测量风速的方式.docx
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测量风速的方式
测量风速的方式
20201343107
陈茜茜
环境工程09级1班
高空风观测
测量近地面直至30千米高空的风向风速。
通常将飞升气球作为随气流移动的质点，用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球的飞升轨迹，读取其时刻距离的仰角、方位角、斜距，确信其空间位置的坐标值，可求出气球所通太高度上的平均风向风速。
高空风的测量一样指从地面到空中30km各高度上的风向、风速的测定。
其测量方式有：
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一．利用示踪物随气球漂浮，观测示踪物位移来确信空中的风向和风速；<4TF]5
经常使用测风气球作为气流示踪物，利用地址跟踪设备观测其运动轨迹，测定其在空间各个时刻的位置，再用图解法、解析法或矢量法确信相应大气层中的平均风向、风速。
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气球空间位置的确信需要测定三个参数：
仰角δ、方位角α和球高H。
测风经纬仪是一种跟踪观测和测定空中测风气球仰角、方位角的光学仪器。
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在实际测量中，能够采纳单经纬仪测风，也可采纳双经纬仪测风（基线测风法）。
其中后者准确度较高，可用来鉴定其它测风方式的准确性，但这种方式的观测和计算较复杂。
用双经纬仪测风计算高度时，可采纳投影法（包括水平面投影法、铅直面投影法和矢量投影法）。
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二．利用大气中的质点或湍流团块与无线电波、声波、光波的彼此作用，由多普勒效应引发的频率转变推算空中的风向、风速；3|D.r-Q
在我国，目前要紧采纳59型探空仪和701型二次测风雷达组成59—701高空探测系统，进行高空温、压、湿、风的综合测量。
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三．利用系留气球、风筝、飞机、气象塔等观测平台，使测风仪器安置在不同高度上，依照气流对测风仪器的动力作用来测量空中的风向、风速。
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导航测风确实是借助导航台信号，由气球携带的探空仪自身确信其位置，并将位置信号、气象资料信号一路发还基站，然后在基站进行处置，计算高空风的方式。
近地面层以上大气风场的探测。
通经常使用气球法测风。
高空风探测也是气象飞机探测、气象火箭探测、大气遥感的内容之一。
气球法测风是把气球看做随气流移动的质点，用仪器测量气球相关于观测点的角坐标、斜距或高度，确信它的空间位置和轨迹；依照气球在某时段内位置的转变,就能够够简易地算出它的水平位移,从而求出相应大气层中的平均水平风向、风速。
在气球的上升进程中，可测得它所经各高度上的风向、风速。
1809年英国J.沃利斯和T.福雷斯特初创测风气球观测高空风。
气球法测风经常使用光学经纬仪、无线电经纬仪、一次雷达和二次雷达，和导航系统等。
光学经纬仪测风
有单经纬仪测风和双经纬仪测风两种。
单经纬仪只能测定气球的角坐标（方位、仰角）。
气球高度一是依照气球升速（决定于气球净举力、气球大圆周长和地面空气密度）和升空历经的时刻来确信。
但由于大气湍流、铅直气流速度和空气密度随高度转变等因素对气球升速的阻碍，这种方式确信的高度误差大，测风精度低，一样只在数千米高度以下利用。
二是依照无线电探空仪测得的气压、温度和湿度资料，通过计算推得高度。
这种方式测风精度较高。
用双经纬仪测风，是依照位于选定基线两头的两个经纬仪同步观测取得的角坐标值，通过几何图解或计算，得出各高度上的平均风向、风速。
光学经纬仪测风一样只适用于能见度好的少云晴天，夜间必需在气球上挂灯笼或其他可见光源，阴雨天气那么只能在可见气球的高度内测风。
无线电经纬仪测风
它是利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空发射机信号，测得角坐标数据。
气球所在的高度那么由无线电探空仪测量的温、压、湿值算出。
因此无线电经纬仪测风适用于全天候，但当气球低于无线电经纬仪最低工作仰角时，测风精度迅速降低。
雷达测风
一次雷达测风是雷达跟踪气球携带的无源反射靶，接收反射靶的反射信号来实现定位并计算风向、风速。
二次雷达测风是跟踪气球携带的工作于应答状态的探空发射机信号来实现定位的。
此法能够获取角坐标和斜距数据，从而计算出高空风，无需依托无线电探空仪探测的温、压、湿数据计算气球高度。
二次雷达测风当气球低于雷达最低工作仰角时，要舍弃仰角数据。
另外，气象多普勒雷达更可测量云中流场的细微结构。
导航测风
利用导航系统来测定风。
气球携带微型导航接收机，检出导航信号，并调制探空发射机将信号转发到地面而被接收，依照这些信号，可确信气球的轨迹,并计算出各相应高度上的风速和风向。
