Come la Delay Distance e il Damping Ratio influenzano le prestazioni degli anemometri
Gli anemometri a coppe e banderuola sono contraddistinti da diverse caratteristiche tecniche, che concorrono a determinare la qualità della misura raccolta, sia essa di velocità o di direzione del vento.
In questo articolo ci soffermeremo su quelle caratteristiche che vanno a caratterizzare il comportamento di uno strumento di misura del vento durante le condizioni di regime dinamico, ovvero quando le condizioni ambientali variano repentinamente prima di raggiungere la stabilità.
Il parametro utilizzato per la qualificazione della risposta dinamica degli anemometri a coppe è la Delay Distance (dR) o Distance Constant (LU), descritta nelle norme VDI 3786-2 2000 e ASTM 5096-96.
La risposta dinamica di un misuratore di direzione del vento a banderuola è qualificata invece sia dalla Delay Distance (dR) sia dal Damping Ratio (D) o Damping Coefficient, come descritti nelle norme di riferimento VDI3786-2 e ASTM 5366-96.
Misura della velocità del vento: cosa considerare?
Durante una variazione di velocità del vento, qualsiasi anemometro non rileva immediatamente il cambiamento poiché, come in qualsiasi processo di misurazione, è presente un certo ritardo dovuto all’inerzia.
La Delay Distance è un parametro che permette di quantificare l’inerzia dello strumento nel rispondere alla variazione di velocità del vento e indica il tragitto (in metri) percorso da un volume di vento, dopo una variazione repentina di velocità, in un tempo pari al 63% (o una costante di tempo τ) del tempo totale necessario dallo strumento per raggiungere la nuova velocità.
La Delay Distance viene calcolata moltiplicando la velocità del vento per una costante di tempo specifica, ottenuta considerando l’intervallo di tempo tra il momento in cui si misura il 30% della nuova velocità del vento e il 74% della stessa. Questa procedura è rappresentata in dettaglio nella Figura 1.
Figura 1 – Andamento della misura della velocità del vento nel tempo (ISO 17713-1 2007 pag. 5).
La formula per il calcolo della Delay Distance è la seguente:
dR= U * τ
Con:
U: velocità del vento;
τ: costante di tempo.
Minore è la Delay Distance, e quindi la costante di tempo, più veloce sarà la risposta dell’anemometro a coppe nel raggiungere la misura della nuova velocità.
La norma ASTM 5096-96 richiede che la Delay Distance venga calcolata per i valori di velocità del vento di 5 m/s e 10 m/s. Affinché un anemometro possa essere considerato accurato il valore accettabile di Delay Distance dovrebbe essere ≤ 4…5 m (VDI3786-2).
Misura della direzione del vento: cosa considerare?
In questo caso, la Delay Distance rappresenta la distanza (espressa in metri) che il vento percorre nel tempo in cui la banderuola si sposta dalla sua posizione iniziale al 50% della sua posizione finale, a seguito della variazione di regime anemometrico.
Il valore della Delay Distance dipende dalla densità dell’aria e si ottiene moltiplicando la velocità dell’aria per una costante di tempo, come nel caso precedente. In questo caso, la costante di tempo τ rappresenta il tempo (in secondi) necessario affinché il sensore a banderuola si sposti dalla sua posizione iniziale al 50% della sua posizione finale.
Per un gonioanemometro con una buona risposta alle variazioni del regime anemologico, la Delay Distance dovrebbe essere inferiore a 5 m.
Un altro parametro importante per la qualificazione dei sensori a banderuola, è il Damping Coefficient.
Durante un improvviso cambio di direzione del vento, la banderuola si allineerà lungo la nuova direzione y0. Dopo aver raggiunto la posizione finale, la banderuola oscillerà intorno a y0 per alcuni secondi prima di stabilizzarsi. Questa oscillazione sarà debolmente smorzata dalla pressione dell’aria.
Figura 2 – Schematizzazione del movimento della banderuola dalla posizione iniziale a quella finale (sinistra); grafico delle oscillazioni della banderuola nel tempo al variare del Damping Ratio (h), con comportamento smorzato, non smorzato e debolmente smorzato (destra).
Il Damping Coefficient deve assumere valori D < 0,6 per garantire un debole smorzamento della banderuola. Secondo le indicazioni della norma VDI3786-2, i valori ottimali del coefficiente per mantenere la banderuola in campo debolmente smorzato sono tra 0,2 e 0,3.
Il Damping Ratio è dato dalla seguente relazione:
Con:
a1: ampiezza prima oscillazione
a3: ampiezza seconda oscillazione