Anémomètre

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Modèle ancien d'anémomètre, construit par un fabricant espagnol (José Graselli), daté de 1870
Cadran d'anémomètre

Un anémomètre est un appareil permettant de mesurer la vitesse ou la pression du vent.

L'anémomètre est également l'appareil qui permet de mesurer la vitesse du vent relatif dans un avion (synonyme courant : badin).

Étymologie[modifier | modifier le code]

Anémomètre est un terme du XVIIIe siècle, composé du préfixe « anémo » (en grec « ἀνεμος », « anemos », en français « vent ») et du suffixe « mètre » (« mesure »)

Deux types d'anémomètres[modifier | modifier le code]

Les anémomètres peuvent être divisés en deux classes :

  1. ceux qui mesurent la vitesse ;
  2. 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 fournira des informations sur les deux quantités. Le premier anémomètre a été inventé par Leone Battista Alberti au XVe siècle[1].

Anémomètre à coupelles (dit de Robinson)[modifier | modifier le code]

Anémomètre à coupelles

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

Lorsque le vent souffle, il rencontre 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. La vitesse du vent est alors très approximativement égale à la vitesse de déplacement du centre des coupelles, elle même proportionnelle au nombre de tours par seconde de l'anémomètre :

V = 2\pi\cdot \mathcal{F}(N)\cdot R\cdot N

avec :

\cdot V : vitesse du vent [m/s]
\cdot R : rayon moyen des bras (de l'axe de rotation jusqu'au centre des coupelles) [m]
\cdot N : nombre de tours par seconde [1/s]
\cdot \mathcal{F}(N) : fonction d'étalonnage

La fonction d'étalonnage traduit les propriétés aérodynamiques de l'anémomètre et les frottements qui altèrent le mouvement de rotation de l'anémomètre. Elle dépend des dimensions et matériaux de l'anémomètre et de sa vitesse de rotation. Seuls des essais en soufflerie à différents régimes de vent permettent de la déterminer précisément.

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.

Les deux grands mérites de cet anémomètre sont sa simplicité et pratiquement 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, quand 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 XIXe siècle comportent des erreurs allant jusqu'à 60 %.

Anémomètre à hélice

Anémomètres à hélice[modifier | modifier le code]

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. C'est également le cas sur les éoliennes.

Anémomètre à ultrason[modifier | modifier le code]

Anémomètre à ultrasons à trois chemins

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 de fréquence (suivant le principe de l'effet Doppler), la vitesse du vent le long de l'axe formé 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[modifier | modifier le code]

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

Anémomètre à boule[modifier | modifier le code]

Anémomètre de Daloz au musée de la mer de Paimpol

Conçu au début du XXe siècle, l'anémomètre de Daloz est basé sur la vitesse limite atteinte par une boule sphérique en chute libre.

Anémomètre à tube[modifier | modifier le code]

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.

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

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

Anémomètre à tube de Pitot[modifier | modifier le code]

Article détaillé : 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 amélioré 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 il est, du point de vue technologique, le successeur du système Etévé.

Le tube de Pitot est un élément constitutif du système anémobarométrique, constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon particulière.

  • L'un est placé orthogonalement au déplacement. Il est dans un fluide dont la vitesse relative est la vitesse d\scriptstyle V à mesurer et dont la pression statique \scriptstyle P_s est la pression ambiante.
  • L'autre est placé dans le sens de l'écoulement. Il a une vitesse relative nulle et une pression totale \scriptstyle P_t,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 primordiales pour le pilote qui en a besoin pour calculer son déplacement dans l'espace (navigation) et la consommation de son véhicule. Ceci résulte du théorème Bernoulli, en négligeant le terme z pour avoir une relation directe entre la vitesse et la pression dynamique \scriptstyle P_t - P_s qui se mesure avec un capteur de pression ou un simple manomètre.

\textstyle{\frac 1 2} \rho V^2 + P_s = 0 + P_t , d'où \textstyle V = \sqrt \frac {2(P_t - P_s)}{\rho}

dans laquelle :

\textstyle  V  : vitesse du déplacement (ou du vent) [m/s]
\textstyle  P_s  : Pression ambiante (statique) mesurée orthogonalement [Pa]
\textstyle  P_t  : Pression totale (dynamique + statique) mesurée tangentiellement [Pa]
\textstyle \rho : Masse volumique du fluide [kg/m3]

Anémomètre à fil chaud[modifier | modifier le code]

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. L'élément résistif étant placé dans un pont de Wheatstone, la variation de résistance due à la convection déséquilibre le pont. Un voltmètre placé au milieu de ce dernier permet de lire la tension de déséquilibre du pont, et par suite, si l'anémomètre est calibré, la vitesse de l'air.


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 système et analysée par un détecteur (12).

Autres dispositifs pour étudier le vent[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Alain Liotier, « Anémomètre », Évolution technique et inventions, sur Anémotech (consulté le 2 août 2013)

Annexes[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]

  • Anémotech - Construire un anémomètre à hélice bipale