Un anemometro è uno strumento usato per misurare la velocità dei gas sia in un flusso contenuto, come il flusso d’aria in un condotto, o in flussi non confinati, come il vento atmosferico. Per determinare la velocità, un anemometro rileva il cambiamento di qualche proprietà fisica del fluido o l’effetto del fluido su un dispositivo meccanico inserito nel flusso.
L’anemometro a filo caldo è il tipo più popolare di anemometri a temperatura costante. Consiste in un elemento di filo sottile riscaldato elettricamente (0,00016 pollici di diametro e 0,05 pollici di lunghezza) sostenuto da aghi alle sue estremità. Mentre gli anemometri a filo caldo sono più adatti per gas puliti a basse velocità, i venturimetri possono anche essere considerati per alcune applicazioni di flusso di liquidi (compresi i fanghi).
Scopri di più sugli anemometri
A cosa servono gli anemometri?
Un anemometro può misurare la grandezza della velocità totale, la grandezza della velocità su un piano orizzontale, o la componente della velocità in una particolare direzione.
Tipi di anemometri
C’è una vasta gamma di modelli di anemometri per misurare direttamente la velocità del vento e dell’aria. I quattro modelli di anemometro più popolari sono: Anemometri a paletta, Anemometri termici, Anemometri termici con profilo di velocità/temperatura e Anemometri a coppa. Gli anemometri sono solitamente classificati come anemometri a temperatura costante o a potenza costante.
Gli anemometri a temperatura costante sono popolari per la loro risposta ad alta frequenza, il basso livello di rumore elettronico, l’immunità dal burnout del sensore quando il flusso d’aria scende improvvisamente, la compatibilità con i sensori hotfilm e la loro applicabilità ai flussi di liquidi o gas.
Gli anemometri a potenza costante non hanno un sistema di feedback. La temperatura è semplicemente proporzionale alla portata. Sono meno popolari perché la loro lettura del flusso zero non è stabile, la risposta della temperatura e della velocità è lenta, e la compensazione della temperatura è limitata.
Le applicazioni più comuni dell’anemometro
Un anemometro di solito misura flussi di gas che sono in condizioni di flusso turbolento. L’anemometro a palette, l’anemometro termico e l’anemometro a coppa (tipicamente utilizzato nelle stazioni meteorologiche) sono per lo più utilizzati per misurare la velocità media, mentre gli anemometri a filo caldo sono di solito utilizzati quando si misurano le caratteristiche di turbolenza, come le misure trasversali in una sezione trasversale. Il termine “anemometro termico” è spesso usato per indicare qualsiasi anemometro che utilizza una relazione tra il trasferimento di calore e la velocità per determinare la velocità.
ORIGINE DEGLI ANEMOMETRIIl termine anemometro deriva dalle parole greche anemos, “vento”, e metron, “misura”. Gli anemometri meccanici sono stati sviluppati per la prima volta nel XV secolo per misurare la velocità del vento.
Anemometri per stazioni meteorologiche
L’anemometro a coppa (usato nelle stazioni meteorologiche) misura la velocità in un piano perpendicolare all’asse delle sue coppe di rotazione. Se l’anemometro a coppa è montato con l’albero perpendicolare all’orizzontale, misurerà solo la componente del vento che è parallela al suolo. Altri anemometri, come gli anemometri a paletta, sono usati con la punta allineata al vettore di velocità totale. Prima di usare un anemometro, è importante determinare come deve essere posizionato e quale componente della velocità totale rappresenta la sua misura.
Scegliere il giusto anemometro
Anemometri a paletta
Le forme di anemometri a velocità meccanica rotante possono essere descritte come appartenenti alla classe delle palette o dell’elica. Con questo tipo di anemometro, l’asse di rotazione deve essere parallelo alla direzione del vento e quindi tipicamente orizzontale. In spazi aperti il vento varia in direzione e l’asse deve seguire i suoi cambiamenti. Nei casi in cui la direzione del moto dell’aria è sempre la stessa, come ad esempio nei pozzi di ventilazione delle miniere e degli edifici, vengono impiegate le palette del vento, note come misuratori d’aria, che danno i risultati più soddisfacenti. Gli anemometri a palette sono disponibili con funzioni aggiuntive come la misurazione della temperatura, dell’umidità e del punto di rugiada, la conversione volumetrica e la possibilità di registrare i dati.
