ES2348800T3 - Aparato de medicion de la velocidad y la direccion del viento. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de medición de la velocidad y la dirección del viento que incluye un sensor expuesto al viento (2), que produce unas señales eléctricas dependiendo de la velocidad y la dirección del viento (42, 43) y una unidad de cálculo electrónico adaptada para calcular la velocidad y la dirección del viento sobre la base de dichas señales, estando soportado dicho sensor expuesto al viento (2) por una base (8), y estando cubierto por una cubierta (9), estando globalmente sostenida dicha cubierta por dicha base (8), en el que una pluralidad de elementos de soporte (10) soportan dicha cubierta (9) en dicha base (8) alrededor de dicho sensor expuesto al viento (2), extendiéndose dichos elementos de soporte (10) desde dicha base hasta dicha cubierta, caracterizado porque dichos elementos de soporte (10) están dispuestos entre dicha base (8) y dicha cubierta (9) en una dirección diferente de la perpendicular entre la base (8) y la cubierta (9), preferentemente de una manera inclinada.
Description
Aparato de medición de la velocidad y la
dirección del viento.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de medición de la velocidad y la dirección del viento
que incluye un sensor expuesto al viento, que produce unas señales
eléctricas que dependen de la velocidad y la dirección del viento y
una unidad de cálculo electrónico adaptada para calcular la
velocidad y la dirección del viento sobre la base de dichas señales,
estando sostenido dicho sensor expuesto al viento por una base, que
presenta una primera orientación principal y que está cubierto por
una cubierta que tiene una segunda orientación principal, estando
globalmente sostenida dicha cubierta por dicha base, en el que una
pluralidad de elementos de soporte sostienen dicha cubierta en dicha
base alrededor de dicho sensor expuesto al viento, que se extienden
desde dicha base hasta dicha cubierta.
Los dispositivos de medición de la velocidad y
la dirección del viento son conocidos por ejemplo a partir de la
patente US nº 4.905.513, en la cual se describe un dispositivo que
comprende un cilindro de cerámica calentado, alrededor del cual
están instalados una pluralidad de sensores de temperatura, tal como
por ejemplo ocho, los cuales están expuestos al viento.
La superficie exterior del cilindro de cerámica
es enfriada por el viento y el efecto de refrigeración es diferente
en cada uno de los sensores de temperatura, de modo que la dirección
y también la velocidad del viento se pueden calcular sobre la base
de por ejemplo el sensor de temperatura que está más frío y sus dos
vecinos a la derecha y a la izquierda.
Otros tipos de dispositivos para la medición de
la velocidad y la dirección del viento conocidos comprenden uno, dos
o más cables calentados, los cuales están instalados en una
dirección perpendicular entre sí y los cuales son enfriados de modo
diferente por el viento, por lo que la diferencia del efecto de
refrigeración de los diferentes cables proporciona una indicación de
la dirección del viento y el efecto de refrigeración total
proporciona una indicación de la velocidad del viento.
Son conocidos otros tipos de dispositivos
electrónicos de medición de la velocidad y la dirección del viento,
sin que se haga referencia, en la presente memoria, en detalle, ya
que la naturaleza de la producción de la señal y los efectos físicos
que se van a medir no son el sujeto de la presente invención.
El objeto de la presente invención en cambio se
refiere a una mejora de las propiedades
fluido-dinámicas de un dispositivo de medición de la
velocidad y de la dirección del viento de un tipo tal como el que se
ha descrito anteriormente, o más generalmente del tipo en y en el
que el viento choca en los sensores de una manera no completamente
libre.
Tradicionalmente, los sensores de temperatura
están instalados de una manera abierta al viento, en la parte
superior o en la proximidad de un alojamiento, el cual incluye las
partes electrónicas del aparato, mientras la parte del alojamiento
más cerca del sensor típicamente forma la base para los
sensores.
Por razones de protección contra la lluvia, la
suciedad, el impacto mecánico o similares, el sensor está protegido
por una cubierta y la cubierta típicamente está sostenida por una
serie de elementos de soporte en forma de barra en la base. Un
ejemplo de un dispositivo de este tipo es conocido a partir del
documento JP 04 295 768.
Naturalmente, los elementos de soporte en forma
de barra rodean a los sensores y por lo menos uno de ellos está en
la trayectoria del viento, de modo que crea una perturbación o por
lo menos una diferencia en el efecto de refrigeración, dependiendo
de la posición angular de dicha barra con respecto a la orientación
del viento.
