Un anémomètre est un instrument utilisé pour mesurer la vitesse ou la vélocité des gaz, soit dans un flux confiné, comme le flux d’air dans un conduit, soit dans des flux non confinés, comme le vent atmosphérique. Pour déterminer la vitesse, un anémomètre détecte le changement de certaines propriétés physiques du fluide ou l’effet du fluide sur un dispositif mécanique inséré dans l’écoulement.
L’anémomètre à fil chaud est le type le plus populaire d’anémomètres à température constante. Il se compose d’un élément en fil fin (0,00016 pouce de diamètre et 0,05 pouce de long) chauffé électriquement et soutenu par des aiguilles à ses extrémités. Si les anémomètres à fil chaud sont les mieux adaptés aux gaz propres à faible vitesse, les venturis peuvent également être envisagés pour certaines applications de débit de liquides (y compris les boues).
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À quoi servent les anémomètres ?
Un anémomètre peut mesurer la magnitude totale de la vitesse, la magnitude de la vitesse sur un plan horizontal ou la composante de la vitesse dans une direction particulière.
Types d’anémomètres
Il existe une large gamme de modèles d’anémomètres pour mesurer directement la vitesse du vent et de l’air. Les quatre modèles d’anémomètres les plus populaires sont : Anémomètres à girouette, anémomètres thermiques, anémomètres thermiques avec profilage de la vitesse/température et anémomètres à coupelle. Les anémomètres sont généralement classés en anémomètres à température constante, ou en anémomètres à puissance constante.
Les anémomètres à température constante sont populaires en raison de leur réponse à haute fréquence, de leur faible niveau de bruit électronique, de leur immunité contre le grillage du capteur lorsque le débit d’air chute soudainement, de leur compatibilité avec les capteurs à film chaud et de leur applicabilité aux flux de liquide ou de gaz.
Les anémomètres à puissance constante n’ont pas de système de rétroaction. La température est simplement proportionnelle au débit. Ils sont moins populaires car leur lecture du débit nul n’est pas stable, la réponse de la température et de la vitesse est lente, et la compensation de la température est limitée.
Les applications les plus courantes des anémomètres
Un anémomètre mesure généralement les flux de gaz qui sont dans des conditions d’écoulement turbulent. L’anémomètre à palette, l’anémomètre thermique et l’anémomètre à coupelle (généralement utilisés dans les stations météorologiques) sont surtout utilisés pour mesurer la vitesse moyenne, tandis que les anémomètres à fil chaud sont généralement utilisés lorsque les caractéristiques de turbulence sont mesurées, comme les mesures transversales dans une section transversale. Le terme « anémomètre thermique » est souvent utilisé pour désigner tout anémomètre qui utilise une relation entre le transfert de chaleur et la vitesse pour déterminer la vitesse.
HISTOIRE D’ORIGINE DES ANEMOMETRESLe terme anémomètre est dérivé des mots grecs anemos, « vent », et metron, « mesure ». Les anémomètres mécaniques ont été développés dès le 15e siècle pour mesurer la vitesse du vent.Anemomètres pour les stations météo
L’anémomètre à coupelles (utilisé dans les stations météo) mesure la vitesse dans un plan perpendiculaire à l’axe de ses coupelles de rotation. Si l’anémomètre à coupelles est monté avec l’axe perpendiculaire à l’horizontale, il ne mesurera que la composante du vent qui est parallèle au sol. D’autres anémomètres, comme les anémomètres à girouette, sont utilisés avec la pointe alignée avec le vecteur vitesse totale. Avant d’utiliser un anémomètre, il est important de déterminer comment il doit être positionné et quelle composante de la vitesse totale sa mesure représente.
Choisir le bon anémomètre
. Anémomètres à girouette
Les formes d’anémomètres mécaniques rotatifs de vitesse peuvent être décrites comme appartenant à la classe des girouettes ou des hélices. Avec ce style d’anémomètre, l’axe de rotation doit être parallèle à la direction du vent et donc typiquement horizontal. Dans les espaces ouverts, la direction du vent varie et l’axe doit suivre ses changements. Dans les cas où la direction du mouvement de l’air est toujours la même, comme dans les puits de ventilation des mines et des bâtiments par exemple, des girouettes, connues sous le nom de compteurs d’air, sont utilisées et donnent des résultats très satisfaisants. Les anémomètres à girouette sont disponibles avec des fonctions supplémentaires telles que la mesure de la température, de l’humidité et du point de rosée, la conversion volumétrique et la possibilité d’enregistrer des données.
