetro, o eixo de rotação deve ser paralelo à direção do vento e, portanto, geralmente horizontal. Ao ar livre, a direção do vento varia e o eixo precisa seguir tais alterações.
Nos casos onde o sentido do movimento do ar é sempre o mesmo, como os poços de ventilação de minas e edifícios, são utilizadas palhetas de vento, conhecidas como medidores de ar, que fornecem resultados mais satisfatórios.
Os anemômetros de hélices estão disponíveis com funções adicionais, tais como medições de temperatura, umidade e ponto de orvalho, conversão volumétrica e capacidade de registro de dados.
Termoanemômetros:
Os termoanemômetros utilizam um fio extremamente fino (na ordem de muitos micrômetros) ou um elemento aquecido a uma temperatura superior à do ambiente.
A vazão do ar tem um efeito de resfriamento. Como a resistência elétrica da maioria dos metais depende da temperatura do metal (o tungstênio é muito utilizado nos fios quentes), é possível obter uma relação entre a resistência do fio e a velocidade do fluxo.
Existem diversas maneiras para implementar esta relação, podendo os dispositivos de fios quente ser classificados como CCA (Anemômetro de Corrente Constante), CVA (Anemômetro de Tensão Constante) e CTA (Anemômetro de Temperatura Constante).
Desse modo, a saída de tensão desses anemômetros é o resultado de um circuito dentro do dispositivo que tenta manter uma variável específica (corrente, tensão ou temperatura) constante.
Além disso, anemômetros PWM (modulação por largura de pulso) também são utilizados, nos quais a velocidade é inferida pelo comprimento do pulso repetitivo da corrente que leva o fio até uma resistência determinada e, em seguida, para que seja alcançado um limiar "base", momento em que o pulso é enviado novamente.
Embora sejam extremamente delicados, os anemômetros de fio quente apresentam uma resposta de alta frequência e excelente resolução espacial quando comparados a outros métodos de medição e, como tal, são quase que universalmente usados no estudo detalhado de fluxos turbulentos ou qualquer outro fluxo onde seja preciso analisar flutuações de velocidade.
Os termoanemômetros estão disponíveis com mais funções, como medição de temperatura e capacidade de registro de dados.
Termo-anemômetros com análise de perfil de velocidade/temperatura:
Os sistemas de análise de perfil dos termo-anemômetros possuem os menores sensores disponíveis. Os sensores medem velocidade e temperatura.
O sistema de registro de dados multipontos permite que o usuário trace o perfil das características de fluxo na aplicação e analise os dados graficamente.
Eles costumar ser utilizados em túneis de vento, na análise de dissipadores de calor e nas placas de circuito.
Anemômetros de concha:
O anemômetro de concha é um modelo simples.
Ele consiste de três ou quatro conchas hemisféricas, cada qual montada em uma extremidade dos braços horizontais, os quais, por sua vez, são montados em ângulos iguais em um eixo vertical. A vazão de ar que passa pelas conchas em qualquer direção horizontal os vira de maneira proporcional à velocidade do vento.
Dessa forma, a velocidade média do vento de uma ampla variedade de velocidades é obtida pela contagem de voltas das conchas em um determinado período de tempo. Num anemômetro com quatro conchas, é fácil ver que, desde que as conchas estejam dispostas simetricamente na extremidade dos braços, a cavidade das conchas está sempre virada para o vento e soprando na traseira da concha, na extremidade oposta da cruz.
Quando Robinson projetou o primeiro anemômetro, estava equivocado ao afirmar que, independentemente do tamanho das conchas ou dos braços, as conchas deslocavam-se sempre a um terço da velocidade do vento.
Aparentemente, este dado foi confirmado por algumas das primeiras experiências independentes, apesar de estar longe da realidade.
Mais tarde, descobriu-se que a relação real entre a velocidade do vento e das conchas, chamada fator do anemômetro, dependia das dimensões das conchas e dos braços, podendo-se obter um valor entre dois e um pouco superior a três.
Todos os experimentos que envolviam anemômetros foram refeitos.
O anemômetro de três conchas desenvolvido pelo canadense John Patterson, em 1926, e as posteriores melhorias nas conchas feitas pelos norte-americanos Brevoort e Joiner, em 1935, conduziram ao projeto da concha em disco, que, por sua vez, era linear e cujo erro era inferior a 3% até 60 mph. Patterson descobriu que o torque máximo da concha era alcançado a 45 graus do fluxo de vento.
O torque do anemômetro de três conchas era maior e sua resposta a rajadas de vento era mais rápida que o de quatro conchas.
Posteriormente, o anemômetro de três conchas sofreu mais modificações pelo australiano Derek Weston, em 1991, para que medisse não apenas a direção, mas também a velocidade do vento.
Weston adicionou uma pastilha a uma das conchas, fazendo a velocidade do disco da concha aumentar e diminuir à medida que a pastilha alterna o deslocamento a favor e contra o vento.
A direção do vento é calculada a partir destas mudanças cíclicas na velocidade do disco da concha, ao passo que a velocidade do vento é determinada pela velocidade média do disco da concha, como de costume.
Atualmente, os anemômetros de três conchas são utilizados como o padrão industrial para estudos de avaliação da origem dos ventos.
O anemômetro de concha mais utilizado para este fim é o NRG Systems Nº 40C.
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