Este manuscrito describe un procedimiento completamente controlado por ordenador que permite la obtención de parámetros estadísticos confiables de experimentos de ondas del agua emocionados forzando el viento inestable y estable en una instalación de pequeña escala.
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Artículo de método
Mediciones de las ondas en un tanque de ondas de viento con viento constante y varían con el tiempo obligando a
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Resumen
Resumen
Este manuscrito describe un procedimiento experimental que permite obtener diversa información cuantitativa sobre la evolución temporal y espacial de ondas del agua excitadas por forzamiento dependiente del tiempo y el constante viento. Calibre de onda tipo de capacitancia y láser cuesta calibre (LSG) se utilizan para medir la elevación de agua la superficie y dos componentes de la pendiente superficial instantánea en varios lugares a lo largo de la sección de prueba de una instalación eólica-onda. El ventilador controlado por ordenador proporciona flujo de aire sobre el agua en el tanque cuya tasa puede variar en el tiempo. En los presentes experimentos, la velocidad del viento en la sección de prueba inicialmente aumenta rápidamente del resto al valor programado. Luego se mantiene constante durante el tiempo prescrito; Finalmente, se cierra el flujo de aire. Al comienzo de cada corrida experimental, la superficie del agua está en calma y sin viento. Operación del ventilador se inicia simultáneamente con la adquisición de los datos facilitados por los sensores de una computadora; adquisición de datos continúa hasta que las olas en el tanque completamente decaen. Múltiples carreras independiente realizados bajo idénticas condiciones de fuerza permiten determinar estadísticamente fiable un promedio conjunto de parámetros característicos que describen cuantitativamente la variación de las ondas del viento en el tiempo para la etapa de desarrollo inicial como un función de recuperación. El procedimiento también permite caracterizar la evolución espacial del campo de onda bajo forzamiento de viento constante, así como descomposición de ondas en el tiempo, una vez que el viento se apaga, como una función de recuperación.
Introducción
Desde la antigüedad, ha sido bien sabido que las ondas en las superficies de agua se excitan por el viento. La comprensión actual de los mecanismos físicos que gobiernan este proceso está lejos de ser satisfactoria. Numerosas teorías que intentan describir la generación de olas de viento se han propuesto sobre los años1,2,3,4, sin embargo su validación experimental confiable aún no está disponible. Mediciones de viento al azar-olas en el océano son extremadamente difíciles debido al viento impredecible que puede variar rápidamente en la dirección, así como en magnitud. Experimentos de laboratorio tienen la ventaja de condiciones controlables que permiten realizar mediciones prolongadas y repetitivas.
Bajo constante viento forzando en el entorno de laboratorio, viento-olas de evolucionan en el espacio. Primeros experimentos de laboratorio sobre ondas bajo constante obligando a cabo hace décadas fueron limitados a elevación instantánea de la superficie medidas5,6,7,8. Estudios más recientes también emplean varias técnicas ópticas para medir el ángulo de inclinación superficial de agua, como LSG9,10. Las medidas permiten conseguir algunos limitada información cualitativa sobre la estructura tridimensional de los campos de onda de viento. Cuando obligando al viento es inestable, como en experimentos de campo, complejidad adicional se introduce al problema de la excitación de ondas del agua por el viento, ya que los parámetros estadísticos del campo de la onda resultante varían no sólo en espacio sino en el tiempo así. Los intentos realizados hasta ahora para describir patrones de wave de evolución cualitativa y cuantitativamente bajo forzamiento dependiente del tiempo eran solamente parcialmente acertados11,12,13,14 , 15 , 16. la contribución relativa de diferentes mecanismos físicos plausibles que puede conducir a excitación y crecimiento de las olas debido a la acción del viento sigue siendo en gran parte desconocidos.
Nuestro centro experimental fue diseñado con el fin de permitir la acumulación de la información estadística precisa y diversa sobre la variación de características del campo de onda de viento bajo ya sea estable o inestable viento obliga a. Dos grandes factores facilitaron llevar a cabo estos estudios detallados. En primer lugar, el tamaño modesto de los resultados de la instalación en relativamente corta evolución característica escala en tiempo y espacio. En segundo lugar, el experimento completo es controlado completamente por un computador, permitiendo la realización de carreras experimentales en diferentes condiciones experimentales automáticamente y prácticamente sin intervención humana. Estas características de la instalación experimental son de crucial importancia en la realización de experimentos sobre ondas emocionadas resto viento impulsivo.
