测量风速的方法

测量风速的方法
内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）
测量风速的方法
张曦
计算机科学与技术10级1班
高空风观测
测量近地面直至30公里高空的风向风速。

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，读取其时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的坐标值，可求出气球所经过高度上的平均风向风速。

高空风的测量一般指从地面到空中30km各高度上的风向、风速的测定。

其测量方法有：？
一．利用示踪物随气球漂浮，观测示踪物位移来确定空中的风向和风速；?
常用测风气球作为气流示踪物，使用地点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、解析法或矢量法确定相应大气层中的平均风向、风速。

气球空间位置的确定需要测定三个参数：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。

在实际测量中，可以采用单经纬仪测风，也可采用双经纬仪测风（基线测风法）。

其中后者准确度较高，可用来鉴定其它测风方法的准确性，但这种方法的观测和计算较复杂。

用双经纬仪测风计算高度时，可采用投影法（包括水平面投影法、铅直面投影法和矢量投影法）。

二．利用大气中的质点或湍流团块与无线电波、声波、光波的相互作用，由多普勒效应引起的频率变化推算空中的风向、风速；
在我国，目前主要采用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。

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，根据气流对测风仪器的动力作用来测量空中的风向、风速。

导航测风就是借助导航台信号，由气球携带的探空仪自身确定其位置，并将位置信号、气象资料信号一起发回基站，然后在基站进行处理，计算高空风的方法。

近地面层以上大气风场的探测。

通常用气球法测风。

高空风探测也是气象飞机探测、、的内容之一。

气球法测风是把气球看作随气流移动的质点，用仪器测量气球相对于观测点的角坐标、斜距或高度，确定它的空间位置和轨迹；根据气球在某时段内位置的变化,就可以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。

在气球的上升过程中，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.福雷斯特首创测风气球观测高空风。

气球法测风常用光学经纬仪、无线电经纬仪、一次雷达和二次雷达，以及导航系统等。

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）。

气球高度一是根据气球升速（决定于气球净举力、气球大圆周长和地面空气密度）和升空历经的时间来确定。

但由于大气湍流、铅直气流速度和空气密度随高度变化等因素对气球升速的影响，这种方法确定的高度误差大，测风精度低，一般只在数千米高度以下使用。

二是根据测得的气压、温度和湿度资料，通过计算推得高度。

这种方法测风精度较高。

用双经纬仪测风，是根据位于选定基线两端的两个经纬仪同步观测获得的角坐标值，通过几何图解或计算，得出各高度上的平均风向、风速。

光学经纬仪测风一般只适用于能见度好的少云晴天，夜间必须在气球上挂灯笼或其他可见光源，阴雨天气则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。

气球所在的高度则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。

此法可以获取角坐标和斜距数据，从而计算出高空风，无需依赖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，要放弃仰角数据。

此外，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，根据这些信号，可确定气球的轨迹,并计算出各相应高度上的风速和风向。

如图所示,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间差，对应不同的等时间差，构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间差，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、乙两台的时间差，可以确定它位于一根相对应的双曲线l1上。

同时测得甲、丙两台的时间差后，也可以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，便是气球的地理位置。

根据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。

至于气球的高度则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使用导航测风。

从20世纪60年代开始,探测的高空风场(见)，为观测站稀少地区提供了资料。

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，也就是风。

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，一般用16个方位或360°表示。

以360°表示时，由北起按顺时针方向度量。

风速指单位时间内空气的水平位移，常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。

1805年英国人F·蒲福根据风对地面（或海面）物体的影响，提出风力等级表，几经修改后得下表。

目测风时，根据风力等级表中各级风的特征，即可估计出相应的风速。

蒲福风力等级表
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（1）风向测量仪器：风向标是一种应用最广泛的测量风向仪器的主要部件，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，并不断调整指向杆指示风向。

风向标感应的风向必须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（°）。

精确的方法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广泛的一种风速表，由三个（或四个）半球形或抛物形空杯，都顺一面均匀分布在一水平支架上，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。

转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录。

b）桨叶式风速表是由若干片桨叶按一定角度等间隔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。

最常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，就能推算出风速。

热力式风速表感应速度快，时间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。

常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。

翼状和杯状风速计使用简便，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，气象台站最常用的为风杯风速计，它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。

整个感应部分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分，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。

风速计其基本原理是将一根细的放在流体中，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分热量，使金属丝温度下降。

根据强迫对流热交换理论，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。

金属丝通常用、铑、等熔点高、延展性好的金属制成。

常用的丝直径为5μm，长为2 mm；最小的探头直径仅1μm，长为 mm。

根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。

为了增加强度，有时用代替金属丝，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。

热线探头在使用前必须进行校准。

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，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。

0至100m/s的流速测量范围可以分为三个区段：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的精确测量；风速仪的转轮式测量5至40m/s的效果最理想；而利用则可在高速范围内得到最佳结果。

正确选择风速仪的流速探头的一个附加标准是温度，通常风速仪的的使用温度约达+-70C。

特制风速仪的转轮探头可达350C。

皮托管用于+350C以上。

1、风速仪的热敏式探头
风速仪的的工作原理是基于冷冲击带走热元件上的热量，借助一个调节开关，保持温度恒定，则调节和流速成正比关系。

当在湍流中使用热敏式探头时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，从而会影响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。

以上现象可以在测量过程中观察到。

根据管理管道紊流的不同设计，甚至在低速时也会出现。

因此，风速仪测量过程应在管道的直线部分进行。

直线部分的起点应至少在测量点前
10×D（D=管道，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，先经过一个临近感应开头，对转轮的转动进行“计数”并产生一个系列，再经检测仪转换处理，即可得到值。

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。

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、测量湍流中的及两点的速度相关性、时间相关性。

4、测量壁面切应力（通常是采用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（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。

①风杯风速计
它是最常见的一种风速计。

转杯式风速计最早由鲁宾孙发明，当时是四杯，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可以自由转动的轴上。

在风力的作用下风杯绕轴旋转，其转速正比于风速。

转速可以用电触点、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。

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，利用散热速率和风速的平方根成线性关系，再通过电子线路线性化（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。

旁热式的热线一般为锰铜丝，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，在测量风速的同时可以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。

它的时间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，如果一组声波顺着风速分量传播，另一组恰好逆风传播，则两个收到声脉冲的时间差值将与风速分量成正比。

如果同时在水平和铅直方向各装上两对元件，就可以分别计算出水平风速、风向和铅直风速。

由于超声波具有抗干扰、方向性好的优点，声学风速表发射的声波频率多在段。