Universidad Nacional Autónoma

De México

Facultad de Ingeniería

Laboratorio

Mecanica de fluidos II

Practica:

“INTERFEROMETRÍA Y ANEMOMETRÍA”

Alumnos:

Medina solis Mauricio

OBJETIVO:

Investigación del tema interferómetria y anemometría

ANEMOMETRÍA

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.

Anemómetro de copas

La medición de la velocidad del viento se realiza normalmente usando un anemómetro de copas que gira sobre su eje en función de la potencia del viento y en proporción a la velocidad del mismo. El número de revoluciones por segundo se registra electrónicamente y de la misma manera se traduce la velocidad del viento en m/s. Esta información se acumula y luego se procesa sistemáticamente.

Anemómetro de hélice

Estos son los más utilizados por su simplicidad y suficiente exactitud para la mayor parte de las necesidades de medición así como por la relativa facilidad de permitir la medición a distancia.

Hay muchos diseños de hélices pero la más común es la hélice de cazoleta, debido a que no es necesario mecanismo alguno para orientar la hélice al viento y que su construcción puede ser robusta para soportar grandes velocidades del viento.

Este es un esquema que representa una hélice de cazoletas, debido a que la resistencia aerodinámica de la cazoleta es diferente entre la parte cóncava y convexa, esta recibirá un empuje mayor en una dirección y la hélice rotará a mayor o menor velocidad, en proporción a la velocidad del viento.

También se usan las hélices de tipo helicoidal, como la típica hélice del ventilador común que todos conocemos e híbridos entre las de cazoletas y la helicoidal. La velocidad de rotación del eje de la hélice es proporcional a la velocidad del viento, por lo que si medimos esta velocidad de rotación, podremos hacer una tabla de calibración directamente en unidades de velocidad del viento en metros por segundo (m/seg) o kilómetros por hora (Km/h) etc.

Anemómetro de molinete

Los anemómetros de molinete tienen aplicación en la medición de la velocidad y del caudal volumétrico del aire en distintos sectores de la ingeniería de operaciones y procesos.Puesta en punto de instalaciones de ventilación y acondicionamiento de aire, sistemas de calefacción de aire caliente, revisión de los datos de potencia de bombas caloríficas, ventiladores, de lugares exentos de polvo, campanas de extracción, verificación de corriente de aire en salas y pasillos etc. El

anemómetro de molinete señala, después de un tiempo de integración fijado de 3 segundos, la velocidad media de circulación. El aparato se activa por medio del pulsador de servicio. Se obtiene un promedio óptimo también en corrientes turbulentas de 0,25 hasta 30 m/s por medio del molinete para grandes áreas y en particular por la técnica de microprocesador.

Anemómetro de placa

Los anemómetros de placa tienen una placa que es libre para girar con el viento y una escala para medir los ángulos. Cuando el viento sopla contra la placa del anemómetro, la desviación angular de la placa corresponde a la velocidad del viento.

Anemómetros de empuje.

En estos anemómetros se utiliza la fuerza resultante en una superficie cuando es alcanzada de frente por el viento.

En el esquema de la figura se representa el principio de funcionamiento de un anemómetro de empuje. Una superficie colocada en la punta de un péndulo se coloca de frente al viento, el empuje producido por este, levantará el péndulo más o menos de acuerdo a la velocidad.

Una escala apropiada, grabada en una superficie paralela al movimiento del péndulo servirá como indicador usando el propio péndulo como aguja indicadora.Estos anemómetros no son muy precisos y se utilizan para obtener una información estimada de la velocidad del viento, su indicación generalmente es en números relativos a una escala arbitraria establecida de antemano. Por ejemplo:

2= Se nota el movimiento de las hojas de los árboles.

3= Se mueven las ramas más pequeñas de los árboles.

4= Se levanta el polvo del suelo.

Previamente se conocen los rangos de velocidades del viento de cada uno de estos números arbitrarios previstos.

Anemómetros de presión hidrodinámica

Cuando el viento impacta sobre una superficie, en ella se produce una presión adicional que depende de esa velocidad, si esta presión se capta adecuadamente, y se conduce a un instrumento medidor, tendremos un anemómetro de presión.

Para capturar esta presión se utiliza el llamado tubo de Pitot, que no es más que un tubo de suficiente diámetro en forma de U con uno de sus extremos doblado y colocado de frente al viento, y el otro abierto al exterior pero protegido de la acción de este.