Crecimiento espacial de viento-olas bajo forzando constante ha sido estudiado en nuestras instalaciones para una amplia gama de velocidades de viento17. Resultados fueron comparados con las estimaciones de la tasa de crecimiento basadas en la teoría de18 Miles presentada por planta19. La comparación reveló que los resultados experimentales difieren notablemente de las predicciones teóricas. Parámetros importantes adicionales también fueron obtenidos en17, como la caída de la presión media en la sección de prueba, así como las fases de las fluctuaciones de la presión estática característica y valores absolutos. El esfuerzo cortante en la interfase aire-agua es esencial para la caracterización de la transferencia de momentum y energía entre el viento y las olas17,19. Por lo tanto, medidas de la capa límite logarítmica y de las fluctuaciones turbulentas en el flujo de aire sobre el agua las olas se realizaron en numerosos alcances y viento velocidades20detalladas. Los valores de la fricción velocidad u* en la interfase aire-agua determinada en este estudio se utilizaron para obtener parámetros estadísticos sin dimensiones de las olas de viento medidos en la planta21. Estos valores se compararon con los parámetros adimensionales correspondientes obtenidos en grandes instalaciones experimentales y experimentos de campo. Se demostró anteriormente21 que con escala adecuada, las características importantes del campo de onda de viento obtenidos en nuestras instalaciones en pequeña escala no difieren significativamente de los correspondientes datos acumulados en el laboratorio más grande instalaciones y mediciones de mar abierto. Estos parámetros incluyen el crecimiento espacial de la altura representativa de ola y la longitud de onda, la forma del espectro de frecuencia de la elevación de la superficie, así como los valores de los momentos estadísticos superiores.
Los estudios posteriores realizados en nuestro centro,22,23 demostraron que las ondas de viento son esencialmente al azar y tridimensional. Para obtener una mejor penetración en la estructura 3D de las olas de viento, se intentó realizar mediciones cuantitativas dependientes del tiempo de elevación de superficie de agua sobre un área extendido usando proyección de imagen video stereo22. Debido a la potencia de los ordenadores inadecuada en algoritmos de procesamiento y presente que todavía no son lo suficientemente eficaces, estos intentos resultaron para ser solamente parcialmente acertados. Sin embargo, se demostró que el uso combinado de un medidor de onda convencional de tipo de capacitancia y la LSG ofrece valiosa información sobre la estructura espacial de las ondas de viento. Aplicación simultánea de ambos instrumentos permite mediciones independientes con alta resolución temporal de la elevación instantánea de la superficie y de los dos componentes de la pendiente superficial instantánea23. Estas medidas permiten la estimación de la frecuencia dominante y longitud de onda dominante de las olas, así como proporcionar la penetración en la estructura de onda en la dirección normal al viento. Un tubo de pitot, que se puede mover verticalmente por un motor controlado por ordenador, complementa el conjunto de sensores y se utiliza para mediciones de velocidad del viento.
Todos esos estudios dejó claro que la aleatoriedad y la tridimensionalidad del viento olas causar variabilidad significativa de los parámetros medidos para constante viento obligando a y una sola ubicación de medición. Prolongada por lo tanto, las mediciones con una duración acorde con el tiempo característico de escalas del campo de onda medida son necesarios para acumular suficiente información para extraer cantidades estadísticas confiables. Para obtener unos valiosos conocimientos físicos los mecanismos que regulan la variación espacial del campo de la onda, es imperativo llevar a cabo mediciones en numerosos lugares y de tantos valores de la tasa de flujo de viento como sea posible en la sección de prueba. Para lograr este objetivo, así es muy conveniente aplicar un procedimiento experimental automatizado.
