Anemómetro – indicador de velocidad aerodinámica

Es un medidor de presión, diseñado de modo que pueda transformar la presión en millas por hora, nudos, o cualquier otra unidad de velocidad.
El sistema utiliza las tomas estáticas para medir PS; el sistema pitot para medir Ps + PD (Presión
total). Un diafragma barométrico, y el indicador propiamente dicho.

La medida de la velocidad se realiza comparando la presión de impacto obtenido por medio del Tubo Pitot con lo presión estática al nivel en el que se vuela. Con esta diferencia, puede obtenerse una lectura de la velocidad de acuerdo con la presión:

Pt-Ps = ½ ρV²

Al depender el valor de la velocidad de la densidad, el instrumento medidor debería ser capaz de ir obteniendo distintos valores de la misma conforme fuese variando la altitud y temperatura  de vuelo, como el instrumento no lleva asociado ningún mecanismo que proporcione valor de dicha densidad, se toma un valor fijo de esta. Éste es el que tiene a nivel del mar en atmósfera estándar, con lo cual la velocidad es:

V=√2(Pt – Ps/ ρ0

consiguiendo de esta forma mayor simplicidad para el cálculo.

Se deduce rápidamente que esta medida de la velocidad nace desde su origen con ciertos errores que se habrán de tener en cuenta en la interpretación de los resultados obtenidos, tanto por considerar la densidad sólo o nivel del mar como por no tener en cuenta la compresibilidad del aire.

EL ANEMÓMETRO CONSTRUCCIÓN Y PRINCIPIO DE OPERACIÓN

El primer paso en la construcción de un instrumento que proporcione una lectura de velocidad (anemómetro) es conseguir los valores de las presiones de impacto y estática. La diferencia entre ambas presiones es la presión dinámica, la cual es proporcional a la velocidad. El sistema Pitot-Estática actúa como elemento detector.

Desde el Tubo Pitot se recibe el aire de impacto que se comunica con el interior de una capsula flexible instalada en la caja hermética del instrumento, caja que se expande y contrae conforme aumente (mayor velocidad) o disminuye la presión de impacto (menor velocidad).

Las tomas estáticos se conectan directamente con el inferior de la caja, que contiene el instrumento, al exterior de la cápsula.

Por lo tanto, es en la capsula donde se realiza la comparación deseada entre las dos presiones Pt y PS. La capsula es el elemento sensible del anemómetro.

A través de unas conexiones mecánicas, se une la capsula a una aguja o dispositivo análogo (tambores indicadores de dígitos) que proporcione lectura sobre una escala de velocidades. Las unidades de medida de la velocidad de avance longitudinal de la aeronave son km/hora, millas terrestres por hora (MPH) o nudos (millos náuticos/hora; KT). El error por temperatura asociada a la capsula utilizada para medir la diferencio de presiones es corregido por medio de láminas bimetálicas, las cuales se instalan solo cuando se requiere una elevada precisión del instrumento, ya que este error es insignificante en el indicador de velocidad.

Los JAR/OPS 1 establecen que los anemómetros deben indicar la velocidad en nudos, aunque eso no limita a que el instrumento disponga de varias escalas de lectura donde se utilicen, además de los nudos, otro tipo de unidad.

Debido a la ley cuadrática que sigue la velocidad, la distancia entre las marcas en la escala del instrumento debe ir aumentando, lo que origina dos efectos negativos: por un lado, falta de precisión en la lectura y, por otro, aumento de tamaño de la escala conforme llegamos a valores altos de velocidad.

Para paliar estos efectos, los elementos que unen la cápsula con los elementos indicadores del instrumento contienen compensadores de dicha ley cuadrática para conseguir linealidad en las indicaciones

ERRORES DEL ANEMÓMETRO

Como se deduce de lo expuesto anteriormente, un instrumento medidor de velocidad construido bajo los supuestos anteriores (densidad constante, no hoy perturbaciones, etc.), tiene errores importantes que hacen del mismo un instrumento válido siempre y cuando se conozcan y se sepan interpretar estos errores.

Estos son:

Error de instrumento (Ei)

Es el error derivado de la falta de precisión en la construcción de cada instrumento en particular (distintas tensiones y elasticidad de los elementos, efecto de lo temperatura en los metales y cápsulas, etc.). Será pues diferente para cada tipo de anemómetro. Los valores máximos permitidos por defectos en los mecanismos son establecidos por los estándares de certificación de los JAA. El fabricante deberá ajustar su valor o unos márgenes aceptables predeterminados.

