大氣探測學 氣流測量

1、1氣流的測量氣流的測量2本章要求本章要求l掌握氣流測量的主要儀器的基本原理、結掌握氣流測量的主要儀器的基本原理、結構、特點。構、特點。3主要內(nèi)容主要內(nèi)容l概述概述l風向的測量風向的測量l旋轉式風速計旋轉式風速計l散熱式風速計散熱式風速計l聲學風速計聲學風速計l風速檢定設備風速檢定設備l激光風速儀激光風速儀4概述概述l空氣的運動產(chǎn)生氣流?？諝獾倪\動產(chǎn)生氣流。l流速是一個三維空間矢量。流速是一個三維空間矢量。l一般考慮為（一般考慮為（xy平面）二維矢量：平面）二維矢量：l風速風速模值模值l風向風向方向方向l一些特殊情況下，垂直運動也相當顯著一些特殊情況下，垂直運動也相當顯著l如山的背風坡、強的對流

2、云如山的背風坡、強的對流云5l氣流場氣流場 = 大尺度的規(guī)則氣流大尺度的規(guī)則氣流 + 隨時間和隨時間和空間隨機漲落的（中）小尺度湍流空間隨機漲落的（中）小尺度湍流l氣流測量包括：瞬時量、平均量氣流測量包括：瞬時量、平均量 兩部分兩部分l“平均值平均值”：指在一定時段內(nèi)的平均：指在一定時段內(nèi)的平均l“瞬時值瞬時值”：在一個相當短的時段內(nèi)的平均：在一個相當短的時段內(nèi)的平均6l瞬時量、平均量瞬時量、平均量都可以認為是都可以認為是“光滑值光滑值”，光，光滑時段的長短，取決于儀器和實際需要滑時段的長短，取決于儀器和實際需要l風速的單位：風速的單位：m/sl天氣報告中天氣報告中l(wèi)風速：風速：2min的平均

3、風速的平均風速l風向：風向：10為一個單位，用電碼為一個單位，用電碼01，02，36表示，以正北為基準，順時針方向旋轉。表示，以正北為基準，順時針方向旋轉。7l風向是指風的來向。風向是指風的來向。l風向的英文縮寫符號紀錄如圖風向的英文縮寫符號紀錄如圖5.1l北：北：North 東：東：Eastl南：南：South 西：西：Westl當風速低于當風速低于 0.25 m/s 時稱為靜風。時稱為靜風。l風級也是一種表達風力的常用單位風級也是一種表達風力的常用單位89l1805年英國人年英國人F蒲福根據(jù)風對地面（或海蒲福根據(jù)風對地面（或海面）物體的影響，提出風力等級表，幾經(jīng)面）物體的影響，提出風力等級

4、表，幾經(jīng)修改后得出修改后得出蒲福風力等級表蒲福風力等級表。l目測風時，根據(jù)風力等級表中各級風的特目測風時，根據(jù)風力等級表中各級風的特征，即可估計出相應的風速。征，即可估計出相應的風速。l地面風指離地平面地面風指離地平面10-12米高的風。米高的風。 10蒲福風力等級表蒲福風力等級表風風力力名稱名稱相當于開闊平坦地面相當于開闊平坦地面1010米高處風速米高處風速浪高浪高陸上物理征象陸上物理征象米米/ /秒秒公里公里/ /時時海里海里/ /時時（米）（米）0 0靜風靜風0 00.20.21111靜，煙直上。靜，煙直上。1 1軟風軟風1.51 15 51 13 30.10.1煙能表

5、示風向，但風向標尚不能指示風煙能表示風向，但風向標尚不能指示風向。向。2 2輕風輕風3.36 611114 46 60.20.2人面感覺有風，樹葉有微響，風向標能人面感覺有風，樹葉有微響，風向標能隨風轉動。隨風轉動。3 3微風微風5.4121219197 710100.60.6樹葉與微枝搖動不息，旌旗展開。樹葉與微枝搖動不息，旌旗展開。4 4和風和風7.920202828111116161.01.0灰塵和碎紙揚起，小樹枝搖動?；覊m和碎紙揚起，小樹枝搖動。5 5勁風勁風8.08.010.710.729293838171721212.02.0有

6、葉的小樹枝搖動，內(nèi)陸水面有小波浪。有葉的小樹枝搖動，內(nèi)陸水面有小波浪。6 6強風強風10.810.813.813.839394949222227273.03.0大樹枝搖動，電線呼呼有聲，打傘困難。大樹枝搖動，電線呼呼有聲，打傘困難。7 7疾風疾風13.913.917.117.150506161282833334.04.0全樹搖動，逆風步行感到困難。全樹搖動，逆風步行感到困難。8 8大風大風20.762627474343440405.55.5樹枝折斷，逆風行進阻力甚大。樹枝折斷，逆風行進阻力甚大。9 9烈風烈風20.820.824.424.4757588884141474

