CECE – CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS

ENGENHARIA MECÂNICA

DISCIPLINA EXPERIMENTOS FLUIDOS MECÂNICOS

DOCENTE THIAGO ANTONINI ALVES

SENSORES DE VELOCIDADE

ANEMÔMETRO

LEORNADO CRISTOFOLI SILVA

PROF: THIAGO ANTONINI ALVES

EXPERIMENTOS FLUIDOS MECÂNICOS

NOVEMBRO / 2010

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO

Na física, velocidade relaciona a variação da posição no espaço em relação ao tempo, ou seja, qual a distância percorrida por um corpo num determinado intervalo de tempo. É uma grandeza vetorial, possuindo direção, sentido e módulo, esse último chamado de rapidez e de dimensões [L][T]-1, sendo medida no SI em metros por segundo (m/s ou ms-1).

A expressão da velocidade instantânea é dada a seguir,

Onde v é a velocidade instantânea, ds/dt é a derivada do espaço em relação ao tempo.

Um anemômetro consiste num instrumento para medir a velocidade de fluidos em movimento. Geralmente possui uma pá, hélice ou ainda aerofólios para indicar a direção do escoamento do fluido. Os seus movimentos são transmitidos por meios mecânicos ou elétricos a mostradores ou a registradores, que indicam velocidade do fluido.

O teorema de Bernoulli foi estabelecido pelo próprio em 1738 e relaciona as energias potenciais e cinéticas de um fluido ideal, ou seja, sem viscosidade e incompressível. Através desse teorema pode-se concluir que para um fluido perfeito, toda forma de energia pode ser transformada em outra, permanecendo constante sua somatória ao longo de uma linha de corrente. Assim sua equação representativa é:

P1 + ½ ρ . V21 + ρ . g . h1 = P2 + ½ ρ . V22 + ρg . h2 = cte

O Número de Mach (M) é uma medida de velocidade relativa que se define como o cociente entre a velocidade dum objeto e a velocidade do som no meio em que se move o dito objeto. É um número adimensional tipicamente usado para conferir a compressibilidade de um fluido, se M < 0,3 o fluido é tido incompressível.

(1.1) UNIDADES DE VELOCIDADE

(2.0) ANEMÔMETRO

Bem como explicado na introdução os anemômetros são instrumentos para medir a velocidade de escoamento de um fluido.

(2.1) TERMOS IMPORTANTES

  • Constante de distância: distância que o fluido percorre no anemômetro para responder à mudança do estágio inicial para o final;

  • Limiar ou valor de entrada (Threshold): é a velocidade para o começo da operação do instrumento;

  • Força exercida pelo vento ou pressão: base para a mensuração da velocidade do fluido;

(2.2) PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Basicamente dependem da energia cinética do fluido, onde esta pode pressionar os hemisférios dos copos, ou pressionar as hélices, que giram um eixo, este movimento gera correntes induzidas nas espiras, devido à lei de Lenz, um circuito converte o valor desta corrente em valores mensurados.

Também há outras maneiras, uma ocorre nos anemômetros sônicos, onde mede-se o tempo de resposta de sensores, como o vento ( por exemplo) se movimenta, os sensores apresentarão tempos de resposta diferentes.

Para anemômetros de fio quente, o movimento dos fluidos retira calor do fio por convecção, este tanto de calor resfriado altera a resistência elétrica do fio, desta maneira pode-se medir a velocidade do fluido.

(2.3) CLASSIFICAÇÃO DOS ANEMÔMETROS

  • Quanto à pressão dinâmica do vento: limitados na variedade. São os tubos de Pressão ;

  • Quanto à velocidade e a freqüência de uma pressão pulsante: anemômetros do tipo vortex trail, sônico e acústico (Doppler);

  • Quanto à força total numa superfície: são os anemômetros de caneco (ou copo) e de hélice (são os mais utilizados).

(3.0) TIPOS DE ANEMÔMETROS

A seleção do tipo de instrumento a utilizar deve ter em conta a várias características de cada um, de modo a que o instrumento escolhido possa responder ao tipo de medição que se pretende.

(3.1) TIPO CANECO OU COPO

Consiste de um instrumento com três ou quatro pequenos hemisférios ocos, de forma que eles apanham a energia cinética do fluido e giram em torno de uma haste vertical.

Um dispositivo elétrico registra as revoluções dos copos e calcula a velocidade do vento.

O anemômetro tipo caneco se caracteriza pela:

  • Simplicidade e sensibilidade;

  • A velocidade de rotação é em função da velocidade do fluido;

  • A rotação das hélices do anemômetro: fluxo magnético no interior do gerador magnético;

  • Surge uma tensão elétrica induzida que pode ser lida por um voltímetro;

  • O valor quadrático médio da tensão induzida no anemômetro pode ser utilizado para determinar a velocidade do vento escoando através da hélice, desde que tenha sido feita uma calibração prévia do aparelho;

  • O plano de rotação de uma hélice é posicionado perpendicular ao fluido.