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Anemometri termici
Gli anemometri termici utilizzano un filo molto sottile (dell’ordine di alcuni micrometri) o un elemento riscaldato a una temperatura superiore a quella ambiente. L’aria che ci passa sopra ha un effetto di raffreddamento. Poiché la resistenza elettrica della maggior parte dei metalli dipende dalla temperatura del metallo (il tungsteno è una scelta popolare per i fili caldi), si può ottenere una relazione tra la resistenza del filo e la velocità del flusso.
Esistono diversi modi per implementare questo, e i dispositivi a filo caldo possono essere ulteriormente classificati come CCA (Constant-Current Anemometer), CVA (Constant-Voltage Anemometer) e CTA (Constant-Temperature Anemometer). La tensione in uscita da questi anemometri è quindi il risultato di una sorta di circuito all’interno del dispositivo che cerca di mantenere costante la variabile specifica (corrente, tensione o temperatura). Inoltre, vengono utilizzati anche anemometri PWM (Pulse Width Modulation), in cui la velocità è dedotta dalla lunghezza temporale di un impulso ripetuto di corrente che porta il filo fino a una determinata resistenza e poi si ferma fino a quando una soglia di “pavimento” viene raggiunta, a quel punto l’impulso viene inviato di nuovo.
Gli anemometri a filo caldo, pur essendo estremamente delicati, hanno una risposta in frequenza estremamente alta e una risoluzione spaziale fine rispetto ad altri metodi di misura, e come tali sono quasi universalmente impiegati per lo studio dettagliato di flussi turbolenti, o qualsiasi flusso in cui le fluttuazioni di velocità rapida sono di interesse. Gli anemometri termici sono disponibili con funzioni aggiuntive come la misurazione della temperatura e la capacità di registrare i dati.
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Anemometri termici con profilatura della velocità/temperatura
I sistemi di profilatura anemometrica termica hanno il più piccolo sensore disponibile. I sensori misurano sia la velocità che la temperatura. Il sistema di registrazione dei dati a più punti permette all’utente di profilare le caratteristiche del flusso nell’applicazione e analizzare i dati graficamente. Sono comunemente usati nelle gallerie del vento per l’analisi dei circuiti e dei dissipatori di calore.
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Anemometri a tazza
Un tipo semplice di anemometro è l’anemometro a tazza. Consisteva in tre o quattro tazze emisferiche montate ciascuna su un’estremità di bracci orizzontali, che a loro volta erano montati ad angoli uguali tra loro su un albero verticale. Il flusso d’aria oltre le coppe in qualsiasi direzione orizzontale faceva girare le coppe in un modo che era proporzionale alla velocità del vento. Pertanto, il conteggio dei giri delle coppe in un periodo di tempo stabilito produceva la velocità media del vento per una vasta gamma di velocità. Su un anemometro con quattro tazze è facile vedere che, poiché le tazze sono disposte simmetricamente all’estremità dei bracci, il vento ha sempre la cavità di una tazza presentata ad essa e soffia sul retro della tazza all’estremità opposta della croce.
Quando Robinson progettò per la prima volta il suo anemometro, sostenne erroneamente che non importava quanto grandi fossero le coppe o quanto lunghi i bracci, le coppe si muovevano sempre con un terzo della velocità del vento. Questo fu apparentemente confermato da alcuni primi esperimenti indipendenti, ma era molto lontano dalla verità. Si scoprì in seguito che il rapporto effettivo tra la velocità del vento e quella delle tazze, chiamato fattore anemometrico, dipendeva dalle dimensioni delle tazze e dei bracci, e poteva avere un valore compreso tra due e poco più di tre. Ogni singolo esperimento che coinvolgeva un anemometro doveva essere rifatto da capo.
L’anemometro a tre coppe sviluppato dal canadese John Patterson nel 1926 e i successivi miglioramenti delle coppe da parte di Brevoort & Joiner degli Stati Uniti nel 1935 portarono a un design della ruota a coppe che era lineare e aveva un errore inferiore al 3% fino a 60 mph. Patterson trovò che ogni coppa produceva la coppia massima quando era a 45 gradi rispetto al flusso del vento. L’anemometro a tre tazze aveva anche una coppia più costante e rispondeva più rapidamente alle raffiche rispetto all’anemometro a quattro tazze.
