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Prctica No.1

Anemometra

Nombre: Reyes Guzmn Ivn

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Objetivo:

Conocer fcilmente diferentes instrumentos y mtodos usados para la medicin de la velocidad

del viento.

Equipo y material:

+ Anemmetro de copas. + Generador de viento. + Tubo Pitot. + Anemmetro diferencial. + Manmetro diferencial. + Carro soporte. + Anemmetro de turbina. + Carril de 50 cm. + Tobera de 150 mm.

Marco terico:

El anemmetro es un aparato meteorolgico que se usa para la prediccin del clima,

especficamente para medir la velocidad del viento. Asimismo es uno de los instrumentos de

vuelo bsico en el vuelo de aeronaves ms pesadas que el aire. Un anemmetro es un instrumento

que se usa para medir la velocidad del aire en ductos o, en el caso del anemmetro de copas, en

lugares abiertos, tambin para comparar lecturas.

El uso de cada tipo de anemmetro depende de la naturaleza del flujo de aire a medir, es decir,

para una condicin particular de viento existen diferentes tipos de anemmetros:

A. En aeronutica, para el control de la velocidad

de la aeronave se utiliza otro tipo

de anemmetro de concepcin y apariencia

diferente; su funcionamiento est basado en la

comparacin de la presin de impacto del aire

(presin dinmica) y la presin esttica. Este

anemmetro funciona basndose en una toma

combinada que se conoce como Tubo Pitot. El

tubo Pitot data del siglo XVIII, Lo invent el

ingeniero francs Henri Pitot en 1732. Lo

modific Henry Darcy, en 1858 y su principio se

basa en el hecho que la velocidad es

proporcional a la raz cuadrada de la presin diferencial (dinmica) obtenida.

El Pitot usado para medir velocidades, o tambin llamado Prandtl, en honor Ludwing

Prandtl, quien combin un tubo Pitot con un anillo piezmetro para obtener la presin

dinmica del flujo. La velocidad es obtenida matemticamente mediante la ecuacin que

resulta de la aplicacin del principio de Bernoulli para un flujo incompresible.

= 2

Donde (utilizando unidades del sistema internacional): : Presin dinmica en pascales : Densidad del fluido en kg/m3 (en el desarrollo de esta prctica es la densidad del aire) : Velocidad del fluido en m/s

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Al utilizar un tubo Pitot se debe corregir el valor de la presin dinmica (q) debido a que la toma de presin esttica detecta alteraciones en el flujo producidas por el vstago (error de vstago) y por la punta del tubo (error de punta). Se pueden determinar los cocientes Lv/D y Lp/D para que se obtengan los porcentajes de error en la presin dinmica debido al vstago y a la punta si se conocen las dimensiones del tubo utilizando las grficas 1.1 y 1.1b respectivamente. Cabe aclarar que en las grficas los errores se expresan como porcentaje para poder efectuar operaciones con estos valore se deben de dividir entre 100. El error total es igual a la suma del error de punta ms del error del vstago:

= ( + )

La presin dinmica que se lee en el manmetro se representar con La presin dinmica corregida se representar con y es igual a:

= + ()

= ( + ) ( + ) =es el factor de correccin de la presin dinmica

B. Anemmetro de turbina: Es un instrumento que detecta y

mide la velocidad del viento cuando se hace girar libremente a

una turbina. Gracias a un circuito electrnico se establece una

conversin analgica-digital entre las revoluciones de la

turbina y la velocidad del viento, cuyo resultado aparece en la

cartula. Las especificaciones del anemmetro de turbina que

se utiliza en la prctica son:

temperatura de operacin 0 a 50 (El fabricante no indica

correccin alguna por cambio en la temperatura).

C. Anemmetro diferencial: Como su nombre lo indica este instrumento

mide la velocidad del viento detectando diferencia de presiones,

indicndola en una escala mediante una aguja. Tal escala puede estar

graduada directamente en unidades de presin. El fabricante de este

instrumento indica que se debe corregir la velocidad leda en la escala

siempre que se tenga valores de presin atmosfrica diferente s de 29.9

pulgadas de Hg. (760mmHG) segn la frmula siguiente.

4

= + 0.01(29.92 ) En donde :

= .

.

= .

.

= .

D. El anemmetro de copas: Consiste en unas copas abiertas donde

impacta el aire en movimiento, provocando la rotacin de la flecha

sobre las cuales se encuentran montadas. La velocidad rotacional

de la flecha es proporcional a la velocidad del aire, lo cual se indica

con un medidor o se transmite en forma elctrica. El registro de la

velocidad se puede realizar en cartas de papel llamados

anemgrafos, pero actualmente poseen registros en memorias no

voltiles. La mayora tiene la salida analgica en tensin

proporcional a la velocidad. Para estos anemmetros es importante

la simetra, el momento de inercia y el torque de friccin en torno

del eje del giro, son claves para obtener un buen desempeo

meteorolgico.

