STEP #6 - Il simbolo

Gli anemometri vengono usati comunemente per indicare un fenomeno climatico molto noto: la presenza del vento. Un esempio fra tanti è l'icona dell'app di Vaavud Wind Meter che presenta una versione stilizzata di un anemometro a coppette:

Esempio di un icona raffigurante una anemometro

Un'altra icona che mostra in tg, app meteo, giornali e avvertimenti stradali la forza e l'intensità del vento è il simbolo della Manica a vento:

Con questo simbolo spesso si avverte del vento forte

Sitografia:

https://huronhub.com/2016/02/19/high-wind-advisory-in-effect-until-10-p-m-friday/

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STEP#5.2 - Il principio fisico - Il bilancio termico

È fondamentale per la trattazione dell’AFC trattare il caso di un cilindro caldo immerso in una corrente fluida. Il bilancio termico in questo caso sarebbe:

Calore immagazzinato = Potenza elettrica – Calore trasferito all’esterno

dE/dt = P_e-Q

Si utilizzano le seguenti assunzioni:

-          Il calore immagazzinato dal filo è trascurabile;

-          T_w è uniforme lungo la lunghezza del filo;

-          Il calore trasmesso per conduzione ed irraggiamento dal filo è trascurabile;

-          La velocità è uniforme lungo la lunghezza del filo ed è molto inferiore alla velocità del suono;

-          La temperatura e la densità del fluido sono uniformi;

Allora si può scrivere:

I²R_w=A_wh[T_w-T₀]

 (Il secondo membro è derivato dalla legge del raffreddamento di Newton)

Combinando questa equazione con l’equazione che lega resistenza e temperatura del post precedente:

I²R_w=πDLh[(R_w-R₀)/(R₀b)]

Quindi si va ad introdurre il numero di Nusselt Nu=hD/λàh=Nuλ/D

(I²R_w)/(R_w-R₀) = (πLNuλ)/(R₀b)

Il numero di Nusselt per un cilindro caldo immerso in un fluido si può esprimere tramite i numeri di Raynolds e di Prandtl tramite relazioni ricavate sperimentalmente che sono state ottenute nel tempo. Si userà quella ricavata da Kramers nel 1946:

Nu=0.42Pr^0.26+0.57Pr^0.53Re^0.5

(valido per un determinato range di valori di Pr e Re)

Andando a sostituire avremo:

(I²R_w)/(R_w-R₀)=(πLλ[0,42Pr^0.26+0.57Pr^0.53Re^0.5]/(R₀b)

Con Re^0.5=[(ρDV)/μ]^0.5

Che quindi si può riscrivere semplificando e mettendo a sistema con la cosiddetta “legge di King”:

(I²R_w)/(R_w-R₀)= A+BVⁿ

con n=0.5 in questo caso

E²=A+BVⁿ

Si otterranno n e B da calibrazione dello strumento ed A=E₀². Risolvendo il sistema avremo la tensione in relazione con la velocità del fluido.

 

Bibliografia:

P.C. STAINBACK e K. NAGABUSHANA, Review of Hot-Wire Anemometry Techniques and the Range of their Applicability for Various Flows, in «Journal of Fluid Engineering», Anno XXIV (1997)

L.LÖFDAHL, M. GAD-EL-HAK, Sensor for Turbolence Measurements and Control, in The MEMS Handbook, edito da M. GAD-EL-HAK, Boca Raton: CRC Press, 2002, vol.III, par. 26.4.3

 

Sitografia:

Immagine pg. 16 e fonte:

https://www.politesi.polimi.it/handle/10589/139632

Fonti consultate:

http://web.tiscali.it/orrupf/filocaldo.htm

http://www.lth.se/fileadmin/ht/Kurser/MMV211/lab2b-pm-Eng-2009.pdf

https://pdfs.semanticscholar.org/bf5c/b1bfc2d3da7b8f204a1b29fba2d7dccb511a.pdf

https://www.aere.iastate.edu/~huhui/teaching/2014Sx/class-notes/AerE344-Lecture-06-Hotwire-Anemomtry-and-Airfoil-Pressure-Lab.pdf

http://www.ara.bme.hu/neptun/BMEGEATMW03/2012-2013-II/Presentation/Hot-Wire%20Anemometry.pdf

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STEP #5.1 - Il principio fisico - L'elettronica