7、77.07.0發(fā)生輕微的建筑破壞。發(fā)生輕微的建筑破壞。1010狂風狂風24.524.528.428.48989102102484855559.09.0內(nèi)陸少見，有些樹木拔起，建筑物破壞內(nèi)陸少見，有些樹木拔起，建筑物破壞較重。較重。1111暴風暴風28.528.532.632.61031031171175656636311.511.5極少遇到，伴隨著廣泛的破壞。極少遇到，伴隨著廣泛的破壞。1212颶風颶風32.732.7118118646414.014.0115.1 風向的測量風向的測量l風向標是一種應用最廣泛風向標是一種應用最廣泛的測量風向儀器的主要部的測量風向儀器的主要部件，由水平指向桿、尾

8、翼件，由水平指向桿、尾翼和旋轉軸組成。和旋轉軸組成。l在風的作用下，尾翼產(chǎn)生在風的作用下，尾翼產(chǎn)生旋轉力矩使風向標轉動，旋轉力矩使風向標轉動，并不斷調(diào)整指向桿指示風并不斷調(diào)整指向桿指示風向。向。 125.1.1 風向標風向標l外形分四部分：外形分四部分：l風尾風尾l指向桿指向桿l平衡重錘平衡重錘旋轉主軸旋轉主軸13141516Worlds largest weather vane in Jerez, Spain175.1.2 風向標的設計要求風向標的設計要求l在小風時能反應風向的變動，即有良好在小風時能反應風向的變動，即有良好的啟動性能；的啟動性能；l具有良好的動態(tài)特性，即能迅速準確地具有良好

9、的動態(tài)特性，即能迅速準確地跟蹤外界的風向變化。跟蹤外界的風向變化。185.1.3 傳遞和指示風向傳遞和指示風向l風向標感應的風向必須傳遞到地面的指示風向標感應的風向必須傳遞到地面的指示儀表上，以觸點式最為簡單，風向標帶動儀表上，以觸點式最為簡單，風向標帶動觸點，接通代表風向的燈泡或記錄筆電磁觸點，接通代表風向的燈泡或記錄筆電磁鐵，作出風向的指示或記錄，但它的分辨鐵，作出風向的指示或記錄，但它的分辨只能做到一個方位只能做到一個方位22.5。l精確的方法有自整角機和光電碼盤。精確的方法有自整角機和光電碼盤。l實際風向角實際風向角二進制碼二進制碼格雷碼格雷碼19l用光電轉換方用光電轉換方法把風向角度

10、法把風向角度轉換成二進制轉換成二進制的角度編碼的角度編碼l使用格雷碼，使用格雷碼，其最大的優(yōu)點其最大的優(yōu)點是每一個角度是每一個角度狀態(tài)的變化只狀態(tài)的變化只有一位二進數(shù)有一位二進數(shù)發(fā)生發(fā)生0/1的變化。的變化。205.1.4 風向標動態(tài)參數(shù)的選擇風向標動態(tài)參數(shù)的選擇l優(yōu)良風向標：準確的反應不斷變化的風優(yōu)良風向標：準確的反應不斷變化的風向向l統(tǒng)一風向標的特性指標，使各地氣象站統(tǒng)一風向標的特性指標，使各地氣象站上的風向資料具有可比性。上的風向資料具有可比性。215.1.4 風向標動態(tài)參數(shù)的選擇風向標動態(tài)參數(shù)的選擇l世界氣象組織作了指導性的規(guī)定：世界氣象組織作了指導性的規(guī)定：l在風速在風速2.58m/

11、s時，風向標在時，風向標在1s內(nèi)使風內(nèi)使風向偏差衰減到初始值的向偏差衰減到初始值的 1/e， （e = 2.71828)l 0.3 1.0 (阻尼比阻尼比)l風速范圍為風速范圍為 0.5 60 m/s1.線性度和分辨率為線性度和分辨率為 2 5225.2 旋轉式風速計旋轉式風速計l感應部分是一個固定在轉軸上的感應風的感應部分是一個固定在轉軸上的感應風的組件。組件。l常見的有三種型式：常見的有三種型式：l半球形的空心杯殼組半球形的空心杯殼組l螺旋槳葉片組螺旋槳葉片組l平板葉片組平板葉片組235.2.1 風杯風速計的感應原理風杯風速計的感應原理l風杯由三個（或四個）風杯由三個（或四個）半球形或拋物