Estos efectos son predecibles y sus influencias,
por lo tanto, deben ser compensadas a través de unos medios de
cálculo apropiados.
Sin embargo, los algoritmos de compensación
dependen de la geometría del sistema y necesitan ser adaptados cada
vez que se realiza una modificación a la forma geométrica de la
base, la cubierta, el cilindro cerámico, las barras de soporte y
similares, lo cual es extremadamente engorroso.
Por lo tanto, el propósito y el objetivo de la
invención es eliminar la necesidad de adaptar el algoritmo de
compensación cuando se realice una modificación de la geometría de
los componentes mecánicos expuestos al viento de un aparato para la
medición de la velocidad y la dirección del viento.
Este objetivo se alcanza con una modificación
particular de la estructura de soporte que incluye dichos elementos
de soporte los cuales transportan la cubierta en la base, en el que
dichos elementos de soporte están instalados entre dicha base y
dicha cubierta en una dirección diferente de la perpendicular entre
la base y la cubierta, preferentemente de una manera inclinada.
Según una forma de realización de la invención,
el dispositivo de medición de la velocidad y la dirección del viento
tiene un sensor expuesto al viento, el cual comprende un cilindro
que es calentado hasta una temperatura por encima de la temperatura
ambiental y están dispuestos sensores de temperatura alrededor de la
periferia de dicho cilindro, mientras el viento selectivamente
enfría por lo menos algunos de dichos sensores de temperatura
alrededor de dicho cilindro de una manera que depende de la
velocidad y la dirección del viento.
En esta forma de realización, dicha base y dicha
cubierta son globalmente horizontales y dichos elementos de soporte
están instalados a un ángulo diferente de la vertical entre la base
y la cubierta.
Se ha comprobado que se pueden obtener
resultados satisfactorios cuando dicho ángulo entre la orientación
de dichos elementos de soporte y dicha base está comprendido entre
30º y 60º.
En una forma de realización preferida, el ángulo
entre los elementos de soporte y la base es aproximadamente 45º.
En el aparato de medición de la velocidad y la
dirección del viento, dichos elementos de soporte entre dicha base y
dicha cubierta pueden ser barras las cuales están enrolladas
helicoidalmente en el interior de una superficie cilíndrica que se
extiende entre bordes exteriores apropiados de dicha base y dicha
cubierta.
Estas barras pueden tener una sección
transversal rectangular o cuadrada.
La totalidad de los elementos de soporte pueden
estar fabricados a partir de un cilindro hueco en el interior del
cual se han tallado ranuras inclinadas, paralelas entre sí,
alrededor de su periferia.
La figura 1 es una sección transversal del
medidor del viento de la técnica anterior de la figura 2.
La figura 2 es una vista en perspectiva del
medidor del viento de la técnica anterior de la figura 1.
Las figuras 3a y 3b son una vista frontal y una
sección a lo largo de III-III de la figura 3a de un
medidor del viento de la técnica anterior que incluye una cubierta
protectora y sus elementos de soporte.
Las figuras 4a y 4b son unas simulaciones de
canales de viento de una geometría según la figura 3.
Las figuras 5a y 5b son dos diagramas los cuales
muestran las señales de temperatura de todos los sensores de
temperatura cuando están, uno detrás de otro, instalados exactamente
en la dirección del viento, la figura 5a para un medidor del viento
con barras de soporte y la figura 5b sin barras de soporte.
La figura 6 es una vista esquemática de un
medidor del viento según la presente invención.
Las figuras 7a y 7b ilustran dos situaciones
teóricas de un medidor de la velocidad del viento según la
invención.
Volviendo a continuación a la figura 1, un
medidor electrónico tradicional del viento comprende un alojamiento
para sus componentes electrónicos, tales como los medios de cálculo,
etcétera, así como para su suministro de energía.
La unidad de medición comprende un cilindro
cerámico 2, en el interior del cual está prevista una bobina
calefactora 4, por medio de la cual se calienta la superficie
exterior del cilindro cerámico hasta una temperatura muy por encima
de la temperatura ambiental, tal como por ejemplo, a 100ºC, si el
medidor del viento se utiliza en un clima moderado.
Cuando el medidor del viento se vaya a utilizar
en climas extremos tales como por ejemplo zonas polares o zonas
desérticas, la temperatura exterior del cilindro cerámico debe
variar.
En la superficie exterior del cilindro cerámico
y en el exterior de la bobina calefactora, están dispuestos unos
sensores de temperatura 5 y 6 alrededor del cilindro, de modo que
miden la temperatura de la superficie del cilindro en las
respectivas zonas angulares representadas por la posición angular de
cada sensor de temperatura.