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Anémomètres thermiques
Les anémomètres thermiques utilisent un fil très fin (de l’ordre de plusieurs micromètres) ou un élément chauffé à une certaine température supérieure à la température ambiante. L’air qui passe au-dessus a un effet de refroidissement. Comme la résistance électrique de la plupart des métaux dépend de la température du métal (le tungstène est un choix populaire pour les fils chauds), une relation peut être obtenue entre la résistance du fil et la vitesse d’écoulement.
Plusieurs façons de mettre en œuvre cette relation existent, et les dispositifs à fil chaud peuvent être classés en trois catégories : CCA (anémomètre à courant constant), CVA (anémomètre à tension constante) et CTA (anémomètre à température constante). La tension de sortie de ces anémomètres est donc le résultat d’une sorte de circuit à l’intérieur du dispositif qui essaie de maintenir la variable spécifique (courant, tension ou température) constante. En outre, les anémomètres PWM (Pulse Width Modulation) sont également utilisés, dans lesquels la vitesse est déduite par la durée d’une impulsion de courant répétée qui amène le fil jusqu’à une résistance spécifiée, puis s’arrête jusqu’à ce qu’un seuil « plancher » soit atteint, moment auquel l’impulsion est envoyée à nouveau.
Les anémomètres à fil chaud, bien qu’extrêmement délicats, ont une réponse en fréquence extrêmement élevée et une résolution spatiale fine par rapport à d’autres méthodes de mesure, et en tant que tels sont presque universellement employés pour l’étude détaillée des écoulements turbulents, ou tout écoulement dans lequel les fluctuations rapides de vitesse sont intéressantes. Les anémomètres thermiques sont disponibles avec des fonctions supplémentaires telles que la mesure de la température, la capacité d’enregistrement des données.
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Anémomètres thermiques avec profilage de la vitesse/température
Les systèmes de profilage des anémomètres thermiques possèdent le plus petit capteur disponible. Les capteurs mesurent à la fois la vitesse et la température. Le système d’enregistrement des données en plusieurs points permet à l’utilisateur de profiler les caractéristiques de l’écoulement dans l’application et d’analyser les données graphiquement. Ils sont couramment utilisés dans les souffleries pour l’analyse des circuits imprimés et des dissipateurs thermiques.
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Anémomètre à coupelle
Un type d’anémomètre simple est l’anémomètre à coupelle. Il se composait de trois ou quatre coupelles hémisphériques montées chacune à une extrémité de bras horizontaux, eux-mêmes montés à angle égal les uns par rapport aux autres sur un arbre vertical. Le flux d’air passant devant les coupelles dans n’importe quelle direction horizontale faisait tourner les coupelles d’une manière proportionnelle à la vitesse du vent. Par conséquent, en comptant le nombre de rotations des coupelles sur une période donnée, on obtient la vitesse moyenne du vent pour une large gamme de vitesses. Sur un anémomètre à quatre coupes, il est facile de voir que, puisque les coupes sont disposées symétriquement à l’extrémité des bras, le vent a toujours le creux d’une coupe présenté à lui et souffle sur le dos de la coupe à l’extrémité opposée de la croix.
Lorsque Robinson a conçu son anémomètre, il a prétendu à tort que, quelle que soit la taille des coupes ou la longueur des bras, les coupes se déplaçaient toujours avec un tiers de la vitesse du vent. Cette affirmation a apparemment été confirmée par quelques premières expériences indépendantes, mais elle était très loin de la vérité. On a découvert par la suite que la relation réelle entre la vitesse du vent et celle des coupes, appelée facteur anémométrique, dépendait des dimensions des coupes et des bras, et pouvait avoir une valeur comprise entre deux et un peu plus de trois. Chaque expérience impliquant un anémomètre devait être recommencée.
L’anémomètre à trois coupelles développé par le Canadien John Patterson en 1926 et les améliorations ultérieures des coupelles par Brevoort & Joiner des États-Unis en 1935 ont conduit à une conception de roue à coupelles qui était linéaire et avait une erreur de moins de 3% jusqu’à 60 mph. Patterson a constaté que chaque coupelle produisait un couple maximal lorsqu’elle était à 45 degrés par rapport au flux du vent. L’anémomètre à trois coupelles avait également un couple plus constant et répondait plus rapidement aux rafales que l’anémomètre à quatre coupelles.