12、形空杯，半球形或拋物形空杯，都順一面均勻分布在一都順一面均勻分布在一水平支架上，支架與轉水平支架上，支架與轉軸相連。軸相連。l在風力作用下，風杯繞在風力作用下，風杯繞轉軸旋轉，其轉速正比轉軸旋轉，其轉速正比于風速。于風速。l轉速可以用電觸點、測轉速可以用電觸點、測速發(fā)電機、齒輪或光電速發(fā)電機、齒輪或光電計數(shù)器等記錄。計數(shù)器等記錄。 245.2.1 風杯風速計的感應原理（續(xù)）風杯風速計的感應原理（續(xù)）l在穩(wěn)定的風力作用下，風杯受到扭力矩在穩(wěn)定的風力作用下，風杯受到扭力矩作用而開始旋轉，它的轉速與風速成一作用而開始旋轉，它的轉速與風速成一定的關系。定的關系。l推導風杯的轉速和風速的關系，用推導風杯

13、的轉速和風速的關系，用Ramachandran的結果。的結果。2DNNunDnu為風杯的轉速為風速和 為與儀器本身有關的系數(shù)。255.2.1 風杯風速計的感應原理（續(xù)）風杯風速計的感應原理（續(xù)）l兩點推論：兩點推論：l當風杯處于小風速時，必須考慮兩種摩擦當風杯處于小風速時，必須考慮兩種摩擦力矩（動摩擦力矩、靜摩擦力矩）的影響。力矩（動摩擦力矩、靜摩擦力矩）的影響。靜摩擦力矩是常數(shù)，動摩擦力矩應與轉速靜摩擦力矩是常數(shù)，動摩擦力矩應與轉速成正比。風速越大，摩擦力矩所占的比例成正比。風速越大，摩擦力矩所占的比例越低。越低。265.2.1 風杯風速計的感應原理（續(xù)）風杯風速計的感應原理（續(xù)）l圖圖5.

14、9 一個典型的風杯風速計的檢定曲線。一個典型的風杯風速計的檢定曲線。l在接近零風速時，曲線明顯彎曲。在接近零風速時，曲線明顯彎曲。ln=0時，曲線與縱坐標軸相交于時，曲線與縱坐標軸相交于umin處，處，稱為稱為umin啟動風速。啟動風速。l在風速較大時，在風速較大時，n與與u能保持較好的線性能保持較好的線性關系。關系。275.2.2 風杯風速計的慣性風杯風速計的慣性l風杯達到勻速轉動的時間要比風速的變化風杯達到勻速轉動的時間要比風速的變化來得慢（滯后性）。來得慢（滯后性）。l這種現(xiàn)象在風速由大變小時較為嚴重，如這種現(xiàn)象在風速由大變小時較為嚴重，如當風速較大，很快地變?yōu)楫旓L速較大，很快地變?yōu)?時

15、，因為慣性時，因為慣性作用，風杯將繼續(xù)轉動，不可能很快停下作用，風杯將繼續(xù)轉動，不可能很快停下來。這樣，風速計所記錄的風速要比實際來。這樣，風速計所記錄的風速要比實際風速為大。風速為大。285.2.2 風杯風速計的慣性（續(xù)）風杯風速計的慣性（續(xù)）l風杯風速計的時間常數(shù)風杯風速計的時間常數(shù) Tu，（，（5.33）式）式 Tu = Lu / u1 lu1 為風速為風速lLu 為尺度常數(shù)。是一個只與風杯本身物理性為尺度常數(shù)。是一個只與風杯本身物理性能有關的參數(shù)，同一類的風杯風速計這一數(shù)能有關的參數(shù)，同一類的風杯風速計這一數(shù)值是固定的。值是固定的。295.2.2 風杯風速計的慣性（續(xù)）風杯風速計的慣性

16、（續(xù)）l風速在風速在020m/s時，利用風杯測定風速比較準時，利用風杯測定風速比較準確。確。l同時這種滯后性消除了許多風速脈動現(xiàn)象，因同時這種滯后性消除了許多風速脈動現(xiàn)象，因而，用風杯作感應器的風速表，測定平均風速而，用風杯作感應器的風速表，測定平均風速比較好，而測瞬時風速則準確度較差。比較好，而測瞬時風速則準確度較差。l試驗證明：三杯比四杯好，圓錐形比半球形好。試驗證明：三杯比四杯好，圓錐形比半球形好。305.2.2 風杯風速計的慣性（續(xù)）風杯風速計的慣性（續(xù)）l過高效應：過高效應：風杯風速計指示的平均風速將風杯風速計指示的平均風速將高于實際平均風速。高于實際平均風速。l過高效應還會受到其它