Error de instalación/ posición (Ep)

Aunque son dos errores distintos, normalmente sus efectos son tenidos en cuenta de un modo conjunto.

El error de instalación es causado por elementos tales como lo longitud y curvatura de las conducciones, es decir, depende del elemento transmisor. Será igual para todas las aeronaves del mismo tipo y serie.

El error de posición es debido a la casi imposibilidad de que las tomas de presión, debido al lugar donde se encuentran, no se vean afectados por fenómenos tales como turbulencias, derrapes o cambios de posición de la aeronave.  Afecta sobre todo a las tomas estáticas. El modo de solucionar este problema pasa por la realización de ensayos que determinen las zonas donde menos se ven afectadas estas tomas. Este error debe ser incluido en Manual de Vuelo de la aeronave y conocido por la tripulación.

Error de compresibilidad (EC)

Ya se ha dicho que no se tiene en cuenta la compresibilidad del aire a la hora de hacer estudio de la fórmula para conseguir un valor de la velocidad. Eso no es del todo cierto, pues a la hora  de calibrar el instrumento se le introduce el valor del factor de compresibilidad. Este es:

(1+M²/4 + M4/40+…)

De este factor se desprende que la compresibilidad del aire depende, no solo de la velocidad a la que se vuela, sino también de la velocidad del sonido para ese nivel (M=TAS/C).

Por tanto, cuanto más rápido y alto se vuele (C disminuye debido a la menor temperatura del aire), mayor será el valor de la compresibilidad. Velocidades superiores o 250 nudos, ó 0.5/0.6 de Mach tienen errores de compresibilidad que deben ser tenidos en cuenta a la hora de realizar cálculos correctos de navegación y planificación del vuelo. Los anemómetros están calibrados tanto para una densidad a nivel del mar en atmósfera tipo, como para un valor de la velocidad del sonido en esas mismas condiciones. Este factor de la compresibilidad se tiene en cuenta para la calibración del instrumento para unas condiciones de temperatura iguales a las de la atmósfera tipo a nivel del mar. Cuando se vuela en estas condiciones, el instrumento no tiene error por compresibilidad

Cuando no se cumplan, a la velocidad indicada habrá que restarle un valor igual al factor de compresibilidad yo que un anemómetro indica mayor velocidad cuando no se tiene en cuenta este factor (con velocidad positiva el factor es mayor de uno en valor absoluto). Dicha corrección se obtiene de las tablas correspondientes en el Manual de Vuelo de la aeronave.

Pt – Ps = ½  ρ0 (1+M²/4 + M4/40+…)

Error de densidad (Ed)

Este error es originado por la diferencio existente entre el valor de la densidad del aire en la atmósfera real con respecto al valor de está en atmósfera  tipo a nivel del mar. Cuando se vuele en estas últimas condiciones no se consideraran ni el error de densidad ni el de compresibilidad.

Su funcionamiento del anemómetro es como sigue:
Dentro de la cápsula barométrica, el sistema pitot introduce la presión total (Pt). Por el orificio A, se hace llegar la presión estática, ó PS.

La cápsula se dilata exclusivamente por efecto de PD (Presión dinámica), ya que las presiones
estáticas Ps se anulan al estar dentro y fuera de la cápsula.

Matemáticamente:
Ps + PD = Pt (Se conoce Pt y PS, luego:) PD = Pt – Ps = 1/2 ρ V2

Por tanto, el dilatamiento de la cápsula está midiendo el valor de 1/2 (ρV2)permanentemente.
Es importante notar que son dos los factores que influyen en la medición: densidad y velocidad
del aire.

Una indicación de ISO nudos por ejemplo, puede ser consecuencia de una alta velocidad y baja
densidad, o de baja velocidad y alta densidad en la proporción suficiente para que 1/2 (ρ V2) valga también ISO nudos.

DISTINTAS VELOCIDADES INDICADAS POR EL ANEMÓMETRO.

El Piloto debe saber «qué está marcando el anemómetro», ya que en muchas ocasiones la posición de la aguja indicadora no refleja la velocidad de las partículas de aire que rodean al avión, o movimiento relativo aire-avión

IAS.– (Indicated Air Speed), o velocidad indicada, es la velocidad leída directamente en el instrumento.