Experimentos sobre ondas excitados por viento inestable obliga a introducen un nivel adicional de complejidad. En estos estudios, es imprescindible relacionar los parámetros medidos instantáneos hasta el nivel instantáneo de la velocidad del viento. Examinar experimentos sobre ondas emocionado resto Forzando un viento casi impulsivo como un ejemplo importante. En este caso, se necesitan mediciones independientes numerosas de viento-agitan el campo evoluciona bajo la acción del viento, que varía en el tiempo siguiendo el mismo patrón prescrito24. Parámetros estadísticos significativos, expresados como una función del tiempo transcurrido desde la iniciación del flujo de aire, entonces se calculan promediando los datos extraídos del conjunto acumulado de realizaciones independientes. Este emprendimiento puede implicar decenas y cientos de horas de muestreo continuo. La duración total de las sesiones experimentales necesarias para llevar a cabo una tarea tan ambiciosa representa el enfoque todo inviable, a menos que el experimento está totalmente automatizado. Tal procedimiento experimental no completamente automatizado en las instalaciones de la onda de viento se ha desarrollado hasta hace poco. Se encuentra entre las principales razones de la falta de datos estadísticos fiables sobre las olas de viento bajo forzando inestable.
Puesto que no se construye la instalación utilizada para el experimento de comercialmente disponibles, estándar, una breve descripción de sus partes principales se suministra aquí.
Figura 1. Esquema (no a escala) vista de la instalación experimental. 1 - ventilador; 2 - entrada colocar cámara; 3 - salida colocar cámara; 4 - cajas silenciador; 5 - sección prueba; con un 6 - playa; 7 - intercambiador de calor; 8 - panal; 9 - boquilla; 10 - wavemaker; 11 - aleta; 12 - transporte instrumento; 13 - calibre onda impulsado por un motor paso a paso; 14 - tubo de Pitot impulsado por un motor paso a paso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La instalación experimental consiste en un túnel de viento de circuito cerrado montado sobre un tanque de la onda (se muestra una vista esquemática en la figura 1). La sección de prueba tiene una profundidad de 5 m de largo, 0,4 m de ancho y 0,5 m. Las paredes laterales y piso son de placas de cristal de 6 mm y están encerrados dentro de un marco de perfiles de aluminio. Una aleta larga 40 cm proporciona una extensión suave de la sección transversal de flujo de aire de la boquilla a la superficie del agua. Playa de material de empaque porosos que absorben energía de la onda se encuentra en el extremo del tanque. Un ventilador controlado por ordenador permite alcanzar la velocidad de flujo de aire promedio en la sección de prueba de hasta 15 m/s.
El indicador de 100 mm de longitud onda tipo capacitancia por encargo hace de tantalio anodizado. alambre de 0,3 mm se monta en un escenario vertical accionado por un motor de paso controlado por PC, diseñado para la calibración del medidor de onda. Un tubo de Pitot con un diámetro de 3 mm se utiliza para medir la presión dinámica en la parte central del flujo de aire de la sección de prueba.
El LSG, medir la pendiente de superficie de agua 2D, se instala en un marco separado de la sección de prueba que puede colocarse en cualquier lugar a lo largo del tanque (figura 2). LSG consta de cuatro partes principales: un diodo láser, una lente de Fresnel, una pantalla difusora y un conjunto Detector de detección de posición (PSD). El diodo láser genera una 650 nm (rojo), 200 mW enfocable láser con unos 0,5 mm de diámetro. El diámetro de 26,4 cm Fresnel lente con longitud focal de 22,86 cm dirige el rayo láser entrante a la pantalla difusora de 25 x 25 cm2 , situado en el plano focal detrás de la lente.
Figura 2. Vista esquemática de la medidor láser de pendiente (LSG). 1 - láser diodo; 2 - lente de Fresnel; 3 - pantalla difusivo; 4 - posición Sensor Detector (PSD). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Este protocolo describe el procedimiento que permite la realización de experimentos en los que numerosos parámetros que caracterizan las ondas inestables se miden simultáneamente bajo forzamiento dependiente del tiempo viento. El procedimiento se puede ajustar a cualquier dependencia deseada de la velocidad del viento en el momento en que se puede lograr teniendo en cuenta las limitaciones técnicas de la instalación experimental. El presente Protocolo describe específicamente los experimentos en los que en cada realización, viento comienza casi impulsivamente sobre aguas tranquilas al principio. El viento constante, forzando entonces dura para bastante tiempo el campo de la onda de viento por todas partes en la sección de prueba logra estado cuasi-estable. El viento finalmente se cierra, otra vez casi impulsivamente. En todas las etapas, se registran varios parámetros de la onda. El procedimiento que permite el cálculo de numerosas cantidades estadísticamente representativas promedio conjunto caracterizar el campo de la onda de viento local instantáneo es novela y fue desarrollado en el curso de experimentos recientes realizados en nuestras instalaciones 22 , 23 , 24.