Il corpo principale dell’anemometro è composto da un ponte Wheatstone e da un Amplificatore Operazionale. Il ponte Wheatstone possiede quattro resistenze: due sono composte da resistenze uguali, la terza è una resistenza variabile e la quarta è la resistenza è quella posseduta dal filo-sensore. Se si è in regime stazionario (ovvero quando la temperatura non varia), il ponte è bilanciato e dunque le resistenze hanno una relazione del tipo:

R_w/R = R_v/R

(R_v= resistenza variabile, R_W = resistenza del filo)

Quando il filo si raffredda di un dT, varia la sua resistenza, e dunque il ponte non è più bilanciato. L’Amplificatore allora percepisce una differenza di tensione (tra i punti 1 e 2 dell’immagine sottostante) e variando la tensione “E” immette una corrente di maggiore entità per far sì che aumenti, per effetto Joule, la temperatura andando a ripristinare le condizioni di partenza.

La relazione tra temperatura e resistenza per un materiale conduttivo è:

R_w= R₀·[1+b(T_w-T₀)]

(R₀=resistenza relativa alla temperatura di riferimento, b=coefficiente di temperatura della resistenza [K^-1], T₀=temperatura di riferimento)

Bibliografia:

R. PERFETTI, Circuiti elettrici, Bologna: Zanichelli, 2003, pp. 60-62, pp. 100-112

Immagine e fonte:

L.LÖFDAHL, M. GAD-EL-HAK, Sensor for Turbolence Measurements and Control, in The MEMS Handbook, edito da M. GAD-EL-HAK, Boca Raton: CRC Press, 2002, vol.III, par. 26.4.3

Sitografia:

https://www.mouser.com/catalog/additional/ATS_Qpedia_Dec07_Understanding%20hot%20wire%20amemometry9.pdf

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STEP #5 - Il principio fisico - Introduzione

Il funzionamento dell’anemometro a filo caldo (AFC) è basato su due principi fisici che verranno discussi di seguito: il primo è l’elettronica che elabora i dati acquisti e varia i valori di input al variare delle condizioni di output, il secondo è il bilancio termico che avviene all’ interfaccia tra il filo caldo e la corrente fluida. Si andrà a discutere dell’anemometro a filo caldo a temperatura costante perché, nonostante abbia lo svantaggio di basarsi su un circuito più complesso rispetto all’anemometro a corrente costante, presenta maggiori vantaggi nel suo utilizzo.

Si possono così riassumere le differenze tra i due metodi:

-          Nell’AFC a temperatura costante (CTA) la resistenza del filo è misurata per dedurne la temperatura. L’entità della resistenza del sensore è ricavata misurando il voltaggio lungo il filo e poi usando una relazione non lineare tra voltaggio e resistenza. La sorgente di corrente a questo punto varia per mantenere il filo ad una data temperatura per effetto Joule. L'ammontare di corrente per mantenere costante la resistenza, e così anche la temperatura, è indice della velocità del flusso.

-          Nell’AFC a corrente costante (CCA) il ruolo delle variabili è invertito. Qui una determinata corrente passa attraverso la sonda che agisce come resistore. Come il filo si raffredda a causa del flusso d’aria, così la resistenza diminuisce, ed il cambiamento è indice ancora della velocità del flusso.

CCA se I=cost à R_w= var        CTA se R_w=cost à I= var

Di seguito un elenco di costanti e variabili che si useranno in seguito:

I = corrente che scorre lungo il filo                                                  R_w = resistenza del filo

R₀ = resistenza relativa alla temperatura di riferimento                   R_v = resistenza variabile

T_w = temperatura del filo                                                                  T₀ = temperatura di riferimento

b = coefficiente di temperatura della resistenza [K^-1]                       E = C_wT_w con C_w = capacità termica del filo

A_w = superficie del filo D = diametro filo L = lunghezza filo              ρ = densità fluido [kg/m³]

h = coefficiente di trasferimento termico [W/(m²K)]                           E = tensione in uscita dall’ AO

λ = coefficiente di conducibilità termica [W/(m K)]                             μ = viscosità dinamica fluido [(N s)/m²]

E₀ = tensione in uscita dall’ AO quando ponte Wh. è bilanciato

Sitografia:

https://www.eeworldonline.com/the-hot-wire-anemometer-part-1-principles-faq/

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STEP #4 - La scienza

Il campo scientifico di riferimento dell’anemometro a filo caldo è la fluidodinamica (the hot wire anemometry and the fluid dynamics). Il termine relativo a questa branca venne coniato nel 1956, prima l’anemometro a filo caldo faceva parte della branca della meccanica dei fluidi (fluid mechanics).