L’anemometro a tre coppe fu ulteriormente modificato dall’australiano Derek Weston nel 1991 per misurare sia la direzione che la velocità del vento. Weston ha aggiunto una targhetta ad una coppa, che fa sì che la velocità della ruota della coppa aumenti e diminuisca quando la targhetta si muove alternativamente con e contro il vento. La direzione del vento è calcolata da questi cambiamenti ciclici nella velocità della ruota della coppa, mentre la velocità del vento è come al solito determinata dalla velocità media della ruota della coppa.
Tre anemometri a coppa sono attualmente utilizzati come standard industriale per gli studi di valutazione della risorsa vento. L’NRG Systems #40C è l’anemometro a coppa più comunemente usato per questo scopo. Per ragioni storiche, le dimensioni dell’anemometro sono misurate in corvi.
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Domande frequenti
Anemometro a filo caldo o a palette?
A volte chiamati misuratori della velocità del vento o dell’aria, gli anemometri sono generalmente classificati come a filo caldo o a palette. L’anemometro a filo caldo è il migliore per misurare accuratamente il flusso d’aria a velocità molto basse (ad esempio, sotto i 2000 ft/min). Alcuni modelli sono progettati per misurare velocità fino a 15.000 ft/min ma hanno ancora una capacità di misurazione molto accurata fino a velocità molto inferiori. L’anemometro a palette si basa su una girante rotante per rilevare la velocità dell’aria. Gli anemometri a palette sono la scelta migliore per misurare la velocità del vento. Molti hanno unità di misura selezionabili dall’utente: ft/min, m/s, MPH, km/h e nodi per soddisfare un’ampia varietà di applicazioni. Un termoanemometro è qualsiasi anemometro a filo caldo o a palette che ha la caratteristica aggiuntiva di misurare la temperatura dell’aria. Gli anemometri igrotermometrici includono le caratteristiche di un termo anemometro e di un sensore di umidità, fornendo al cliente informazioni ambientali complete. Un anemometro con registrazione dei dati è progettato per memorizzare le misurazioni per una successiva revisione. Alcuni scaricheranno le letture della velocità dell’aria registrate sul computer per la revisione, la creazione di grafici e ulteriori analisi.
Come usare gli anemometri nella traversata dei condotti d’aria?
Gli anemometri sono ampiamente utilizzati per il bilanciamento dei condotti d’aria. Questo viene realizzato posizionando più anemometri in una sezione trasversale del condotto o del tubo del gas e registrando manualmente le letture della velocità in numerosi punti. La portata massica si ottiene calcolando la velocità media e moltiplicandola per la densità e per la misura della sezione trasversale del condotto. Per i condotti cilindrici, il metodo log-lineare di attraversamento fornisce la massima precisione perché tiene conto degli effetti dell’attrito lungo le pareti del condotto. A causa del numero di misurazioni, l’attraversamento dei condotti d’aria è un compito che richiede tempo. Sono disponibili anemometri a microprocessore per automatizzare questa procedura.
A causa delle piccole dimensioni e della fragilità del filo, gli anemometri a filo caldo sono suscettibili all’accumulo di sporco e alla rottura. Una conseguenza positiva della loro piccola massa è la velocità di risposta. Sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni HVAC e di ventilazione. Anemometri più grandi e più robusti sono anche disponibili per applicazioni industriali più esigenti. Per assicurare la corretta formazione del profilo di velocità, una sezione di condotto rettilineo è di solito fornita a monte della stazione dell’anemometro (di solito 10 diametri di lunghezza). Un ugello di condizionamento è usato per eliminare gli effetti dello strato limite. Se non c’è spazio per la sezione di tubo dritto, un raddrizzatore di flusso a nido d’ape può essere incorporato nel gruppo del sensore.
FIGURA 5-12A: STAZIONE CIRCOLARE DI MISURA
FIGURA 5-12B: STAZIONE RETTANGOLARE DI MISURA
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