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Protocolo
1. sistema preparación
- Llene el tanque con agua hasta una profundidad de unos 20 cm para satisfacer la condición de aguas profundas; Limpie la superficie de cualquier contaminante que pueda afectar a la tensión superficial del agua.
- Posición del carro del instrumento en la deseada recuperación.
- Monte el tubo de Pitot y colocarlo en el centro de la parte del flujo de aire de la sección de prueba.
- Monte el medidor de onda en un escenario vertical controlada por ordenador para permitir su calibración estática.
- Posición la Asamblea LSG en el fetch deseado y en la distancia lateral de unos 7 cm del medidor de onda para eliminar la interferencia de la onda de conjunto con la vía óptica.
Nota: Se recomienda el uso de una cortina opaca para evitar la exposición de la PSD para luz ambiental, así como proteger el medio ambiente de las reflexiones espurias del haz láser.- Alinear el láser colocado debajo del depósito de agua para que el rayo se dirige verticalmente y enfocar el haz.
- Posición de la lente de fresnel en la sección de prueba más alta posible por encima de la superficie del agua para minimizar la alteración de la lente del flujo de aire.
- Asegúrese de que el rayo láser reflectados golpea la lente en su parte central en las condiciones de viento extremas previstas en la sesión experimental.
- Montar la pantalla difusora exactamente en el plano focal de la lente, y luego comprobar la alineación horizontal y vertical de la lente y la pantalla.
- Asegúrese de que cualquier dos haces de láser vertical paralelo golpear la pantalla difusora exactamente en el centro cuando la superficie del agua está todavía.
Nota: Esto se puede probar con dos láseres idénticos colocados a cierta distancia unos de otros. - El PSD asegurándose de que toda la zona de la pantalla difusora es dentro del área efectivo del detector de la posición. Realizar el enfoque de la lente PSD ajustando los parámetros de la lente a la distancia entre la lente y la pantalla.
2. calibración y operación de los sensores
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Calibración del manómetro de la onda
- Realizar la calibración de medidor de onda para cada lugar de medición y cada velocidad del viento máximo en la carrera experimental.
- Establece la posición vertical del sensor para que el nivel medio del agua es aproximadamente en el centro de la longitud de los cables sensores.
- Establece la velocidad del ventilador en el valor deseado y permitir que el viento sople constantemente por un tiempo suficientemente largo (2-3 min).
- Con un osciloscopio, ajustar manualmente la sensibilidad, ganancia y offset de la galga de onda utilizando la unidad de acondicionado para asegurar que los valores de tensión correspondientes a la cresta más alta y el canal más bajo en el campo de la onda dentro de la gama de A/D convertidor (+ /-10 V).
- Apague el soplador durante varios minutos, hasta que la superficie del agua se convierte en totalmente imperturbada.
- Compruebe que la longitud sumergida es de cresta máxima esperada y valores de canal moviendo la ola calibre verticalmente.
- Realizar la calibración automática del calibre de la onda en una rutina a medida de agua sumergir el medidor en un número de profundidades especificadas y grabación de la salida de tensión media durante 5 s para cada profundidad.
- Montar una calibración cuadrática polinomio a los datos registrados para obtener la dependencia H(V), donde H es la profundidad de inmersión (correspondiente a la elevación instantánea de la superficie), en función de la tensión de salida de la galga V.
- Verificar visualmente la calidad de la calibración equipada polinomio (figura 3).
- Realizar la calibración de medidor de onda para cada lugar de medición y cada velocidad del viento máximo en la carrera experimental.
Figura 3. Curva de calibración del manómetro de la onda. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
-
Calibración y ajuste de la LSG
- Verificar el rendimiento de la LSG después de cada desplazamiento del montaje del sensor.
- Usando un prisma de la cuña óptica colocado en una hoja de vidrio horizontal, se desvía el rayo láser con respecto al eje óptico que simula una cuesta superficial de agua conocida.