Aunque este anemmetro apareci primero a mediados del siglo

XV, fue el trabajo de cuatro personas a lo largo de cuatro siglos lo

que dio como resultado la creacin de un dispositivo que todava se utiliza para rastrear

las tendencias climticas de hoy. Fue en 1450 que el primer anemmetro fue desarrollado.

Se le atribuye la creacin del dispositivo al artista italiano Leon Battista Alberti, quien

utiliz una placa que gira sobre un pndulo. Treinta aos despus de la invencin de

Alberti, Leonardo Da Vinci mejor el diseo bsico incluyendo una escala utilizada para

medir la velocidad del viento con mayor precisin. El cientfico ingls Robert Hooke a

menudo recibe el crdito por ser el inventor del primer anemmetro, aunque su diseo

del dispositivo no se desarroll hasta 1664. John Thomas Romney Robinson de Irlanda

reinvent el anemmetro en 1846, utilizando cuatro copas semiesfricas en lugar de

placas. Esta iteracin del dispositivo est en uso an hoy en da.

En el caso de un anemmetro de copas como el utilizado para la prctica (no digital), el

procedimiento para efectuar mediciones de la velocidad del viento es el siguiente:

Supongamos que la lectura inicial en la caratula del instrumento indica 693423:

Se coloca el anemmetro en el viento y se comienza a medir el tiempo de estancia en

dicho viento, que puede ser de unos minutos hasta unas horas. Para el ejemplo se

consideran que fueron 5 minutos, y al trmino de este lapso de tiempo la caratula del

anemmetro indic 693427, la diferencia es de 4, que multiplicado por 100 da 400 m, se

divide entre el tiempo y se obtiene la velocidad del viento.

=400

300= 1.33

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Desarrollo:

1.- Determinacin de las condiciones ambientales

a) Se deben tomar las lecturas de los aparatos en el laboratorio al iniciar y finalizar los

experimentos.

Iniciales Finales Promedio

Temperatura ambiente 19C 19 19

Presin baromtrica 575 mmHg 575 mmHg 575 mmHg

Humedad relativa 74% 74% 74%

b) Con los valores promedio se calcula la densidad del aire en el laboratorio.

=0.348444 (766.6) 0.74(0.00252 19 0.02582)

273.15 + 19= 0.9143

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2.- Utilizacin del tubo Pitot.

Las dimensiones del tubo a utilizar son: Lv=98 mm, Lp=15mm, y D=5mm.

98

5= 19.6 = 0.5

15

5= 3 = 0.6

= . ( + ) = .

b) Determinacin del factor de correccin para la escala de velocidades del manmetro

diferencial.

1.- Correccin por diferencia de densidad del aire (Pz) con respecto a las condiciones estndares

al nivel del mar.

La velocidad leda directamente del manmetro se debe corregir con la siguiente ecuacin:

=

Obtenindose as la velocidad corregida por diferencia de densidad representada por .

2.- Correccin por error en la presin dinmica.

Finalmente la velocidad anterior se debe de corregir por error en la presin dinmica debido al

error de punta y el error de vstago del tubo Pitot.

=( + )

c) Medicin de la velocidad del flujo libre a diversas distancias de la salida de una tobera de

150mm de dimetro utilizando un tubo Pitot

Distancia desde la salida de la tobera

(cm)

Vleida(m/s) Vcorr(m/s) Vreal(m/s)

0 12 13.89 13.1772

10 11.4 13.1956 12.5184

20 11 12.7326 12.0792

30 10.9 12.6168 11.9693

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Con los valores realizar una grfica de velocidad real vs distancia.

3.- Utilizacin del anemmetro de turbina.

Distancia desde la salida de la tobera (cm) Vleida(m/s)

0 13.5

10 12.5

20 11.8

30 11.4

Con los valores realizar una grfica de velocidad leda vs distancia.

11.8

12

12.2

12.4

12.6

12.8

13

13.2

13.4

0 5 10 15 20 25 30 35

Vre

al(m

/s)

Distancia (cm)

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

0 5 10 15 20 25 30 35

Vle

da(

m/s

)

Distancia (cm)

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4.- Utilizacin del anemmetro diferencial.

Distancia desde la entrada del

generador de viento (cm)

Vleida (ft/min)

Vcorr (ft/min)

Vcorr (m/s)

6.8 295 297.15 1.509522

7.8 275 277 1.40716

8.8 220 221.6 1.125728

9.8 180 181.31 0.921004

10.8 150 151.01 0.7671308

Con los valores realizar una grfica de velocidad corregida vs distancia.

5.- Utilizacin de anemmetro de copas.