L’anémomètre à trois coupelles a encore été modifié par l’Australien Derek Weston en 1991 pour mesurer à la fois la direction et la vitesse du vent. Weston a ajouté une étiquette à une tasse, ce qui fait que la vitesse de la roue de la tasse augmente et diminue lorsque l’étiquette se déplace alternativement avec et contre le vent. La direction du vent est calculée à partir de ces changements cycliques de la vitesse de la roue de la tasse, tandis que la vitesse du vent est comme d’habitude déterminée à partir de la vitesse moyenne de la roue de la tasse.
Trois anémomètres à coupelle sont actuellement utilisés comme norme industrielle pour les études d’évaluation des ressources en vent. Le NRG Systems #40C est l’anémomètre à coupelle le plus couramment utilisé à cette fin. Pour des raisons historiques, les tailles des anémomètres sont mesurées en corbeaux.
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Questions fréquemment posées
Anémomètre à fil chaud ou à girouette ?
Parfois appelés anémomètres à vitesse de vent ou à vitesse d’air, les anémomètres sont généralement classés en fil chaud ou en girouette. L’anémomètre à fil chaud est le meilleur pour mesurer avec précision le débit d’air à des vitesses très faibles (par exemple, moins de 2000 ft/min). Certains modèles sont conçus pour mesurer des vitesses allant jusqu’à 15 000 pieds/minute, tout en ayant une capacité de mesure très précise jusqu’à des vitesses beaucoup plus faibles. L’anémomètre à palettes repose sur une roue en rotation pour détecter la vitesse de l’air. Les anémomètres à girouette sont le meilleur choix pour mesurer la vitesse du vent. De nombreux anémomètres à girouette ont des unités de mesure sélectionnables par l’utilisateur : ft/min, m/s, MPH, km/h et nœuds pour s’adapter à une grande variété d’applications. Un thermoanémomètre est un anémomètre à fil chaud ou à girouette doté de la fonction supplémentaire de mesure de la température de l’air. Les anémomètres hygro-thermométriques combinent les caractéristiques d’un thermo-anémomètre et d’un capteur d’humidité, ce qui permet au client d’obtenir des informations complètes sur l’environnement. Un anémomètre à enregistrement de données est conçu pour stocker les mesures afin de les examiner ultérieurement. Certains téléchargeront les lectures de vitesse d’air enregistrées sur votre ordinateur pour les examiner, les représenter sous forme de graphiques et les analyser plus en détail.
Comment utiliser les anémomètres dans la traversée des conduits d’air ?
Les anémomètres sont largement utilisés pour l’équilibrage des conduits d’air. Pour ce faire, on place plusieurs anémomètres dans une section transversale du conduit ou de la conduite de gaz et on enregistre manuellement les lectures de vitesse en de nombreux points. Le débit massique est obtenu en calculant la vitesse moyenne et en la multipliant par la densité et par la mesure de la section transversale du conduit. Pour les conduits cylindriques, la méthode log-linéaire de traversée offre la plus grande précision car elle prend en compte les effets de la friction le long des parois du conduit. En raison du nombre de mesures, la traversée d’un conduit d’air est une tâche qui prend beaucoup de temps. Des anémomètres à microprocesseur sont disponibles pour automatiser cette procédure.
En raison de la petite taille et de la fragilité du fil, les anémomètres à fil chaud sont sensibles à l’accumulation de saletés et à la casse. Une conséquence positive de leur petite masse est la rapidité de réponse. Ils sont largement utilisés dans les applications de CVC et de ventilation. Des anémomètres plus grands et plus robustes sont également disponibles pour des applications industrielles plus exigeantes. Pour assurer la bonne formation du profil de vitesse, une section de conduit droite est généralement prévue en amont de la station anémométrique (généralement 10 diamètres de long). Une buse de conditionnement est utilisée pour éliminer les effets de la couche limite. S’il n’y a pas de place pour la section de conduite droite, un redresseur d’écoulement en nid d’abeille peut être incorporé dans l’ensemble du capteur.
FIGURE 5-12A : STATION DE MESURE CIRCULAIRE
FIGURE 5-12B : STATION DE MESURE RECTANGULAIRE
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