En la parte en forma de U se graba una escala y dentro se coloca un líquido coloreado. La diferencia de presión entre los extremos del tubo de Pitot hará que la columna líquida se desplace de un lado, la diferencia de altura será proporcional a la velocidad del viento incidente en la boca del tubo y servirá como indicador de esta.

Este es el esquema de un anemómetro del tipo de presión hidrodinámica pero con indicación de aguja y esfera. La cápsula barométrica es un bulbo elástico, al recibir la diferencia de presión desde las partes de alta y baja presión del tubo de Pitot se dilata o recoge en proporción. Este movimiento es conducido y amplificado apropiadamente a través de un juego de palancas y engranajes hasta una aguja indicadora.

Este es el esquema de un anemómetro del tipo de presión hidrodinámica (figura 8) pero con indicación de aguja y esfera. La cápsula barométrica es un bulbo elástico, al recibir la diferencia de presión desde las partes de alta y baja presión del tubo de Pitot se dilata o recoge en proporción. Este movimiento es conducido y amplificado apropiadamente a través de un juego de palancas y engranajes hasta una aguja indicadora.

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 magnitud del aumento de voltaje necesario para mantener la temperatura constante está directamente relacionada con la transferencia del calor y, por tanto, con la velocidad del fluido. la anemometría por hico caliente( hot wire anemometry) 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.

Anemometría Laser Por Imagen De Partícula

La Anemometría Láser Doppler es una técnica no invasiva que permite medir la velocidad de las partículas suspendidas en un fluido, ya sea líquido o gaseoso. Si las partículas tienen tamaños del orden de las micras y el flujo puede ser considerado laminar, la velocidad del fluido es prácticamente igual al de las partículas. La técnica diferencial o de franjas permite calcular esta velocidad, que la luz dispersada por las partículas, justamente al pasar a través el volumen de esparcimiento, genera un cambo en la frecuencia Doppler y esta a su vez es directamente proporcional a su velocidad.

Los sistemas PIV de TSI miden la velocidad a partir del desplazamiento de las partículas durante un tiempo utilizando una técnica de láser de doble pulso. Un plano de luz láser ilumina el flujo y las posiciones de las partículas (las originales o bien añadidas a la corriente para tal efecto) en este plano quedan registran con una cámara digital. Muy poco tiempo después (microsegundos o milisegundos) un segundo pulso vuelve a iluminar el plano quedando registradas las nuevas posiciones de las partículas.

A partir de esas imágenes un algoritmo de análisis de PIV obtiene los desplazamientos en la zona visualizada para dar la información de velocidad en miles de puntos de forma rápida, fácil, fiable. También se obtienen para toda la región la velocidad media, intensidad de la turbulencia y estadísticas de orden superior así como otras propiedades de flujo, tales como la vorticidad y velocidades de deformación.

Existen variantes de esta técnica como son:

MicroPIV: Para aplicar la misma técnica a escalas micrométricas (en microcanales, por ejemplo). Se incorpora al sistema un Microscopio de alta precisión para captar las imágenes de la zona visualizada.

StereoPIV: Para obtener componentes tridimensionales de la velocidad. Se incorpora al sistema una segunda cámara y así registrar las imágenes del plano desde dos orientaciones conocidas.

PLIF: Para obtener información sobre variables escalares de los fluidos (temperatura, concentración, ph,…). Para ello se introducen en el fluido partículas fluorescentes que inducen un valor de fluorescencia que se relaciona con los valores de dichas variables.

INTERFEROMETRÍA

Fotograma De Sombras

Los llamados fotogramas son quizá la forma más rudimentaria de fotografía. Es necesario simplemente un papel fotográfico virgen, revelador, fijador y por supuesto luz. Sin embargo, un procedimiento tan inocente en apariencia ha sido muy importante en la historia de la fotografía, siendo utilizado por varios autores que nos han dejado obras que son puntos de referencia en el desarrollo histórico-estético de la fotografía, hasta tal punto que, algunos de ellos han querido bautizarlos con vocablos inspirados en sus propios nombres. Surgido como una rama de la fotografía experimental, el fotograma en la obras de sus maestros ha demostrado su independencia y sus posibilidades no sólo en calidad de grafismo sino como una concepción de modelado del espacio con ayuda de la luz. Desde el punto de vista técnico se trata de fotografías obtenidas sin cámara fotográfica, por la simple acción de la luz. En una cámara obscura se colocan objetos opacos o translúcidos directamente sobre el papel sensible, se expone el conjunto así compuesto a un rayo luminoso y se revela el resultado. No se pasa pues por la parte óptica de la fotografía (cámara fotográfica) ni se pasa tampoco por el intermediario (el negativo); sino que se desemboca directamente en una prueba negativa sobre papel, lo que hace al fotograma una pieza única, no reproducible. La imagen final aparece como un juego de luz y de sombra, con densidades variables y contornos inciertos: de ningún modo aparece una imagen mimética o figurativa, no tiene porqué parecerse a su referente. Con frecuencia se ha calificado a los fotogramas como "composiciones abstractas", y es verdad que muchas veces es difícil, sino imposible, identificar con precisión los objetos que fueron colocados sobre el papel y de los que sólo se percibe la huella, la sombra blanca, más o menos deformada.