17、兩種影響：過高效應還會受到其它兩種影響：l垂直風速的影響垂直風速的影響l風向脈動的影響風向脈動的影響315.2.3 風車風速計和旋槳式風速計風車風速計和旋槳式風速計l槳葉式風速表是由若干片槳葉式風速表是由若干片槳葉按一定角度等間隔地槳葉按一定角度等間隔地裝置在一鉛直面內(nèi)，能逆裝置在一鉛直面內(nèi)，能逆風繞水平軸轉動，其轉速風繞水平軸轉動，其轉速正比于風速。正比于風速。l槳葉有平板葉片的風車式槳葉有平板葉片的風車式和螺旋槳式兩種。和螺旋槳式兩種。l最常見的是由三葉式四葉最常見的是由三葉式四葉螺旋槳，裝在形似飛機機螺旋槳，裝在形似飛機機身的流線形風向標前部，身的流線形風向標前部，風向標使葉片旋轉平面始

18、風向標使葉片旋轉平面始絡對準風的來向。絡對準風的來向。 325.2.3 風車風速計和旋槳式風速計（續(xù)）風車風速計和旋槳式風速計（續(xù)）l三軸風速計：利用三個風車風速計測量風三軸風速計：利用三個風車風速計測量風速速 x，y 和和 z 分量的儀器。分量的儀器。33風速信號的轉換方法電機式電機式風杯帶動測速發(fā)電機，輸出與風杯帶動測速發(fā)電機，輸出與轉速（風速）成正比的電壓訊號轉速（風速）成正比的電壓訊號電接式電接式風杯經(jīng)變速機構輸出代表一定風杯經(jīng)變速機構輸出代表一定風程的脈沖信號，計量規(guī)定間隔時間內(nèi)脈風程的脈沖信號，計量規(guī)定間隔時間內(nèi)脈沖信號的個數(shù)，得到該時段的平均風速等沖信號的個數(shù)，得到該時段的平均風

19、速等于該時段風程數(shù)于該時段風程數(shù)/間隔時間間隔時間34EN型自動測風儀型自動測風儀：定時打印輸出瞬時、：定時打印輸出瞬時、平均風向風速，并能挑選極值，進行統(tǒng)計。平均風向風速，并能挑選極值，進行統(tǒng)計。 35EY1型電傳風向風速儀型電傳風向風速儀：觀測瞬時的風：觀測瞬時的風向風速，由感應部分和指示部分組成。向風速，由感應部分和指示部分組成。 365.3 散熱式風速計散熱式風速計l基本原理：一個被加熱基本原理：一個被加熱物體的散熱速率與周圍物體的散熱速率與周圍空氣的流速有關?？諝獾牧魉儆嘘P。l熱線風速儀（熱線風速儀（Hot wire Anemometer）是被電）是被電流加熱的細金屬絲或微流加熱的細

20、金屬絲或微型球體電阻，放置在氣型球體電阻，放置在氣流中，其散熱率與風速流中，其散熱率與風速的平方根成線性關系。的平方根成線性關系。Typical Hot-Wire Anemometer37熱線風速儀原理熱線風速儀原理2()wwwfI Rh A TT電阻發(fā)熱電阻發(fā)熱對流熱交換對流熱交換I 輸入電流輸入電流, Rw 熱線電阻熱線電阻, Tw 和和Tf 分別為熱線和氣流溫度分別為熱線和氣流溫度, Aw 熱線表面積熱線表面積, h 熱線的熱交換系數(shù)熱線的熱交換系數(shù). 381()wRefwRefRRa TTcfhab v 電阻隨溫度的變化電阻隨溫度的變化熱交換系數(shù)隨溫度的變化熱交換系數(shù)隨溫度的變化a，b

21、，c由儀器定標得到，通常由儀器定標得到，通常c0.539221()()()RefwRefcwfwwfwwfI Ra TTI Rab vA TTA TT 121()()cRefwReffwwfI Ra TTvabA TT合并以上三式，消去合并以上三式，消去h，可得，可得進一步進一步解得解得402() ( ,)cwfwwffI Rab vA TTf I T 21()() (,)RefwRefcfwwfwfI Ra TTab vA TTg T T 恒溫式恒溫式恒流式恒流式41熱線測量的主要誤差熱線測量的主要誤差l氣溫變化造成的誤差氣溫變化造成的誤差l測風熱線方向與氣流方向不垂直造成的誤測風熱線方向與

22、氣流方向不垂直造成的誤差（要求夾角差（要求夾角10度）度）l空氣密度的改變造成的誤差空氣密度的改變造成的誤差42l通常在使加熱電流通常在使加熱電流不變時，測出被加不變時，測出被加熱物體的溫度，就熱物體的溫度，就能推算出風速。能推算出風速。l熱線長度一般在熱線長度一般在0.52毫米范圍，直毫米范圍，直徑在徑在110微米范圍，微米范圍，材料為鉑、鎢或鉑材料為鉑、鎢或鉑銠合金等。銠合金等。43l優(yōu)點：感應速度快，時間常數(shù)只有百分優(yōu)點：感應速度快，時間常數(shù)只有百分之幾秒，在小風速時靈敏度較高，探頭之幾秒，在小風速時靈敏度較高，探頭體積小，對流場干擾小，響應快，能測體積小，對流場干擾小，響應快，能測量非