L’origine di questo strumento non è facile da accertare, difatti numerosi scienziati nei primi anni del XX secolo erano alle prese con esperimenti riguardanti l’anemometria a filo caldo. Nonostante ciò, importante fu il contributo di L. V. King per il design e per la teoria convettiva del calore di un cilindro immerso in una corrente fluida. Dopo queste pubblicazioni furono svolti molti studi riguardanti l’argomento, dapprima incentrati sul calcolo della velocità media, poi sulla misura della fluttuazione della velocità, ed infine su una comprensione più dettagliata della risposta del filo e sul miglioramento del circuito elettronico associato ad esso.

Bibliografia: 

G. COMTE-BELLOT, Hot wire anemometry, in «Annual Review of Fluid Mechanics», Anno VII (1976), Vol. 8, pp. 209-231

L.V. KING, XII. On the convection of heat from small cylinders in a stream of fluid: Determination of the convection constants of small platinum wires with applications to hot-wire anemometry, in « Philosophical Transactions of the Royal Society A», Anno XXVII (1914), Vol. 214, pp. 373-432

Sitografia:

Articolo di G. Comte-Bellot:

https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.fl.08.010176.001233?journalCode=fluid

Articolo di L. V. King:

https://doi.org/10.1098/rsta.1914.0023

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STEP #3 - Il glossario

L'anemometro a filo caldo può essere di due tipi:

• Constant Temperature Anemometer (CTA) in cui la temperatura del filo-sonda è mantenuta costante;

• Constant Current Anemometer (CCA) in cui la corrente che scorre nel filo rimane costante.

Questo secondo tipo di sonda è poco utilizzato perché se il flusso del fluido freddo che lambisce il filo è troppo poco abbondante, c'è il rischio di bruciare lo stesso. Se invece il flusso è troppo abbondante, il filo non riesce a scaldarsi abbastanza per fornire dati apprezzabili.

L'anemometro a filo caldo a temperatura costante è costituito da:

• una sonda costituita da un filo saldato tra due spunzoni aghiformi oppure da un supporto filiforme ricoperto da un film che funge da sensore;

• un rilevatore costituito da:

• un ponte Wheatstone;
• un reostato;
• una batteria;
• un galvanometro;
• un voltmetro;
• un display.

Esempio di circuito dell'anemometro a filo caldo a temperatura costante

Sitografia:

Immagine e fonte:

https://circuitglobe.com/hot-wire-anemometer.html

Altre fonti consultate:

https://www.mouser.com/catalog/additional/ATS_Qpedia_Dec07_Understanding%20hot%20wire%20amemometry9.pdf

http://www.dept.aoe.vt.edu/~simpson/aoe4154/hotwirelab.pdf

https://www.eeworldonline.com/the-hot-wire-anemometer-part-1-principles-faq/

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Alla ricerca di testi di Anatomia

Ieri ho finalmente trovato l'autore dei volumi di anatomia che da tempo stavo cercando: il Traité complet de l'anatomie de l'homme, opera magna di Jean-Baptiste Marc Bourgery (19 maggio 1797 - giugno 1849). L'opera ha suscitato in me un interesse spropositato non tanto per le nozioni che contiene ma in quanto essa è stata illustrata da alcuni dei migliori disegnatori e maestri nel campo della litografia. Colui che spicca per numero di disegni compiuti e per pregio delle opere è Nicolas Henri Jacob, che ha realizzato 512 su 723 lastre e 2196 su 3750 illustrazioni. Altri artisti che hanno collaborato sono Charlotte A. Hublier, Jean Baptiste Léveillé, Edmond Pochet ed altri.

Questo potrebbe solamente sembrare una digressione su questo blog, ma si allaccia alla lezione di Storia delle cose. Anatomia ed antropologia degli oggetti del professor V. Marchis per ciò che riguarda le 5 proposizioni di Denis Diderot sull'anatomia. Inoltre, questa fruttuosa ricerca alimenta la mia passione per l'anatomia topografica, fondamentale se, come me, si è interessati al disegno a mano libera.

