Análisis y simulación de las actuaciones del anemómetro de cazoletas
Authors:   , Alfonso Corcuera Daniel 
Published: May 2024

The cup anemometer is currently the most popular wind measurement instrument in different sectors. Its robustness and reliability make that, in spite of being an instrument with more than a century of trajectory, it is still seen as the reference instrument for wind speed measurement.

Despite the long trajectory of the cup anemometer, the instrument presents different lines of research whose results can lead to improvements in accuracy, reliability or even range of use-cases of the instrument.

On the one hand, the analysis of the influence that external factors can have on the performance of the instrument stands out. The cup anemometer is an instrument used predominantly outdoors, frequently subjected to extreme operating conditions and whose location changes not only in latitude and longitude, but also in altitude. In this doctoral thesis, the influence that the operating temperature of the cup anemometer and its aerodynamics can have on the evolution of the friction torque is studied, analyzing the deviation that these factors can cause on the measurements of the instrument.

On the other hand, the effects that the presence of ice and/or dirt on the instrument's rotor has on the mean wind speed measurements and on the output signal characteristics are analyzed experimentally. The work presents an analysis of the deviations on the real wind measurement and on the decomposition of the anemometer output signal in Fourier series.

Additionally, the effect that the modification of the operating density of the cup anemometer with respect to the calibration density can have on the transfer function of the instrument has been studied, through the analysis of experimental results.

Another line of research included in the present thesis is the study of the feasibility of using the cup anemometer in stratospheric balloon missions, comprising the design, construction and analysis of the data obtained by a cup anemometer in the B2Space balloon mission.

Finally, taking into account the complexity of the different phenomena that affect the instrument, as well as the different subsystems, a simulator has been developed to model the different systems that make up the cup anemometer and the phenomena that make up its operation. Within the simulated systems, special attention has been paid to the optoelectronic system of the instrument as well as to the errors associated with it. The objective is to analyze the errors associated with the optoelectronic system and their influence on the calibration of the instrument and its performance.

RESUMEN

El anemómetro de cazoletas es actualmente el instrumento de medida del viento más popular en diferentes sectores. Su robustez y fiabilidad hacen que, a pesar de ser un instrumento con más de un siglo de trayectoria, siga siendo visto como el instrumento referente para la medida de la velocidad del viento.

A pesar de la larga trayectoria del anemómetro de cazoletas, el instrumento presenta diferentes líneas de investigación cuyos resultados pueden derivar en mejoras de la exactitud, fiabilidad o incluso alcance del instrumento.

En primer lugar, destaca el análisis de la influencia que factores externos pueden tener sobre las actuaciones del instrumento. El anemómetro de cazoletas es un instrumento utilizado predominantemente en exteriores, sometido frecuentemente a condiciones extremas de funcionamiento y cuyo emplazamiento no solo cambia en latitud y longitud, sino también en altitud. En la presente tesis doctoral se realiza en un estudio de la influencia que la temperatura de operación del anemómetro de cazoletas y la aerodinámica del mismo pueden tener sobre la evolución del par de fricción, analizándose la desviación que dichos factores pueden causar sobre las medidas del instrumento.

En segundo lugar, se ha estudiado de forma experimental los efectos que sobre las medidas de la velocidad media del viento y sobre las características de la señal de salida tiene la presencia de hielo y/o suciedad en el rotor del instrumento. En el trabajo se analizan las desviaciones sobre la medida real de viento y sobre la descomposición de la señal de salida del anemómetro en series de Fourier.

En tercer lugar, se ha estudiado el efecto que la modificación de la densidad de funcionamiento del anemómetro de cazoletas respecto a la densidad de calibración puede tener en la función de transferencia del instrumento, mediante el análisis de resultados experimentales.

Otra de las líneas de investigación incluidas en la presente tesis es el estudio de la viabilidad del uso del anemómetro de cazoletas para misiones de globos estratosféricas, comprendiendo el trabajo realizado el diseño, construcción y análisis de los datos obtenidos por un anemómetro de cazoletas en la misión B2Space.

Finalmente, teniendo en cuenta la complejidad de los diferentes fenómenos que afectan al instrumento, así como de los diferentes subsistemas, se ha desarrollado un simulador que modeliza los diferentes sistemas que componen el anemómetro de cazoletas así como los fenómenos que conforman su funcionamiento. Dentro de los sistemas simulados, se ha prestado especial atención al sistema optoelectrónico del instrumento así como a los errores asociados al mismo. El objetivo es analizar los errores asociados al sistema optoelectrónico y su influencia en la calibración del instrumento y sus actuaciones.