La figura 2 muestra un medidor del viento
similar en una vista en perspectiva, en el que se puede ver la
colocación angular de los sensores de temperatura 6 alrededor del
cilindro.
El sensor 5, el cual es una banda integral
alrededor del cilindro, ha sido propuesto previamente a fin de medir
y calcular la velocidad del viento, considerando que los sensores
individuales 6 fueron utilizados para extraer la dirección del
viento a partir de los valores medidos mediante tres únicamente de
los típicamente ocho sensores.
En esta configuración, el medidor del viento se
expuso al viento y el sensor el cual estaba angularmente orientado
más cerca contra el viento, era el más refrigerado, mientras los
otros sensores estaban menos refrigerados según sus posiciones.
Los tres sensores, que comprenden el más
refrigerado, así como sus vecinos a derecha e izquierda, fueron
utilizados para calcular la dirección del viento y las señales de
todos los sensores juntos fueron utilizadas para calcular la
velocidad del viento.
Los medidores del viento de este tipo eran
normalmente utilizados para una variedad de aplicaciones, en las que
era importante conocer la velocidad y la dirección del viento.
En la mayor parte de estas aplicaciones
rápidamente resultó que el cilindro cerámico del medidor necesitaba
protección contra la lluvia, la suciedad, el impacto mecánico etc.,
de modo que fue necesario proporcionar una cubierta sobre la parte
superior del cilindro, pero por razones de estabilidad mecánica,
esta cubierta no podía estar simplemente anclada en la parte
superior de cilindro, sino que necesitaba estar sostenida por barras
de soporte las cuales se extendían desde la base hacia arriba hasta
la cubierta, tal como se ilustra en la figura 3a. En esta figura, se
puede observar el alojamiento 3 en la parte superior del cual está
colocado el cilindro cerámico 2 con sus sensores de temperatura
6.
Por encima de un cilindro cerámico 2, está
instalada una cubierta protectora 9, la cual está sostenida por unas
barras de soporte 10, la sección transversal de las cuales se puede
ver mejor en la figura 3b provistas de un perfil
fluido-dinámico. Las barras 10 están instaladas
fuera tan alejadas como sea posible del cilindro cerámico 2 el cual
está colocado en el centro de la base circular 8, por lo que los
extremos superior e inferior de las barras están unidos a los bordes
exteriores 12 de la base y la cubierta respectivamente.
Al principio, estos elementos de soporte eran
barras redondas, pero se tiene que comprender que las barras
redondas perturban el flujo laminar del viento y crean turbulencias
sustanciales.
En un intento por resolver este problema, las
barras han sido fabricadas con una forma de perfil
fluido-dinámico, el cual reduce los efectos de las
turbulencias de cualquier modo creadas.
Las figuras 4a y 4b muestran dos simulaciones de
los efectos del viento de la geometría discutida en un canal de
viento, en las que la figura 4a muestra la situación de un medidor
del viento según las figuras 1 ó 2, mientras la figura 5b muestra la
situación en el caso de un medidor de viento según la figura 3, que
incluye las barras de soporte fluido- dinámicas.
En la figura 4a, se puede observar el círculo
40, el cual representa el cilindro cerámico y la barra de soporte
perfilada 41.
En la figura 4a, el viento sopla desde la
dirección 42, esto es exactamente alineado con la barra 41 y el
cilindro 40, y se pueden observar las turbulencias creadas en el
perfil del viento inmediatamente por detrás de la barra 41.
En la figura 4b, la dirección del viento viene
según la dirección 43 y se pueden ver las turbulencias que sigue la
misma dirección por detrás de la barra 43, de modo que dejan el
cilindro 40 sin perturbar.
En ese momento, los inventores se enfrentaron
con el fenómeno de que el efecto de refrigeración del viento era más
fuerte si un viento turbulento chocaba en la superficie del cilindro
que en el caso en el que el viento tenía un modelo de flujo laminar,
lo cual significa que en el caso de la figura 4a, el área del
cilindro encarada al viento estaba sometida a un efecto de
refrigeración más fuerte que el área del cilindro encarada hacia el
viento en la figura 5b, ambos para la misma velocidad del
viento.
La figura 5a es un diagrama que muestra,
superpuestas para los diversos sensores la señal de un sensor
particular, cuando el viento rola alrededor de por ejemplo -180º
hasta +360º.