Figura - anemômetro tipo caneco ou copo

(3.2) ANEMOMETROS TIPO HÉLICE

O anemômetro tipo hélice é muito parecido com o tipo copo diferenciando a forma de captar a energia do fluido que ao invés de hemisférios ele utiliza hélices para isso e a direção do eixo que muda de radial (para o anemômetro de copo) para axial para o de hélice, as outras características são idênticas.

Figura – anemômetro tipo hélice analógico

Figura - anemômetro tipo hélice digital

(3.3) ANEMÔMETRO TIPO SÔNICO

Um anemômetro sônico determina a velocidade instantânea do fluido e turbulência, medindo a quantidade de ondas sonoras que viajam entre um par de transdutores. As ondas sonoras são acelerados ou retardados pelo efeito do escoamento. The sonic anemometer was invented by geologist Dr. Andreas Pflitsch in 1994. O anemômetro sônico foi inventado pelo geólogo Dr. Andreas Pflitsch em 1994.

Resumindo, velocidade do som varia segundo temperatura do ar, pressão do vapor d água e pressão atmosférica. Três conjuntos de emissores e receptores nas direções x, y e z determinam as componentes ortogonais da velocidade do fluido simultaneamente.

Figura – anemômetro tipo sônico

(3.4) ANEMÔMETRO TIPO FIO QUENTE

Hot wire anemometers use a very fine wire (on the order of several micrometres) electrically heated up to some temperature above the ambient. Anemômetros de fio quente usam um fio muito fino (da ordem de vários micrometros) aquecido eletricamente até uma temperatura acima do ambiente. Fluido escoandoAir flowing past the wire has a cooling effect on the wire. pelo fio tem um efeito de resfriamento sobre o fio (convecção).As the electrical resistance of most metals is dependent upon the temperature of the metal ( is a popular choice for hot-wires), a relationship can be obtained between the resistance of the wire and the flow speed.

Como a resistência elétrica da maioria dos metais é dependente da temperatura do metal, uma relação pode ser obtida entre a resistência do fio e da velocidade do fluxo.

Several ways of implementing this exist, and hot-wire devices can be further classified as CCA (Constant-Current Anemometer), CVA (Constant-Voltage Anemometer) and CTA (Constant-Temperature Anemometer). Diversas formas de aplicação do fio quente, eles podem ser classificada como:

  • CCA - Anemômetro de corrente constante;

  • AVC - Anemômetro de tensão constante;

  • CTA - A temperatura constante no anemômetro. The voltage output from these anemometers is thus the result of some sort of circuit within the device trying to maintain the specific variable (current, voltage or temperature) constant.

A tensão de saída destes anemômetros é, portanto, o resultado de algum tipo de circuito no interior do dispositivo tentando manter a variável específica (corrente, tensão ou temperatura) constante.

Figura – anemômetro de fio quente

Figura – o fio quente (geralmente de Tungstênio)

Hot-wire anemometers, while extremely delicate, have extremely high frequency-response and fine spatial resolution compared to other measurement methods, and as such are almost universally employed for the detailed study of turbulent flows, or any flow in which rapid velocity fluctuations are of interest. Anemômetros de fio-quente, embora extremamente delicados, tem alta freqüência de resposta e resolução espacial fina em comparação com outros métodos de medição, e como tal são quase universalmente utilizado para o estudo detalhado dos fluxos turbulentos, ou qualquer fluxo em que as oscilações são de rápida velocidade.

CONCLUSÃO

Os anemômetros estão presentes hoje graças há uma invenção muito antiga, os moinhos, quando descobriram as leis de fluxo magnético descobriram que era possível medir a velocidade do vento através dessa propriedade.

Hoje existem anemômetros dos mais diversos modos para as mais diversas aplicações, e muito mais avançados do que os primeiros apresentados, também despojamos de alto grau de sensibilidade, existem anemômetros de bolso, enfim, para o que precisar, há um censor ótimo para seu uso. No entanto não nos surpreenderíamos se inventassem algo novo e muito melhor, até mesmo porque, devemos o avanço da nossa tecnologia de hoje a tecnologia de ontem, então ainda podemos evoluir os nossos sensores.

REFERÊNCIAS

  • DINES, William Henry. Anemometer. 1911 Enciclopédia Britânica.

  • MIDDLETON,W.E. Knowles; SPILHAUS, Athelstan F. Meteorological Instruments, Third Edition revised, University of Toronto Press, Toronto, 1953

  • MIDDLETON W.E. Knowles Invention of the Meteorological Instruments, , The Johns Hopkins Press, Baltimore, 1969

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