Interferómetro de Mach-Zehnder

El interferómetro de Mach-Zehnder es comúnmente utilizado en túneles de viento para visualización y cuantificación de flujos de fluido, este método es sensible a los cambios de fase causados por el objeto de prueba. Este método fue diseñado por Jamin en 1856 y utilizado en 1878 por Mach y Weltrubski para el estudio del fenómeno de la dinámica de gases. Ernest Mach reconoció que para el mejor estudio de este fenómeno se debería de usar un método con un haz de referencia separado del otro. En la figura se puede observar el arreglo experimental de este método.

Una de las razones por la cual se utiliza el interferómetro de Mach-Zehnder es que los brazos forman un rectángulo, y se pueden hacer tan grandes y o tan separados como el objeto de prueba lo requiera. Este instrumento es sensible al cambio de índice de refracción debido a la presencia de un flujo de fluido que cambia alguna de sus propiedades físicas como temperatura, presión o composición química.

El interferómetro de Mach-Zehnder es un dispositivo de división de amplitud. Tal como se ilustra en la figura, consiste de dos divisores de haz y de dos espejos totalmente reflectores. Las dos ondas dentro del instrumento viajan a lo largo de caminos separados. Puede producirse una pequeña diferencia entre los caminos por una ligera inclinación de uno de los divisores de haz. Dado que los dos caminos están separados, el interferómetro es relativamente difícil de alinear. Por la misma razón, sin embargo, el interferómetro puede aplicarse en miles de situaciones. Incluso se ha usado de forma algo alterada pero conceptualmente análoga, para obtener franjas de interferencia de electrones.

Interponiendo un objeto en uno de los haces se alterará la diferencia de longitud de camino óptico cambiando, por lo tanto, la distribución de franjas.

Una aplicación común de este instrumento consiste en observar la variación de densidad en distribuciones de flujo de gases en el interior de cámaras para la investigación, por ejemplo, túneles de viento, tubos de choque, etc. Un haz

pasa a través de las ventanas ópticamente planas de la cámara de prueba, mientras que el otro haz cruza placas compensadoras apropiadas. El haz dentro de la cámara se propagará a lo largo de regiones que tengan variaciones espaciales del índice de refracción. Las distorsiones resultantes en el frente de onda generarán el contorno de las franjas.

La Técnica de Schlieren

La palabra Schlieren proviene de la palabra en alemán “schliere” que significa inhomogeneidad, que para este caso viene siendo partículas de polvo en algún líquido transparente o cambios de densidad en algún flujo de fluido transparente. Los primeros trabajos que empezaron a hablar sobre este tema fueron los realizados por Robert Hooke, L. Foucault y A. Toepler, entre otros. Esta técnica fue desarrollada para el control de calidad de las lentes utilizadas en microscopios y telescopios de la época. El concepto de la técnica de schlieren fue utilizado por primera vez por Huygens y publicado en La Dioptrique. Robert Hooke, quien desarrollo un método, para mostrar los lados de una flama y la visualización de los gases de la combustión de una flama de una vela. Aunque en aquellos momentos aún no se conocía con el nombre de schlieren. En la figura se muestra la forma experimental de este sistema de schlieren.

Jean Paul Marat, publicó un volumen nombrado La Física del Fuego, que contenía aparentemente la primera imagen de la visualización óptica de un flujo óptico nunca impresa. Leonard Foucault] hizo importantes contribuciones a la óptica de medios inhomogéneos, desarrolló la prueba de la navaja para espejos utilizados en telescopios astronómicos, esto ayudó a que los telescopios tuvieran mayor calidad.

La importancia de este trabajo radica en que era la primera vez que se utilizaba una máscara (pupila, diafragma, filtro o borde de navaja) externa a la pupila del

ojo humano para producir imágenes de schlieren, como se muestra en la siguiente figura.

August Toepler reinventó algo similar a la técnica de schlieren en 1859 y la nombró en nombre de lo que el observaba en la figura siguiente, se muestra el arreglo de Toepler.