Se puede observar que cada sensor, una vez que
el viento gira de -22,5º a +22,5º alrededor de la posición cero del
sensor particular en la cual está exactamente encarado al viento,
los valores eléctricos medidos del sensor de temperatura particular
van desde aproximadamente 3,2 hasta 3,8 (en la posición cero) y de
vuelta a 3,2.
Todos los otros sensores sufren la misma
variación durante la misma variación de la dirección del viento.
La figura 5b representa las mismas bendiciones
que la figura 5a pero con un medidor del viento del cual no tiene
barras de soporte alrededor del cilindro cerámico.
Resulta evidente que las curvas de los sensores
individuales varían muy suavemente con la variación de la dirección
del viento.
Volviendo a continuación a la figura 6, existe
un alojamiento 3 que incluye todos los elementos electrónicos del
medidor del viento y este alojamiento está cerrado en su lado
superior con una placa 8 que forma la base para un cilindro
cerámico, similar al cilindro cerámico de la figura 3.
Alrededor del cilindro cerámico 2 y
esencialmente a una distancia máxima del último, está prevista una
estructura 15 la cual sirve como soporte mecánico de la cubierta 9
sobre la base 8.
Esta estructura de soporte 15 comprende unos
elementos de soporte en forma de barra 10, los cuales están
inclinados con respecto a la dirección del cilindro cerámico 2 o con
respecto a la base 8 y la cubierta 9.
Según la forma de realización representada en la
figura 6, la estructura de soporte 15 comprende un cilindro hueco,
en el interior del cual han sido talladas ranuras longitudinales, en
relación de paralelismo entre sí y las barras 10 constituyen los
restos del cilindro entre cada dos ranuras paralelas.
La estructura de soporte o el cilindro de
soporte 15 está fijada a la base y a la cubierta por ejemplo
mediante soldadura.
Las ranuras en el cilindro de soporte 15
permiten que el viento entre dentro del mismo y refrigere el
cilindro de cerámica 2 del mismo modo que en la técnica anterior,
con la única excepción de que el efecto de refrigeración es
ampliamente independiente de la dirección angular desde la cual
proviene el viento, porque el modelo de flujo
fluido-dinámico del aire en la trayectoria desde las
barras de soporte 10 hasta el cilindro cerámico 2 es idéntico en
cualquier dirección, la única cosa que cambia con la dirección es la
altura del cilindro 2 a la cual choca el aire de refrigeración en el
cilindro 2, pero esto no cambia los valores medidos de los sensores
de temperatura.
Volviendo a continuación a la figura 7, se
explicará que el efecto de la dirección del viento en la
refrigeración del sensor en una instalación según la presente
invención se minimiza e incluso se puede eliminar completamente.
Típicamente, en la técnica anterior, comprende
un sensor, el cual está protegido por una estructura abierta
provista de un soporte superior 9' y uno inferior 8', como se ha
descrito en relación con las figuras 3a y 3b.
Los problemas que se encuentran con este tipo de
medidas de la velocidad del viento tienen su origen en el hecho de
que la superficie sensible del sensor, estaba tanto enteramente
dentro, como enteramente fuera o parcialmente en el interior del
flujo trasero por detrás de una barra de soporte.
La particularidad de la presente invención era
encontrar un medio, que obtuviera una geometría que proporcionara
una clase de modelo de flujo promedio por detrás de las barras de
soporte que fuera independiente de la orientación del viento.
Por lo tanto, en la superficie del sensor se
obtiene una perturbación "promedio" del flujo, la cual es
independiente de la dirección del viento. En un prototipo, las
barras de soporte se enrollaron alrededor del sensor, de modo que la
superficie del sensor sobre la cual chocaba este flujo
"promedio" del aire era invariable ante cualquier cambio de
orientación y respondía únicamente en su orientación general a la
dirección del viento, pero retenía el mismo modelo.
Las figuras 7a y 7b muestran dos orientaciones
angulares diferentes bajo las cuales el viento puede "ver" el
sensor 2. En la figura 7a, una barra de soporte 10' cruza el sensor
en el centro y en la figura 7b dos barras de soporte 10'' cruzan el
sensor en los finales extremos.
Estas dos posibilidades extremas prácticamente
obtienen el mismo efecto refrigerante en el sensor, porque se puede
considerar que, en ambos casos, la misma cantidad de superficie de
sensor está escondida por las barras de soporte, de modo que la
misma relación total de flujo perturbado con respecto al flujo sin
perturbar choca en el sensor. En la técnica anterior, es fácilmente
imaginable que la misma orientación que en las figuras 7a y 7b
produciría una situación en la que el sensor estuviera completamente
cubierto, respectivamente completamente libre de la sombra de las
barras de soporte.