Lectura inicial (LI) 696684 Tiempo transcurrido (s) 300

Lectura final (LF) 696690 Velocidad del viento (m/s) 2

(LF-LI)x100 600 Velocidad del viento (km/h) 7.2

6.- Cuestionario

1. Se tiene un tubo Pitot cuyos orificios de presin esttica se encuentran a 12.8 mm de la punta y

a 32 mm del eje del vstago. Al colocarlo en una corriente de aire del tubo Pitot registra una

presin dinmica igual a 12.05 pulgadas de agua. Si se tienen condiciones estndar a nivel del

mar, determinar el valor verdadero de la velocidad y de la presin dinmica en la corriente de aire.

El tubo Pitot tiene 4mm de dimetro.

= 2(0.306) 1.225

3= 0.7497

= (1 + ) = 0.7497( 1 + 0.0063) = 0.7544

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

6.8 7.8 8.8 9.8 10.8

Dis

tan

cia

(cm

)

Vcorr (m/s)

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2. Deducir la ecuacin para la correccin de la velocidad por diferencia de densidad (ecuacin

(3).

VNM = Vz*

y VNM=2qNM

Vz=2qz

Sustituyendo se tiene que:

2qNM=2qz* ; =NMz y sustituyendo en la ecuacin del inicio:

VNM= VzNMz

Donde VNM se traduce como velocidad corregida y Vz como velocidad leda.

3. Deducir la ecuacin para la correccin de la velocidad por error en la presin dinmica.

(ecuacin (4)).

Vreal= *Vcorregida

Si Vcorregida= 2qcorregida y Vreal= 2qreal

y tenemos que qreal=qcorregida*(1 + ET)

=qcorregida*(1 + ET)qcorregida=(1 + ET)

Por lo tanto:

Vreal=Vcorregida(1 + ET)

4. En la prctica se apreci que para un tubo Pitot se produce error en la determinacin de la

presin dinmica debido a la posicin de las tomas de presin esttica con respecto a la punta y

al vstago (error de punta y error de vstago). Mencione y explique dos factores ms que

producen error en el tubo Pitot:

Error de instrumento: Se seudnima as a cualquier tipo de error que pueda tener debido a la falta

de precisin en su construccin. En los aviones actuales este error es prcticamente cero.

Por la forma en que se ha calibrado el anemmetro, solo se corrige el efecto de compresibilidad

del aire a SL e ISA, la diferencia entre el efecto de compresibilidad real y el de calibracin se

conoce como correccin, tambin se utiliza el termino error de compresibilidad.

5. En un avin, la lectura del indicador de velocidad (IAS), es realmente la velocidad del avin?

Explique detalladamente que se debe efectuar para obtener la velocidad verdadera.

No es la velocidad real del avin.

IAS es la velocidad que lee directamente el anemmetro instalado en el avin.

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CAS es la velocidad calibrada, o sea, la velocidad despus de corregir los errores de posicin del

instrumento.

EAS Velocidad equivalente

En la prctica si los errores de instrumento y posicin son pequeos y si el nmero de mach es

bajo se puede suponer:

IAS=CAS=EAS

Si el mach es alto el EAS depende solo de la lectura del anemmetro y de altitud presin ()

TAS (velocidad verdadera)

TAS=EAS /

Es la velocidad de la aeronave con relacin al aire.

Por la ecuacin anterior vemos que si = 1 (SL e ISA) es TAS = EAS y que conforme la altitud

aumenta, disminuye y es menor que uno, por lo tanto siempre TAS ser mayor que la EAS

6. Explique el funcionamiento de dos anemmetros diferentes utilizados en esta prctica.

Anemmetro de rotacin:

El anemmetro de rotacin est dotado de cazoletas (Robinson) o hlices unidas a un eje central

cuyo giro, proporcional a la velocidad del viento, es registrado convenientemente; en los

anemmetros magnticos, dicho giro activa un diminuto generador elctrico que facilita una

medida precisa.

Anemmetros de empuje:

Los de empuje estn formados por una esfera hueca y ligera (Daloz) o una pala (Wild), cuya

posicin respecto a un punto de suspensin vara con la fuerza del viento, lo cual se mide en un

cuadrante.

Conclusin:

Es importante conocer el funcionamiento de los diferentes anemmetros para poder entender y

corregir las lecturas que estos entregan, pues su uso inapropiado y la ignorancia acerca de su

funcionamiento dan como resultad la obtencin de resultados errneos, que si bien en primera

instancia se puede creer que no de una magnitud muy alta, pueden generar errores e inclusive

accidente, adems de que se pudo apreciar la exactitud que cada aparato posee, lo que permitir

al estudiante, en el futuro, escoger el instrumento adecuado para realizar las mediciones en un

ensayo o bien en la prctica profesional.

Tambin podemos observar que gracias a estos diferentes instrumentos podemos medir la

velocidad del aire en cualquier instante, lo cual es muy til para medir fenmenos presentes en

una aeronave y fenmenos climatolgicos.