CAS.- (Calibrated Air Speed), o velocidad calibrada. Algunos sistemas anemométricos presentan un error controlado, por construcción o por otras causas, entre la indicación directa y la real. Son errores de calibración, o tara de instrumento.
Su valor no suele ser muy grande, 1 ó 2 nudos, y es posible conocerlo consultando la tabla de correcciones.
El piloto no cometerá un gran error considerando las IAS como CAS, en el caso de no disponer de la tabla de comprobación

TAS.- (True Air Speed), o velocidad verdadera. El significado de esta velocidad, a veces causa
problemas de comprensión a los pilotos novatos.
Recordemos que la cápsula barométrica mide, con sus dilataciones, el valor de: PD = 1/2 ρV2. Esta dilatación se transmite a un sistema mecánico que transforma la presión en unidades de velocidad.
El sistema mecánico está ajustado para anular el efecto de la densidad estandard a nivel
del mar.
Por tanto, cualquier medición que se realice a una altitud distinta, por ejemplo 10.000 píes, introduce el ERROR DE DENSIDAD.
La TAS, será la velocidad IAS ó CAS (caso de disponer de las tablas de errores), CORREGIDA POR ERROR DE DENSIDAD. –
Esta diferencia puede llegar a ser muy grande. Por ejemplo, una IAS de 150 Kts. indicados
al nivel del mar, en una atmósfera estandard, son 150 Kts. TAS. Sin embargo, los mismos 150 Kts. IAS indicados a I10.000, son 175 Kts. TAS .
El cálculo de TAS debe hacerse con el calculador de vuelo, partiendo de la IAS, midiendo la temperatura exterior y corrigiendo el error de densidad, debido a la altura y la temperatura.
Algunos anemómetros llevan incorporado un pequeño calculador en el mismo indicador, que permite medir la TAS, tomando como base la IAS, la altitud de vuelo y la temperatura exterior.

EAS.- (Equivalent Air Speed), o velocidad equivalente. Cuando el avión vuela muy rápido, aparece un nuevo error de medición, debido al efecto de la compresibilidad del aire.
Este error no es importante a velocidades inferiores a 250 nudos, o 10.000 pies de altura

SIGNIFICADO DE LAS MARCAS Y COLORES EN EL ANEMÓMETRO.
Los anemómetros tienen señaladas algunas velocidades o márgenes de velocidades, con un código
de colores, cuyo significado el Piloto debe conocer.

Línea roja.
Indica la VNE o velocidad que no debe sobrepasarse en ningún caso. (VNE significa «never exceed»)

Arco amarillo.
Margen de precaución. El avión podría dañarse estructuralmente, en aso de encontrar ráfagas o
«meneos’ muy fuertes. En caso de turbulencia, es recomendable no volar dentro de este arco.
El arco amarillo tiene como límite superior la VNE, e inferior la VNO, o velocidad máxima estructural en vuelo de crucero. (VNO significa «normal operating»).

Arco verde .
Margen normal de operación. Su límite superior es la VNO y el inferior la velocidad a la cual el avión entraría en pérdida en la condición de: peso máximo, flaps retraídos, tren de aterrizaje
arriba y sin motor (normalmente el tren de aterrizaje no tiene efectos sensibles sobre la velocidad
de pérdida). Esta velocidad se llama Vs1.
En este margen, el avión no tendrá problemas estructurales en caso de vuelo en turbulencia moderada (rachas verticales hasta de 30 pies por segundo).

Arco blanco.
Margen normal de operación con los flaps extendido. Su límite superior es la máxima velocidad
de operación con los flaps completamente extendidos, normalmente conocida como VF (Velocidad de flaps). –
El límite inferior es la velocidad de pérdida en la situación de: peso máximo, flaps completamente
extendidos, tren de aterrizaje fuera, y sin motor. Esta velocidad se conoce como VSO.

IMPORTANTE.
Hemos hablado antes de que el anemómetro puede indicar distintas velocidades: lAS, CAS, TAS, EAS.
El Piloto se preguntará: ¿Cuál de las anteriores son las indicadas por los códigos de marcas y
colores? .
ESTAS MARCAS TOMAN SIEMPRE COMO REFERENCIA LAS VELOCIDADES INDICADAS(IAS)
Por tanto si un avión entra en perdida por ejemplo: a una velocidad de 40 m.p.h., lo hará siempre
que aparezca esta velocidad indicada ea el anemómetro, INDEPENDIENTE DE SU ALTITUD.
Esto es así, puesto que el sistema de pitot se ve afectado por el mismo error de densidad que
afecta al resto de fuerzas, que son creadas en torno al avión: sustentación, fuerzas estructurales,
controlabilidad, potencia desarrollada por el motor, etc.

Para saber más:

Anemómetro, nociones básicas