Efectos similares a los obtenidos por las barras
inclinadas se pueden obtener, por ejemplo, con una lámina corrugada
o una malla, considerando que la orientación de los elementos
individuales está inclinada con respecto al eje general del
sensor.
La invención ha sido descrita por medio de un
ejemplo, sin embargo, se debe comprender que el ámbito de la
invención va más allá de este ejemplo e incluye cualquier tipo de
estructura de soporte inclinada, capaz de producir el modelo de
flujo fluido-dinámico del viento entre las barras de
soporte y el cilindro cerámico, o cualquier otro tipo de sensor del
viento, independiente de la dirección del viento.
Claims (10)
1. Dispositivo de medición de la velocidad y la
dirección del viento que incluye un sensor expuesto al viento (2),
que produce unas señales eléctricas dependiendo de la velocidad y la
dirección del viento (42, 43) y una unidad de cálculo electrónico
adaptada para calcular la velocidad y la dirección del viento sobre
la base de dichas señales, estando soportado dicho sensor expuesto
al viento (2) por una base (8), y estando cubierto por una cubierta
(9), estando globalmente sostenida dicha cubierta por dicha base
(8), en el que una pluralidad de elementos de soporte (10) soportan
dicha cubierta (9) en dicha base (8) alrededor de dicho sensor
expuesto al viento (2), extendiéndose dichos elementos de soporte
(10) desde dicha base hasta dicha cubierta, caracterizado
porque dichos elementos de soporte (10) están dispuestos entre dicha
base (8) y dicha cubierta (9) en una dirección diferente de la
perpendicular entre la base (8) y la cubierta (9), preferentemente
de una manera inclinada.
2. Dispositivo de medición de la velocidad y la
dirección del viento según la reivindicación 1, caracterizado
porque dicho sensor expuesto al viento (2) comprende un cilindro
(2), el cual se calienta a una temperatura por encima de la
temperatura ambiental y unos sensores de temperatura (6) están
dispuestos alrededor de la periferia de dicho cilindro, mientras que
el viento refrigera selectivamente por lo menos algunos de dicho
sensores de temperatura (6) alrededor de dicho cilindro (2) de una
manera que depende de la velocidad y la dirección del viento.
3. Dispositivo de medición de la velocidad y la
dirección del viento según la reivindicación 2, caracterizado
porque dicha base (8) y dicha cubierta (9) son globalmente
horizontales, y porque dichos elementos de soporte (10) están
dispuestos a un ángulo diferente de la vertical entre la base y la
cubierta.
4. Aparato de medición de la velocidad y la
dirección del viento según la reivindicación 3, caracterizado
porque dicho ángulo entre la orientación de dichos elementos de
soporte (10) y dicha base (8) se escoge tan pequeño como sea
posible, proporcionando estabilidad a la cubierta (9).
5. Aparato de medición de la velocidad y la
dirección del viento según la reivindicación 4, caracterizado
porque dicho ángulo entre la orientación de dichos elementos de
soporte (10) y dicha base (8) está comprendido entre 30º y 60º.
6. Aparato de medición de la velocidad y la
dirección del viento según la reivindicación 5, caracterizado
porque dicho ángulo entre la orientación de dichos elementos de
soporte (10) y dicha base (8) es de aproximadamente 45º.
7. Aparato de medición de la velocidad y la
dirección del viento según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque dichos elementos de soporte
(10) entre dicha base (8) y dicha cubierta (9) son unas barras, las
cuales están helicoidalmente enrolladas en el interior de una
superficie cilíndrica que se extiende entre unos bordes exteriores
(15) de dicha base y dicha cubierta.
8. Aparato de medición de la velocidad y la
dirección del viento según la reivindicación 7, caracterizado
porque dichos elementos de soporte (10) presentan una sección
transversal rectangular.
9. Aparato de medición de la velocidad y la
dirección del viento según la reivindicación 7, caracterizado
porque dichos elementos de soporte (10) presentan una sección
transversal cuadrada.
10. Aparato de medición de la velocidad y la
dirección del viento según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque dichos elementos de soporte
(10) están dispuestos para formar una estructura de soporte (15) la
cual forma un cilindro hueco, estando formados los elementos de
soporte (10) entre unas ranuras (13) cortadas en dicho cilindro
hueco (15).
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