23、定常流速；宜應用于室內(nèi)和野外的量非定常流速；宜應用于室內(nèi)和野外的大氣湍流實驗。大氣湍流實驗。l缺點：金屬絲過細，易斷；對工作環(huán)境缺點：金屬絲過細，易斷；對工作環(huán)境要求較高，灰塵不易過多。要求較高，灰塵不易過多。44Hot wire anemometer probe45The head of a combined air velocity and air temperature sensor, type CAFS-220.465.4 聲學風速計聲學風速計l利用聲波在大氣中的傳播速度與空氣的溫利用聲波在大氣中的傳播速度與空氣的溫度和風速關系，測定風速。度和風速關系，測定風速。l靜止空氣中的聲速靜止

24、空氣中的聲速 l氣溫在氣溫在20時，干空氣的聲速等于時，干空氣的聲速等于343.5m/s。20.067svpcT472222 2()()()xyzxv tyv tzv tc t由左圖，當逆風發(fā)射時，由左圖，當逆風發(fā)射時，T1發(fā)射，發(fā)射，R1接收：接收：222221111()(0)(0)xyzdv tv tv tc t2222211()()xyzdv tcvvt2211xdv tcvt假設氣流速度為假設氣流速度為v的三個分量為的三個分量為vx、vy、vz，聲波從坐標原點到達某，聲波從坐標原點到達某一位相面（一位相面（x,y,z)所需的時間為所需的時間為t時，則有：時，則有：設設y和和z等于零，等

25、位相面到達點等于零，等位相面到達點(d1,0,0)和和點點(d2,0,0)的時間為的時間為t1和和t2.482212222()xxdcvvdtcvvcv當順風發(fā)射時，當順風發(fā)射時，T2發(fā)射，發(fā)射，R2接收：接收：222222222()(0)(0)xyzdv tv tv tc t2222222()()xyzdv tcvvt2222xdv tcvt2222222()xxdcvvdtcvcvv（5.4.1）（5.4.2）49由（由（5.4.1)和和(5.4.2)式可見，當風速為零時，聲波到達兩個方向相反，式可見，當風速為零時，聲波到達兩個方向相反，距離相等的接收器所需時間相等。即距離相等的接收器所需

26、時間相等。即 而有風時，而有風時，v 0,vd 0,t1 t2.于是就利用這一原理，測量相對方向上聲波脈沖的傳于是就利用這一原理，測量相對方向上聲波脈沖的傳播時間之差，以測得風速，即：播時間之差，以測得風速，即： 12/ttd c（5.4.3）2122222222121xxxxxdvdvtttcVA cctvdVAVc 22式中 ,當c時,A=1502122222222121yyyyydvdvtttcVA cctvdVAVc 22式中 ,當c時,A=1同理同理,y方向的風速分量方向的風速分量vy的計算式為的計算式為:（5.4.4）yytv計算示意圖512122222222121zzzzzdvd

27、vtttcVA cctvdVAVc 22式中 ,當c時,A=1同理同理,z方向的風速分量方向的風速分量vz的計算式為的計算式為:（5.4.5）2222xyzVvvvzztv計算示意圖52l由由(5.4.3)(5.4.3)可得結論可得結論: :聲波沿聲程方向順風聲波沿聲程方向順風傳播和逆風傳播的時傳播和逆風傳播的時間差與沿聲程方向的間差與沿聲程方向的風速成正比風速成正比. .由此可由此可知知, ,聲學風速儀的測聲學風速儀的測速技術就歸之于測量速技術就歸之于測量聲波傳播的時間差聲波傳播的時間差. .l用適當?shù)碾娮泳€路和用適當?shù)碾娮泳€路和裝置實現(xiàn)此項時間差裝置實現(xiàn)此項時間差的測量的測量, ,便可測得

28、所便可測得所需風速及其分量需風速及其分量. .53545.4 聲學風速計（續(xù)）聲學風速計（續(xù)）l現(xiàn)行的超聲風速計的發(fā)射頭和接收頭是共現(xiàn)行的超聲風速計的發(fā)射頭和接收頭是共用的，這樣可以簡化整個探頭架的結構，用的，這樣可以簡化整個探頭架的結構，減小對流場的干擾。減小對流場的干擾。l沿沿 y 軸軸 和和 z 軸各裝兩對發(fā)射和接收裝置，軸各裝兩對發(fā)射和接收裝置，測定測定 V 在在 y 和和 z方向的分量。方向的分量。555.4 聲學風速計（續(xù)）聲學風速計（續(xù)）l陰影效應：由于繞流的作用，迎風面的探陰影效應：由于繞流的作用，迎風面的探頭，在其背后會產(chǎn)生一定的尾流區(qū)域，這頭，在其背后會產(chǎn)生一定的尾流區(qū)域，

