Anemometro

Mecánica de los Fluidos
Primer cuatrimestre 2018
Proyecto final
Tema: Anemómetro
Integrantes: Zalez Juan
Villagra Leandro
INTRODUCCION
Elegimos para el desarrollo de nuestro proyecto un anemómetro, ya que es
un instrumento de medición de una variable muy importante en el estudio de
los fluidos, como lo es la velocidad del viento. El principio de funcionamiento
de los anemómetros es muy variable y depende del uso que se le dé .El
principio de funcionamiento de nuestro anemómetro nos pareció muy
interesante y fácil de desarrollar.
A lo largo de este informe vamos a describir el marco teórico alrededor de
los distintos tipos de anemómetros, el proceso constructivo con el cual
desarrollamos el anemómetro, el proceso de calibración y ajuste, el cálculo
de los errores, y las conclusiones que nos dejó el proyecto.
MARCO TEORICO
Un anemómetro es un aparato destinado a medir la velocidad relativa del
viento que incide sobre él. Si el anemómetro está fijo colocado en tierra,
entonces medirá la velocidad del viento reinante, pero si está colocado en un
objeto en movimiento, puede servir para apreciar la velocidad de
movimiento relativo del objeto con respecto el viento en calma.
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.
Tipos de anemómetros:
1) Anemómetro de empuje: están formados por una esfera hueca y ligera o
una pala, cuya posición respecto a un punto de suspensión varía con la fuerza
del viento, lo cual se mide en un cuadrante.
2) Anemómetro de rotación o de copelas: está dotado de cazoletas
(Robinson) o hélices unidas a un eje central cuyo giro, proporcional a la
velocidad del viento, es registrado convenientemente, en los anemómetros
magnéticos, dicho giro activa un diminuto generador eléctrico que facilita
una medida precisa.
3) Anemómetro de compresión: se basa en el tubo de Pitot y está formado
por dos pequeños tubos, uno de ellos con orificio frontal (que mide la presión
dinámica) y lateral (que mide la presión estática,) y el otro sólo con un orifico
lateral .La diferencia entre las presiones medidas permite determinar la
velocidad del viento.
4) Anemómetro de hilo caliente: Un anemómetro térmico normal mide la
velocidad del fluido detectando los cambios en la transferencia de calor
mediante un pequeño sensor calefactado eléctricamente (un hilo o una
película delgada) expuesto al fluido bajo estudio. El sensor calefactado es
mantenido a una temperatura constante usando u circuito de control
electrónico. El efecto de enfriamiento resultante del paso del fluido a través
del sensor se compensa aumentado el voltaje del sensor.
La anemometría por hilo caliente es ideal para la medida de velocidades en
fluidos puros (gases, y líquidos) de temperatura uniforme.
Su alto rango dinámico permite la medición de fenómenos turbulentos con
una alta precisión hasta frecuencias muy altas. La técnica de hilo caliente es
una medición invasiva, aunque sólo implique el emplazamiento de una
pequeña sonda en el fluido de interés.
5) Anemómetro sónico: Este tipo de anemómetros se basa en que la
velocidad de propagación del sonido depende de la velocidad del viento. Lo
que se mide en este caso es el tiempo que demora una señal de sonido en
atravesar una distancia conocida (normalmente unos 20 cm). Este intervalo
es tiempo está relacionado con la velocidad del viento en la dirección entre el
emisor y el receptor. Mediante una medición similar, realizada en una
dirección perpendicular a la anterior, se puede calcular la velocidad total del
viento y su dirección. Este instrumento es considerablemente más caro que
el anemómetro de copela, pero tiene una mayor precisión y no requiere
mantenimiento mecánico (no hay piezas en movimiento). Sin embargo tiene
problemas para medir el viento cuando se registra precipitación (lluvia o
nieve).
PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO
Materiales utilizados:
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Batería de 9v
Arduino Uno
Switch on/off
Protoboar 400 puntos
Display lcd 16x2
Potenciómetro de 10k
Una base de madera
Tubo de PVC de una pulgada
Motor CC
3 tapitas
3 palitos de madera
La fuerza con la que el viento gira las aspas del motor de nuestro
instrumento genera una salida de tensión proporcional a dicha fuerza, esta
señal de tensión es tomada y procesada por la placa arduino y traducida a un
display para lectura directa de la velocidad del viento.
En primera instancia íbamos utilizar un cooler de computadora, pero nos
arrojaba medidas imprecisas y nos dimos cuenta de que el cooler tenía una
impedancia de entrada muy elevada aproximadamente 2000 ohm, por lo cual
decidimos construirlo con un motor que posee una impedancia mucha menor
y con el cual las mediciones se estabilizaron.
Una vez que decidimos el motor que usaríamos, armamos el circuito
electrónico del instrumento con ayuda de tutoriales de YouTube. Lo siguiente
fue colocar todos los componentes en una estructura sólida.
Calibracion
Para realizar la calibración de nuestro instrumento, tomamos como
patrón un anemómetro de hilo caliente marca TSi Velocicalc modelo 8345,
el cual había sido calibrado en marzo de este año, este instrumento tiene
un alcance de 30m/s y posee una exactitud de 0.015m/s, este es un
instrumento de mucha precisión cuya variación de lectura se produce
cada 200 mili segundos.
Realizamos cuatro mediciones utilizando un secador de pelo para variar la
velocidad del flujo de aire, tomando tres mediciones por cada velocidad,
vamos a tomar como referencia la salida de tensión que nos genera el
motor al ser sometido a las distintas velocidades para luego poder
programar la plaqueta para que los resultados sean lo más precisos
posibles, en las mediciones obtuvimos los siguientes datos
A partir de estos datos buscamos cual es la recta que mejor se aproxima
a estos valores a partir del método de los cuadrados mínimos para
obtener una expresión del tipo
Y=mx+b
∑𝑦∑𝑥
𝑛
𝑚=
(∑ 𝑥)2
∑ 𝑥2 −
𝑛
∑ 𝑥𝑦 −
𝑏=
∑𝑦
∑𝑥
−𝑚
𝑛
𝑛
Donde y está representado por la salida de tensión y el x por la velocidad
Obtuvimos que la recta mejor aproximada es:
𝑦 = 30.3𝑥 + 2.45
En la siguiente grafica se encuentran los puntos y la recta obtenida
anteriormente:
Con la pendiente obtenida programaremos la plaqueta Arduino para que los
valores mostrados en la pantalla sean lo más precisos posibles
Errores
Para obtener el error máximo realizamos nuevamente la contrastación, este
valor nos va a servir para calcular la clase del instrumento mediante la
formula
𝐸𝑚𝑎𝑥 =
𝑐. 𝑎
100
Siendo c la clase del instrumento y a el alcance del mismo.
El error máximo lo obtuvimos en la medición de 10m/s, este fue de 1,50m/s,
a partir de la formula determinamos que este es de clase y habiendo
establecido un alcance de 20m/s
𝑐 = 7.5
Siendo este un instrumento de medición industrial.
El error de apreciación estará dado por el digito menos significativo del
display del equipo
𝐸𝑎𝑝 = 0.01
𝑚
𝑠
Dado que el error máximo podemos calcular la exactitud del instrumento a
partir de la siguiente formula:
∆𝑋 =
𝑉𝑚 − 𝑉𝑣
𝑉𝑣
Siendo Vv el valor verdadero o real de medición el cual fue de 10m/s y el Vm
el valor obtenido de nuestro instrumento el cual fue de 8,5m/s.
∆𝑋 = ±15%