- Muestra el PSD las salidas del haz láser desviado punto en la pantalla de difusión utilizando un osciloscopio o un programa de adquisición de datos a la medida.
- Calcular el ángulo de deflexión y la pendiente de la coordenada punto de haz láser coordenadas medido; Comparar el resultado con el ángulo de cuña conocido.
- Repita el procedimiento para varios ángulos de deflexión usando uno o más prismas.
Nota: Se usaron prismas de la cuña con ángulos de deflexión desde 2,5 ° a 17,5 °; Si la prueba falla debido a desalineamiento del PSD con pantalla difusora, ajuste manual, el PSD para corregir el desalineamiento. Este procedimiento se realiza manualmente utilizando un nivel y una etapa de traducción horizontal 2D y es muy lento.
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Verificación de la linealidad del procedimiento PSD y calibración
- Coloque una cuadrícula equidistantes que ha sido impreso en una hoja transparente sobre la pantalla difusora y oriéntela de manera que sus ejes, x e y, están alineados con el abajo y direcciones del viento, respectivamente (figura 4).
Nota: La rejilla facilita dirigir el rayo láser a los lugares deseados en la pantalla difusora convenientemente y con precisión mediante un conjunto de prismas o mueve el láser debajo de la pantalla difusora en direcciones a lo largo del viento y con viento cruzado. - Utilizando el conjunto de prismas, desviar el rayo láser vertical para obtener múltiples posiciones radiales del rayo láser en la pantalla difusora manteniendo un constante ángulo azimutal.
Nota: Resolución de 1 cm y el radio máximo de 7 cm se utilizan para cada uno de los 9 ángulos acimutales. - Mover el foco del láser a las múltiples posiciones en x-dirección, manteniendo y coordinación constante, luego cambiar la dirección del movimiento yy mantener constante x .
Nota: Rango y resolución utilizados son similares a los de la sección anterior. - Recoger unos 50 puntos de la red en cada calibración.
Nota: Las coordenadas punto de rayo láser son adquiridas por el PSD y evaluaron usando un osciloscopio de dos canales estándar conectado a la PSD.- Para cada dirección, uso lineal ajuste de los datos para obtener los coeficientes de calibración para convertir a las coordenadas del haz láser en el sensor PSD en las coordenadas correspondientes en la pantalla difusora.
Nota: Un ejemplo de la calibración del PSD se grafica en la figura 5 para un conjunto de puntos tomados a lo largo de la línea central de la sección de prueba. La respuesta de los sensores y por lo tanto los coeficientes de calibración, es casi idéntica en todas las direcciones cuando los ejes de la pantalla difusora y el sensor están alineados correctamente. La red facilita el procedimiento de calibración, permitiendo una fácil determinación de las coordenadas de la cuesta de láser en la pantalla difusora.
- Para cada dirección, uso lineal ajuste de los datos para obtener los coeficientes de calibración para convertir a las coordenadas del haz láser en el sensor PSD en las coordenadas correspondientes en la pantalla difusora.
- Coloque una cuadrícula equidistantes que ha sido impreso en una hoja transparente sobre la pantalla difusora y oriéntela de manera que sus ejes, x e y, están alineados con el abajo y direcciones del viento, respectivamente (figura 4).
- Verificar el rendimiento de la LSG después de cada desplazamiento del montaje del sensor.
Figura 4. La difusora rejilla pantalla. La red facilita dirigir el rayo láser a los lugares deseados en la pantalla difusora convenientemente y con precisión, ya sea mediante un conjunto de prismas o el láser debajo de la pantalla difusora en movimiento a lo largo del viento y las direcciones de viento cruzado por favor haga clic aquí para Vea una versión más grande de esta figura.
Figura 5. Curva de calibración PSD. La figura muestra que la traducción de la PSD salida voltajes a coordenadas produce resultados adecuados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
3. procedimiento experimental y adquisición de datos
Nota: Ver figura 1 complementaria para la interfaz de usuario que se utiliza en los siguientes pasos.
- Ajuste frecuencia ventilador usando una interfaz de usuario del programa a la medida.