29、這種現(xiàn)象將導致聲波傳播路徑偏長，而使計種現(xiàn)象將導致聲波傳播路徑偏長，而使計算風速值偏低，這種效應稱之為算風速值偏低，這種效應稱之為“陰影效陰影效應應”。l陰影效應的大小取決于探頭的外形以及風陰影效應的大小取決于探頭的外形以及風矢量與超聲探頭軸線之間的夾角。矢量與超聲探頭軸線之間的夾角。l當夾角為當夾角為90度時，陰影效應為零。度時，陰影效應為零。565.4 聲學風速計（續(xù)）聲學風速計（續(xù)）lKaimal設計的設計的 STA-211/3K 型超聲風速型超聲風速計（圖計（圖5.23），被視為超聲風速計的標準），被視為超聲風速計的標準型號。其陰影效應的訂正公式為（型號。其陰影效應的訂正公式為（5.5

30、2）式。式。575.4 聲學風速計（續(xù)）聲學風速計（續(xù)）l花房龍男等人對日本海上電機生產(chǎn)的花房龍男等人對日本海上電機生產(chǎn)的TR-61 超聲風速計探頭的實驗結果還表明：超聲風速計探頭的實驗結果還表明：陰影效應影響的程度還與風速大小有關，陰影效應影響的程度還與風速大小有關，風速在風速在5m/s以下陰影效應明顯。以下陰影效應明顯。l陰影效應還有可能受到探頭主支架的干擾，陰影效應還有可能受到探頭主支架的干擾，過于粗大、復雜的支架極不可取。過于粗大、復雜的支架極不可取。58補充：補充：聲風速儀/溫度計（德國） l聲波風速儀聲波風速儀/溫度計是一基于微機，能以可靠的精溫度計是一基于微機，能以可靠的精度進行

31、一到三維風速測量的風傳感器。度進行一到三維風速測量的風傳感器。l儀器設計成通過沿著在固定而又互相垂直方向發(fā)儀器設計成通過沿著在固定而又互相垂直方向發(fā)射與接受聲波訊號來測量風速的分量，微機隨后射與接受聲波訊號來測量風速的分量，微機隨后處理這些信息進行三維聲速計算。處理這些信息進行三維聲速計算。l因無移動部件介入氣流的動力平衡，聲因無移動部件介入氣流的動力平衡，聲波風速儀波風速儀/溫度計能快速響應風速的起溫度計能快速響應風速的起伏，它線性響應聲速，而且不受其它速伏，它線性響應聲速，而且不受其它速度分量及壓力、溫度和相對濕度的干擾。度分量及壓力、溫度和相對濕度的干擾。傳感器的標定由設計參量確立，因此

32、可傳感器的標定由設計參量確立，因此可用作絕對測量儀器。用作絕對測量儀器。59補充：補充：聲風速儀/溫度計（續(xù)）l探頭陣列的設計最大限度減小了由支架導探頭陣列的設計最大限度減小了由支架導致的氣流扭變，達到了垂直分量的無障礙致的氣流扭變，達到了垂直分量的無障礙廣范圍覆蓋。廣范圍覆蓋。l陣列可任意指向，但理想情況垂直軸應裝在陣列可任意指向，但理想情況垂直軸應裝在兩水平軸的上風處。兩水平軸的上風處。l壓電晶體制的換能器完全密封，適用于苛刻壓電晶體制的換能器完全密封，適用于苛刻的室外使用條件。的室外使用條件。60補充：補充：聲風速儀/溫度計（續(xù)）l電子器件全部裝在探頭桿架中。電子器件全部裝在探頭桿架中。

33、l這樣儀器就可安裝在塔頂運行，經(jīng)得起十分這樣儀器就可安裝在塔頂運行，經(jīng)得起十分惡劣的環(huán)境條件考驗。惡劣的環(huán)境條件考驗。l換能器的運行，聲波函數(shù)及所有數(shù)據(jù)的計算換能器的運行，聲波函數(shù)及所有數(shù)據(jù)的計算和傳輸，均由微機控制。和傳輸，均由微機控制。61補充：補充：聲風速儀/溫度計（續(xù)）l聲波風速儀聲波風速儀/溫度計的數(shù)據(jù)是數(shù)字型的。溫度計的數(shù)據(jù)是數(shù)字型的。l輸出是輸出是RS232兼容的兼容的UART非同步格式。非同步格式。l數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)是ASCII十進制，可直接連接計算機，十進制，可直接連接計算機，傳輸?shù)饺魏蔚臄?shù)據(jù)記錄裝置，或者也可是終傳輸?shù)饺魏蔚臄?shù)據(jù)記錄裝置，或者也可是終端直讀的格式。端直讀的格式。l

