Anémomètre

Anémomètre - terme du XVIIIe siècle, composé du préfixe anémo- en grec ἀνεμος, anemos, «vent» et du suffixe -mètre, «mesure» - est un appareil servant à mesurer la vitesse ou la pression du vent.

Deux types d'anémomètres

Les anémomètres peuvent être divisés en deux classes :

ceux qui mesurent la vitesse
ceux qui mesurent la pression du vent

Cependant, il y a une relation étroite entre la vitesse et la pression. Ainsi, un appareil prévu pour une mesure apportera des informations sur les deux quantités. Le premier anémomètre a été découvert par Leone Battista Alberti au XVe siècle.

Anémomètre à coupelles (dit de Robinson)

L'anémomètre à coupelles a été découvert par John Thomas Romney Robinson. Il se compose de 3 demi-coquilles (de la taille d'une balle de baseball) disposées sur des bras horizontaux disposés à 120 degrés et montées sur un axe vertical équipé d'un système de comptage de tours ; la vitesse de rotation de l'anémomètre est proportionnelle à la vitesse du vent.

En effet, on mesure la vitesse du vent par la formule suivante : $V [m/s]= r [m] \times \omega\,$
avec :

$r \,$ : rayon moyen des bras [m]

$\omega \,$ : vitesse de rotation en radian par seconde

$\omega = 2.\pi.N\,$

$N \,$ : régime de rotation en tour par seconde

Exemple : r = 4 cm = 0, 04 m

V = 0, 04 x 2 x 3, 1415 x N = 0, 25 N

V = 0, 25 N

Pour l'anémomètre standard (diamètre des coupelles de 6 centimètres), une vitesse de rotation d'un tour par seconde correspond à un vent soufflant à une vitesse de 1 m/s, soit 3, 6 km/h. Ce type d'anémomètre est capable de mesurer des vitesses de vent comprises entre 0 et près de 200 km/h. Des vitesses supérieures entraîneraient des contraintes que les coupelles ne pourraient pas supporter. Mais des vents d'une telle violence ne se rencontrent que dans les tornades ou les cyclones.

Quand le vent souffle, il fait la connaissance de alternativement une coupelle creuse puis bombée. Selon les lois de l'aérodynamique, un creux oppose plus de résistance qu'une forme bombée au passage de l'air. Cette différence provoque la rotation de l'anémomètre.

Les deux grands mérites de cet anémomètre sont sa simplicité et quasiment l'absence d'une limitation dans la gamme de vitesses mesurables ; mais s'il est utilisé sans équipement d'enregistrement de données électroniques, une rafale courte mais violente n'est pas enregistrée. Malheureusement, lorsque Robinson a présenté son anémomètre, il a déclaré que la taille des coupelles et la longueur des bras n'avaient pas d'influence sur le résultat de la mesure. Cette affirmation était apparemment confirmée par quelques expériences indépendantes. Il s'est avéré plus tard que le rapport entre la vitesse du vent et la dimension des coupelles (le facteur) n'est pas constant et dépend en grande partie de la dimension de coupelles et de la longueur des bras. Il en découle que les valeurs citées dans les publications officielles du 19e siècle comportent des erreurs allant jusqu'à 60%.

Anémomètres à hélice

Ressemblant à de petits avions, ils sont couplés à une girouette et s'orientent dans la direction du vent. L'hélice, qui mesure la vitesse du vent, tourne autour d'un axe horizontal.

Parmi les types d'anémomètres moins courants, on trouve des anémomètres constitués de deux hélices tournant autour de deux axes fixes, horizontaux et perpendiculaires. On calcule la force et la direction du vent en corrélant les vitesses de rotation des deux hélices. aussi pour les éoliennes.

Anémomètre à ultrason

Il existe aussi des anémomètres à ultrasons. La mesure du vent est basée sur la mesure de la durée de déplacement d'une onde ultrasonore. Deux couples de transducteurs ultrasonore sont alternativement émetteurs et récepteurs d'un train d'onde ultrasonore. Les temps de transits aller et retour sont mesurés et on en déduit, par différence, la vitesse du vent le long de l'axe constitué par les deux transducteurs. L'intérêt de ce type d'anémomètre est de ne pas avoir de pièces en mouvement et de pouvoir mesurer un vent turbulent.

Anémomètre à plaque

Le plus simple des anémomètres de ce type consiste en une plaque carrée ou circulaire tenue en face du vent par une girouette. On mesure la force exercée par le vent sur la plaque. Les instruments de ce type sont particulièrement précis pour les vents faible ou lors de variations lentes de ce dernier.

Anémomètre à tube

L'anémomètre de Lind consiste simplement en un tube en U contenant un liquide avec une extrémité pliée horizontalement pour faire face au vent.

Le vent soufflant dans l'ouverture du tube provoque une pression qui peut se transmettre à n'importe quel instrument. Le tube peut être guidé par une girouette.

Quasiment, le dispositif peut être sensible à n'importe quel vent qui peut faire tourner la girouette. Son avantage est qu'il peut être installé à des lieux d'accès complexe comme en haut d'un poteau avec le système d'enregistrement à son pied.

Il peut être installé sans avoir besoin d'entretien durant des années.

Anémomètre à tube de Pitot

Le tube de Pitot doit son nom au physicien français Henri Pitot (1695-1771) qui fut le premier en 1732 à proposer une “machine pour mesurer la vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux”. Le concept est repris et perfectionné par Henry Darcy puis par Ludwig Prandtl qui pense à utiliser le tube dans une canalisation pour mesurer les vitesses locales d'écoulement des fluides.

En aéronautique du point de vue technologique, il est le successeur du dispositif Etévé. Le tube de Pilon est un élément constitutif du dispositif anémobarométrique. Il est constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon spécifique. L'un, positionné orthogonalement, a une vitesse relative v identique à la vitesse du fluide et une pression statique ps identique à la pression ambiante.

L'autre, positionné dans le sens de l'écoulement, a une vitesse relative nulle et une pression totale pt, somme de la pression dynamique et de la pression statique. La différence entre ces pressions donne la vitesse air de laquelle on peut déduire la vitesse sol, ces deux paramètres étant des informations essentielles pour le pilote qui en a besoin pour calculer son déplacement dans l'espace (navigation) et la consommation de son véhicule. Il suffit alors d'appliquer le théorème de Bernoulli en négligeant le terme z pour avoir une relation directe entre la vitesse et la pression dynamique pt -ps qu'on mesure avec un capteur de pression ou un simple manomètre.

V²/2 + Ps/P = 0 + Pt/P d'où V² = 2 (Pt - Ps) /P

Ps : pression statique Pt : pression totale P : masse du volume V : vitesse

Anémomètre à fil chaud

On chauffe un fil métallique en y faisant traverser un courant électrique. La résistance électrique augmente avec la température. Le fil est refroidi par le vent. Plus le vent souffle fort, plus le fil est refroidi et plus la résistance électrique diminue.

Autres systèmes pour étudier le vent

Principe de l'anémomètre-laser. Un rayon laser est projeté (1) au travers de la lentille frontale (6) de l'anémomètre et modifié par le mouvement des molécules d'air (7). la radiation modifiée est réintroduite par un miroir dans le dispositif et analysée par un détecteur (12).

Mesure ultrasonique basée sur l'effet Doppler
Mesure du déplacement d'une particule avec deux rayons laser.
La manche à air
La main

Liens externes

[1] Construire un anémomètre à hélice bipale. Etude complète.

L'anémomètre est aussi l'appareil qui sert à mesurer le vent relatif dans un avion. Voir l'article Instruments de vol.

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