如下图,任意甲、乙两个导航台的导航信号在空间某点被接收时存在时刻差，对应不同的等时刻差，组成空间一组双曲线族（实线）；同理甲、丙两个导航台的导航信号，在空间任意点接收到的等时刻差，也在空间形成另一组双曲线族（虚线）。
气球在空间某点测得甲、乙两台的时刻差，能够确信它位于一根相对应的双曲线l1上。
同时测得甲、丙两台的时刻差后，也能够找到位于另一根相对应的双曲线l2。
l1和l2两根双曲线的交点P，即是气球的地理位置。
依照各时段气球理地位置的水平位移即可计算出高空的风速和风向。
至于气球的高度那么由气球上的无线电探空仪测定。
船舶和飞机等活动观测平台通常利用导航测风。
从20世纪60年代开始,气象卫星探测的高空风场（见卫星测风），为观测站稀少地域提供了资料。
地面风的测量
风是空气流动时产生的一种自然现象。
空气流动有上下流动和左右流动，上下流动为垂直运动，也叫对流；左右流动为水平运动，也确实是风。
风是一个矢量，用风向和风速表示。
地面风指离地平面10─12米高的风。
风向指风吹来的方向，一样用16个方位或360°表示。
以360°表示时，由北起按顺时针方向气宇。
风速指单位时刻内空气的水平位移，常以米/秒、千米/小时、海里/小时表示。
1805年英国人F·蒲福依照风对地面（或海面）物体的阻碍，提出风力品级表，几经修改后得下表。
目测风时，依照风力品级表中各级风的特点，即可估量出相应的风速。
蒲福风力品级表
风力等级
名称
相当于开阔平坦地面10米高处风速
浪高
陆上物理征象
米/秒
公里/时
海里/时
（米）
0
静风
<1
<1
－
静，烟直上。
1
软风
1－5
1－3
烟能表示风向，但风向标尚不能指示风向。
2
轻风
6－11
4－6
人面感觉有风，树叶有微响，风向标能随风转动。
3
微风
12－19
7－10
树叶与微枝摇动不息，旌旗展开。
4
和风
20－28
11－16
灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。
5
清劲风
29－38
17－21
有叶的小树枝摇动，内陆水面有小波浪。
6
强风
39－49
22－27
大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难。
7
疾风
50－61
28－33
全树摇动，逆风步行感到困难。
8
大风
62－74
34－40
树枝折断，逆风行进阻力甚大。
9
烈风
75－88
41－47
发生轻微的建筑破坏。
10
狂风
89－102
48－55
内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏较重。
11
暴风
103－117
56－63
极少遇到，伴随着广泛的破坏。
12
飓风
118
64
（1）风向测量仪器：
风向标是一种应用最普遍的测量风向仪器的要紧部件，由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。
在风的作用下，尾翼产生旋转力矩使风向标转动，并非断调整指向杆指示风向。
风向标感应的风向必需传递到地面的指示仪表上，以触点式最为简单，风向标带动触点，接通代表风向的灯泡或记录笔电磁铁，作出风向的指示或记录，但它的分辨只能做到一个方位（22.5°）。
精准的方式有自整角机和光电码盘。
（2）风速测量仪器：
a）风杯风速表是应用最普遍的一种风速表，由三个（或四个）半球形或抛物形空杯，都顺一面均匀散布在一水平支架上，支架与转轴相连。
在风力作用下，风杯绕转轴旋转，其转速正比于风速。
转速能够用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录。
b）桨叶式风速表是由假设干片桨叶按必然角度等距离地装置在一铅直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速。
桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。
最多见的是由三叶式四叶螺旋桨，装在形似飞机机身的流线形风向标前部，风向标使叶片旋转平面始络对准风的来向。
c）热力式风速表是被电流加热的细金属丝或微型球体电阻，放置在气流中，其散热率与风速的平方根成线性关系。
通常在使加热电流不变时，测出被加热物体的温度，就能够推算出风速。
热力式风速表感应速度快，时刻常数只有百分之几秒，在小风速时灵敏度较高，宜应用于室内和野外的大气湍流实验，也是农业气象测量的重要工具。
经常使用的仪器有杯状风速计、翼状风速计、卡他温度计和热球式电风速计。
翼状和杯状风速计利用简便，但其惰性和机械磨擦阻力较大，只适用于测定较大的风速。
风速计（anemometer）
顾名思义是测量空气流速的仪器。
它的种类较多，气象台站最经常使用的为风杯风速计，它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部份，空杯的凹面都顺向一个方向。
整个感应部份安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。
另一种旋转式风速计为旋桨式风速计，由一个三叶或四叶螺旋桨组成感应部份，将其安装在一个风向标的前端，使它随时对准风的来向。
桨叶绕水平轴以正比于风速的转速旋转。
风速计-简介
风速计其大体原理是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝
称为“热线”。
当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部份热量，使金属丝温度下降。
依照强迫对流热互换理论，可导出热线散失的热量Q与流体的速度v之间存在关系式。
标准的热线探头由两根支架张紧一根短而细的金属丝组成，如图所示。
金属丝通经常使用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。
经常使用的丝直径为5μm，长为2mm；最小的探头直径仅1μm，长为0.2mm。
依照不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。
为了增增强度，有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头，如图所示。
热线探头在利用前必需进行校准。
静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线风速仪的频率响应，假设频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。
0至100m/s的流速测量范围能够分为三个区段：
低速：
0至5m/s；中速：
5至40m/s；高速：
40至100m/s。
风速仪的热敏式探头用于0至5m/s的精准测量；风速仪的转轮式探头测量5至40m/s的流速成效最理想；而利用皮托管那么可在高速范围内取得最正确结果。
正确选择风速仪的流速探头的一个附加标准是温度，通常风速仪的热敏式传感器的利用温度约达+-70C。
特制风速仪的转轮探头可达350C。
皮托管用于+350C以上。
风速计-探头选择
1、风速仪的热敏式探头
风速仪的热敏式探头的工作原理是基于冷冲击气流带走热元件上的热量，借助一个调剂开关，维持温度恒定，那么调剂电流和流速成正比关系。
当在湍流中利用热敏式探头时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，从而会阻碍到测量结果的准确性。
在湍流中测量时，热敏式风速仪流速传感器的示值往往高于转轮式探头。
以上现象能够在管道测量进程中观看到。
依照治理管道紊流的不同设计，乃至在低速时也会显现。
因此，风速仪测量进程应在管道的直线部份进行。
直线部份的起点应至少在测量点前10×D（D=管道直径，单位为CM）外；终点至少在测量点后4×D处。
流体截面不得有任何遮挡。
（棱角，重悬，物等）
2、风速仪的转轮式探头
风速仪的转轮式探头的工作原理是基于把转动转换成电信号，先通过一个临近感应开头，对转轮的转动进行“计数”并产生一个脉冲系列，再经检测仪转换处置，即可取得转速值。
风速仪的大口径探头（60mm,100mm）适合于测量中、小流速的紊流（如在管道出口）。
风速仪的小口径探头更适于测量管道横截面大于探险头横截面貌一新100倍以上的气流。
风速计-要紧用途
1、测量平均流动的速度和方向。
2、测量来流的脉动速度及其频谱。
3、测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时刻相关性。
4、测量壁面切应力（一般是采纳与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。
5、测量流体温度（事前测出探头电阻随流体温度的转变曲线，然后依照测得的探头电阻就可确信温度。
除此之外还开发出许多专业用途。
风速计-风速测量仪器
①风杯风速计
它是最多见的一种风速计。
转杯式风速计最先由英国鲁宾孙发明，那时是四杯，后来改用三杯。
三个互成度固定在架上的抛物形或半球形的空杯都顺一面，整个架子连同风杯装在一个能够自由转动的轴上。
在风力的作用下风杯绕轴旋转，其转速正比于风速。
转速能够用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。
②螺旋桨式风速计
它是一组三叶或四叶螺旋桨绕水平轴旋转的风速计。
螺旋桨装在一个风标的前部，使其旋转平面始终正对风的来向，它的转速正比于风速。
③热线风速计
一根被电流加热的金属丝，流动的空气使它散热，利用散热速度和风速的平方根成线性关系，再通过电子线线路性化（以便于刻度和读数），即可制成热线风速计。
热线风速计分旁热式和直热式两种。
旁热式的热线一样为锰铜丝，其电阻温度系数近于零，它的表面另置有测温元件。
直热式的热线多为铂丝，在测量风速的同时能够直接测定热线本身的温度。
热线风速计在小风速时灵敏度较高，适用于对小风速测量。
它的时刻常数只有百分之几秒，是大气湍流和农业气象测量的重要工具。
④声学风速表
在声波传播方向的风速分量将增加（或减低）声波传播速度，利用这种特性制作的声学风速表可用来测量风速分量。
声学风速表至少有两对感应元件，每对包括发声器和接收器各一个。
使两个发声器的声波传播方向相反，若是一组声波顺着风速分量传播，另一组恰好逆风传播，那么两个接收器收到声脉冲的时刻差值将与风速分量成正比。
若是同时在水平和铅直方向各装上两对元件，就能够够别离计算出水平风速、风向和铅直风速。
由于超声波具有抗干扰、方向性好的优势，声学风速表发射的声波频率多在超声波段。
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