Ralph Ashby Burton y varios contemporáneos desarrollaron independientemente la idea de óptica de schlieren con fuente extendida, sugerida anteriormente por Schardin. Más reciente mente esta idea ha sido desarrollada en la NASA por M. Weinstein. En 1990 Weinstein puso su atención a las técnicas de schlieren con lentes y rejillas. Weinstein y G. S. Settles, discutieron la idea de la aplicación de schlieren a larga escala fuera del laboratorio.

Existen una gran variedad de arreglos del sistema schlieren utilizados por varios autores utilizando diferentes componentes como lentes, espejo, rejillas, vidrios esmerilados etc. También se han utilizado diferentes fuentes de luz ya sean de filamento, lámparas de mercurio, sodio, xenón, láser y últimamente diodos de luz blanca. Así también en vez de bordes de navaja se han utilizado filtros de color y máscaras de diferente forma, dando origen a varios tipos de arreglos de schlieren. Cambiando las componentes anteriores dan lugar a diferentes tipos de arreglos de schlieren teles como el arreglo de Toepler y sus variantes, Background Oriented Schlieren (BOS) y Rainbow Schlieren.

Interferómetro Michelson

El interferómetro de Michelson, inventado por Albert Abraham Michelson en 1887 es un interferómetro que permite medir distancias con una precisión muy alta. Su funcionamiento se basa en la división de un haz coherente de luz en dos haces para que recorran caminos diferentes y luego converjan a nuevamente en un punto. De esta forma se obtiene lo que se denomina la figura de interferencia que permitirá medir pequeñas variaciones en cada uno de los caminos seguidos por los haces. Este interferómetro fue usado por Michelson junto con Edward Morley para probar precisamente la inexistencia del éter, en el famoso experimento de Michelson y Morley.

En un principio, la luz es dividida por una superficie semiespejada (o divisor de haz) en dos haces. El primero es reflejado y se proyecta hasta el espejo (arriba), del cual vuelve, atraviesa la superficie semiespejada y llega al detector. El segundo rayo atraviesa el divisor de haz, se refleja en el espejo (derecha) luego es reflejado en el semiespejo hacia abajo y llega al detector.

El espacio entre el semiespejo y cada uno de los espejos se denomina brazo del interferómetro. Usualmente uno de estos brazos permanecerá inalterado durante un experimento, mientras que en el otro se colocarán las muestras a estudiar.

Hasta el observador llegan dos haces, que poseen una diferencia de fase dependiendo fundamentalmente de la diferencia de camino óptico entre ambos rayos. Esta diferencia de camino óptico puede depender de la posición de los espejos o de la colocación de diferentes materiales en cada uno de los brazos del interferómetro. Esta diferencia de camino hará que ambas ondas puedan sumarse constructivamente o destructivamente, dependiendo de si la diferencia es un número entero de longitudes de onda (0, 1, 2,...) o un número entero más un medio (0,5; 1,5; 2,5; etc.) respectivamente.

En general se emplean lentes para ensanchar el haz y que sea fácilmente detectable por un fotodiodo o proyectando la imagen en una pantalla. De esta forma el observador ve una serie de anillos, y al desplazar uno de los espejos notará que estos anillos comienzan a moverse. En esta forma se puede explicar la conservación de la energía, ya que la intensidad se distribuirá en regiones oscuras y regiones luminosas, sin alterar la cantidad total de energía.

FUENTES CONSULTADAS

Marvyn William INGA CAQUI, Interferómetro de Mach-Zehnder, UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, Facultad De Ciencias Escuela Profesional De Física, Dirigida por: Dr. Anibal VALERA, Lima, Perú 2011.

https://terceroefe.files.wordpress.com/2013/03/fotograma_terceroefe.pdf https://es.scribd.com/doc/118121730/Interferometro-de-Mach-Zehnder-

Informe-de-Laboratorio http://biblioteca.cio.mx/tesis/13339.pdf http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/phyopt/michel.html https://es.scribd.com/doc/110467775/Tipos-de-anemometros http://perusolar.org/17-spes-ponencias/04-%20Instrumentacion/

PaloTejadaErnesto/

ANEMOMETRO_AUTONOMO_PARA_EVALUACION_DEL_RECURSO_EOLICO.pdf

http://www.deconta.eu/spanisch/fluegelradanemometer.html http://www.sabelotodo.org/aparatos/anemometro.html http://www.alava-ing.es/ingenieros/productos/mecanica-de-fluidos/piv---

anemometria-laser-por-imagen-de-particula/