34、溫度信息是測風的聲波溫度，由所測垂向溫度信息是測風的聲波溫度，由所測垂向聲波的計算而得。聲波的計算而得。62補充：補充：聲風速儀/溫度計（續(xù)）現(xiàn)有的探頭款型:“K” style“A” style“Sx” style K 型傳感器設計主型傳感器設計主要用于大氣邊界層研究要用于大氣邊界層研究也適合多種風速風向的也適合多種風速風向的研究工作研究工作Sx 型傳感器適合型傳感器適合環(huán)境監(jiān)測應用環(huán)境監(jiān)測應用測量水平風速測量水平風速A 型傳感器型傳感器非正交的設計，非正交的設計，用于多種用途用于多種用途63 Vx 型傳感器型傳感器用于植物與森林冠層的通用于植物與森林冠層的通量研究（風速很低，風向量研究（風速

35、很低，風向變化很快）變化很快） V 型傳感器，專門用型傳感器，專門用于紊流研究（渦相關研于紊流研究（渦相關研究）究）“Vx” style“V” style64補充：補充：聲風速儀/溫度計（續(xù)）特點：特點：l單分量風速單分量風速l快速響應溫度快速響應溫度l極端精確極端精確l微機控制微機控制l固態(tài)數(shù)字運算固態(tài)數(shù)字運算l無活動部件無活動部件l無人監(jiān)管運行無人監(jiān)管運行l(wèi)易安裝易安裝l抗糙建構抗糙建構l低功耗低功耗l直流電源直流電源65補充：補充：聲風速儀/溫度計（續(xù)）功能: l可由串行口遙控可由串行口遙控l內(nèi)標定保持精度內(nèi)標定保持精度l用戶程選數(shù)據(jù)采樣率，平均用戶程選數(shù)據(jù)采樣率，平均范圍：范圍：1分鐘

36、至分鐘至200Hzl選擇數(shù)據(jù)平均或中位過濾選擇數(shù)據(jù)平均或中位過濾l數(shù)種輸出格式可選數(shù)種輸出格式可選l數(shù)種波特率可選數(shù)種波特率可選l同步聲波運算至外部觸發(fā)同步聲波運算至外部觸發(fā)l可輸出觸發(fā)脈沖給其它儀器可輸出觸發(fā)脈沖給其它儀器l選擇選擇“聲速聲速”和和/或或“溫溫”度度輸出輸出l輸入輸入RH值以獲更精確的溫度輸值以獲更精確的溫度輸出出l用戶調(diào)整溫度計算用戶調(diào)整溫度計算l改變風速風向的水平速度矢改變風速風向的水平速度矢量而保持垂直分量及溫度量而保持垂直分量及溫度l選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量計算方法去除尖選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量計算方法去除尖峰峰l用戶調(diào)整數(shù)據(jù)質(zhì)量的計算用戶調(diào)整數(shù)據(jù)質(zhì)量的計算l可在輸出格式中提供數(shù)據(jù)質(zhì)量可在輸

37、出格式中提供數(shù)據(jù)質(zhì)量狀態(tài)狀態(tài)l氣流扭變校準可氣流扭變校準可“開開”或或“關關”l用戶調(diào)整氣流扭變校準的計算用戶調(diào)整氣流扭變校準的計算66一、概述：一、概述： 激光風速儀（激光風速儀（Laser Doppler Anemometer LDA; LaserDoppler Velocimeter LDV) 是建立在激光技術和多普勒頻移原理基礎上，是建立在激光技術和多普勒頻移原理基礎上，通過頻率測量來測定風速的（通過頻率測量來測定風速的（FV）。 激光通過大氣層時，大氣層中的氣溶膠粒子對入射光有散射效應，激光通過大氣層時，大氣層中的氣溶膠粒子對入射光有散射效應，而運行的氣溶膠粒子將使散射光的頻率產(chǎn)生多

38、普勒頻移效應。在接收而運行的氣溶膠粒子將使散射光的頻率產(chǎn)生多普勒頻移效應。在接收器內(nèi)比較發(fā)射的參考光和散射光的頻差，就可確定運載氣溶膠粒子器內(nèi)比較發(fā)射的參考光和散射光的頻差，就可確定運載氣溶膠粒子（Aerosol particle)的氣流速度。的氣流速度。 5.5 激光風速儀激光風速儀67 激光風速儀（激光風速儀（LDA）優(yōu)點）優(yōu)點： 1、可遠距離遙測，響應速度快；、可遠距離遙測，響應速度快； 2、完全不干擾自然流場。、完全不干擾自然流場。 激光風速儀的機構：激光風速儀的機構： 1、激光器；、激光器；2、入射光學單元；、入射光學單元；3、收集光學單元；收集光學單元；4、多普勒信號處、多普勒信號