Nota: Casi progresivo aumento de la velocidad del viento sobre la superficie del agua al principio se aplicó, seguido por una tasa de flujo de aire constante para una duración prescrita (120 s), y un casi impulsivo del soplador. - Determinar el número de tasas de flujo de viento constante diferentes y los ajustes de ventilador necesario.
- Ajustar la configuración del transductor de presión para el rango esperado de variación de presión dinámica detectada por el tubo de Pitot.
- Asegúrese de que al principio de cada realización, no haya viento y la superficie del agua es imperturbado (espejo liso). Comenzar la adquisición de datos síncrono con operación del ventilador.
- Grabar la elevación instantánea de la superficie, componentes de la superficie pendiente en a lo largo-direcciones de viento cruzado, Pitot tubo salida de monitoreo de la velocidad del viento media Uy la variación de voltaje desde el controlador de ventilador en el muestreo prescrito tasa () 300 Hz/canal fueron utilizados).
Nota: El voltaje de la onda-calibre adquirida por el programa se convierte automáticamente en elevación de la superficie utilizando los coeficientes de calibración del ajuste presentado en la figura 3. - Continuar el muestreo de tiempo suficiente para registrar el campo de onda que se decae tras el apagado del extractor.
- Al finalizar el muestreo, asegúrese de que el procedimiento experimental automático permite tiempo suficiente (dependiendo del sistema) para traer agua a estado tranquilo antes de la iniciación de la próxima carrera.
- Guardar todos los datos registrados para su posterior procesamiento.
- Realizar el número prescrito de realizaciones (generalmente 100 funcionamientos independientes se encontraron suficientes).
- Calcular los parámetros promedio de conjunto de los datos registrados como una función del tiempo transcurrido desde el inicio de la unidad.
- Repita todo el procedimiento para la siguiente configuración de la unidad correspondiente a la velocidad del viento de destino seleccionado en la sección de prueba.
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Resultados
Los resultados promedio de conjunto representativos se representan gráficamente en la figura 6, figura 7y figura 8. La variación de los valores RMS de la elevación instantánea de la superficie <η2>1/2 que caracteriza a la amplitud de las ondas de viento al azar tal como se presenta en la figura 6 como una función...
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Discusión
El presente Protocolo experimental está dirigido a la caracterización cuantitativa de un campo de onda bajo obligando a viento inestable que evoluciona en el tiempo y el espacio. Olas de viento son esencialmente al azar y tridimensional, y así varían rápidamente en espacio y tiempo, registros de realizaciones individuales de un campo bajo forzamiento dependiente del tiempo viento viento-onda sólo pueden proporcionar estimaciones cualitativas de gobernar parámetros de la onda. Para alcanzar el objetivo de este protocolo y...
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Divulgaciones
Autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Este trabajo fue financiado por la Fundación de ciencia de Israel, beca # 306/15.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| PSD | THORLABS | PDP90A | |
| Diodo | cualquier puntero láser ≤ 200 mW | ||
| Lente de Fresnel asférico | EDMUND OPTICS | #46-390 | Diámetro 10.4'', longitud focal 9'' |
| Manómetro | hecho a medida | ||
| Transductor de presión | MAMAC SYSTEMS | PR-274-R2-VDC | |
| Acondicionador | a medida | ||
| Pantalla difusiva | EDMUND OPTICS | #02-147 | |
| Tanque | a medida | ||
| Tarjeta A/D PCI-6221 | National Instruments | 779066-01 | |
| Tubo de Pitot | KIMO Instruments | 12971 | |
| 15° Nom. VIS-NIR Recubierto, Prisma de Cuña | EDMUND OPTICS | #47-624 | |
| 10° Nom. VIS 0° Recubierto, Prisma de cuña | EDMUND OPTICS | #49-444 | |
| 2.5° Nom. Prisma de cuña de sílice fundida sin recubrimiento | EDMUND OPTICS | #84-863 | |
| 4° Nom. Sin recubrimiento, Prisma de cuña | EDMUND OPTICS | #43-650 | |
| 5.0° Nom. Prisma de cuña de sílice fundida sin recubrimiento | EDMUND OPTICS | #84-865 | |
| LabView Sistema de desarrollo completo | Nacional Instrumentos | 776670-35 |
Referencias
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Reimpresiones y permisos