Dorso di una mano destra e polso in una litografia di N. H. Jacob

Muscoli della cassa toracica e del ventre

A presto con nuovi volumi con illustrazioni anatomiche importanti.

Sitografia: 

https://digi.ub.uni-heidelberg.de/diglit/bourgey1831bd2_2/0001/thumbs

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STEP #2 - L'immagine

L'anemometro a filo caldo costruito per la prima volta dal professor J. T. Morris nel 1920. 

Negativo numero 2492 riprodotto dagli archivi della Cambridge Instrument Co Ltd.

L'anemometro a filo caldo di MacGregor-Morris migliorato nel 1926.
Riprodotto per concessione della Chapman and Hall Limited.

Foto del 1937-1939 che ritrae un anemometro a filo caldo ne le Fotografie Aerologia e meteorologia III: Strumenti per osservazioni meteorologiche contenuto ne la Raccolta fotografica Aerologia e meteorologia conservata nel Museo Galileo di Firenze

Bibliografia:

Prime due immagini e fonte:

I. D. UNWIN, The Measurement of Air Flow in Coal Mines: A Historical Review, British Coal Corporation, 1988, par. 12

Sitografia:

Monografica di I. D. Unwin:

https://www.researchgate.net/publication/329830464_The_Measurement_of_Air_Flow_in_British_Coal_Mines_A_Historical_Review

Terza immagine:

https://bibdig.museogalileo.it/Teca/Viewer?an=000001005205

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STEP #1 - Il nome

L'anemometro a filo caldo è uno strumento che permette di calcolare la velocità e la direzione dei flussi gassosi. Esso è costituito da una sonda e da un apparato elettronico per analizzare ed elaborare i dati. La sonda è costituita da un filo scaldato elettricamente per effetto Joule, ancorato a due supporti aghiformi tramite saldatura. Il filo, se posto in un flusso gassoso, trasferisce calore a quest'ultimo e così la temperatura del filo si riduce. La diminuzione di temperatura fa variare la resistenza del filo e da ciò si deduce la velocità del flusso gassoso.

Seppur l'origine di questo strumento sia incerta, la si fa risalire ai primi anni del '900 per cui in italiano, come in molte lingue, si osserva la presenza di una parola il cui significato è "misuratore del vento" accostato alla locuzione "filo caldo". 

Anemometro in italiano (come anche nella maggior parte delle lingue europee) deriva dal greco "ànemos" vento e "mètron" misura e quindi letteralmente "strumento che misura il vento". 

In inglese questo strumento è chiamato "hot wire anemometer" con etimologia e significato del tutto analogo all'italiano.

In francese è "anémomètre à fil chaud".

In spagnolo è "anemómetro de hilo caliente".

In tedesco è "Heißdraht Anemometer" in cui la prima parola vuol dire appunto "filo caldo".

In giapponese vi sono 4 modi per indicare questo strumento ma quello più corretto riprende i caratteri utilizzati anche nel cinese tradizionale: "熱線式風速計": i primi due caratteri "nessen" filo caldo, il terzo "shiki" stile, tipologia e gli ultimi tre "fuu-soku-kei" vento, velocità e misurare. Letteralmente "misurare la velocità del vento con lo stile del filo caldo".

In cinese tradizionale (di Taiwan e Hong Kong) si scrive  "熱線風速計", quindi con scrittura e con significato del tutto simile al giapponese ma con pronuncia "rèxiàn fēngsù jì".

In cinese continentale si scrive "热线 风速计" in cui si nota la maggior semplicità dei caratteri di "stile" e "misurare". Si pronuncia come nel cinese tradizionale.

Sitografia:

Etimologia di anemometro:

https://www.etimo.it/?term=anemometro

Fonti consultate:

https://it.wikipedia.org/wiki/Misuratore_di_portata#Anemometro_a_filo_caldo

https://arwmisure.com/anemometro-a-ventolina-e-a-filo-caldo/

https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.fl.08.010176.001233?journalCode=fluid

http://web.iitd.ac.in/~pmvs/courses/mel705/hotwire1.pdf

https://tuttoin1.it/gli-anemometri/

Per le lingue orientali si ringraziano Bernardo Gonella, Anna Gonella e Michiyo Gonella Tomita, per il tedesco Luisa Giannino.

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