39、處 理單元、理單元、5、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 激光測速儀存在的問題：激光測速儀存在的問題： 激光風速儀測得的風速并不是激光風速儀測得的風速并不是真正的大氣流動速度，而是真正的大氣流動速度，而是 懸浮于氣流中的散射粒子的運懸浮于氣流中的散射粒子的運動速度。因為粒子與流體的密動速度。因為粒子與流體的密度度 有顯著差異，粒子不可能完全有顯著差異，粒子不可能完全跟隨流體運動，其速度總會有跟隨流體運動，其速度總會有差異差異685.6 風速檢定設備風速檢定設備l旋轉臂旋轉臂l風洞風洞l皮托管皮托管695.5.1 旋臂機旋臂機l主要部件是一根水平旋轉臂，固定在一根主要部件是一根水平旋轉臂，固定在一

40、根垂直于水平面的旋轉主軸上，桿的前端的垂直于水平面的旋轉主軸上，桿的前端的儀器支架可安裝待檢定的風速計，垂直軸儀器支架可安裝待檢定的風速計，垂直軸可由馬達帶動旋轉，使儀器在可由馬達帶動旋轉，使儀器在XY平面內(nèi)平面內(nèi)作等速圓周運動（圖作等速圓周運動（圖5.26）l其前端的線速度就相當于儀器不動時氣流其前端的線速度就相當于儀器不動時氣流的速度。的速度。705.6.1 旋臂機（續(xù)）旋臂機（續(xù)）l優(yōu)點：優(yōu)點：l可以標定相當?shù)偷娘L速可以標定相當?shù)偷娘L速l通過旋轉臂轉速很容易確定風速通過旋轉臂轉速很容易確定風速l旋轉臂的轉速可以靠控制電動機或變速箱來改變旋轉臂的轉速可以靠控制電動機或變速箱來改變l缺點：缺

41、點：l當旋轉臂轉速加大后，會帶動室內(nèi)空氣，失去相當旋轉臂轉速加大后，會帶動室內(nèi)空氣，失去相對靜止狀態(tài)，造成檢定誤差。對靜止狀態(tài)，造成檢定誤差。715.6.2 風洞風洞l風洞是一種進行流體風洞是一種進行流體力學、航空模型試驗力學、航空模型試驗以及環(huán)境問題實驗的以及環(huán)境問題實驗的大型設備。大型設備。l在這種管道系統(tǒng)里，在這種管道系統(tǒng)里，動力風扇造成空氣流動力風扇造成空氣流動，并在它的實驗空動，并在它的實驗空間造成一個穩(wěn)定、均間造成一個穩(wěn)定、均勻的流場。勻的流場。l流速可以調(diào)整。專門流速可以調(diào)整。專門進行風速計檢定的風進行風速計檢定的風洞，風速范圍在洞，風速范圍在0.560m/s。72HDF-500

42、型回路低速風洞型回路低速風洞 用于檢定各種型號的高、中、低速風速度，也可用于用于檢定各種型號的高、中、低速風速度，也可用于交通、環(huán)保、科研等部門進行空氣動力學方面的研究。交通、環(huán)保、科研等部門進行空氣動力學方面的研究。該機采用最新的高密度集成電路的超低噪音變頻調(diào)速，該機采用最新的高密度集成電路的超低噪音變頻調(diào)速，調(diào)速范圍、測量精度等方面達到了國際先進水平。調(diào)速范圍、測量精度等方面達到了國際先進水平。 735.6.3 風速檢定的測量標準風速檢定的測量標準皮托管皮托管l原理：通過測量壓力來測量流速原理：通過測量壓力來測量流速l皮托管是風洞中的測風標準。皮托管是風洞中的測風標準。l構造如圖構造如圖745.6.3 風速檢定的測量標準風速檢定的測量標準皮托管（續(xù)）皮托管（續(xù)）l壓差的測量儀器是微壓計。壓差的測量儀器是微壓計。l皮托管的缺點十分明顯：皮托管的缺點十分明顯：l壓差和風速的非線性關系壓差和風速的非線性關系l在低風速時靈敏度低，低于在低風速時靈敏度低，低于1m/s的風速難以的風速難以檢定。檢定。壓力傳感器壓力傳感器755.6.3 風速檢定的測量標準風速檢定的測量標準皮托管（續(xù)）皮托管（續(xù)）l為了比較精確地測定皮托管的微壓，研制為了比較精確地測定皮托管的微壓，研制了一種類似達因式風壓計的微壓計，稱作了一種類似達因式風壓計的微壓計，稱作沉鐘式微壓計。它的液體柱高度測量精度沉鐘式微壓計