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1、超声波旋涡风速计一种新型测风传感器—长春气象仪器研究所朱双全聂泽雨刘巨昌,。1992年21月长春气象仪器所研制的CXF一1型超声波旋涡风速计通过部级鉴定,。本文在概述基础上重点介绍这种新型风速计一、超声波风速计概述,。。利用超声波原理测量大气风参量的风速计目前有两类产品一类叫超声波风速计原理是利用超声波在顺风和逆风时传播速度不同,通过测量其时间差方法判定风速的大。,用矢量。:小再通过测量不同方向的风速合成法来计算风向其结构形式有两种一种图1,,测定两是利用两对探头水平方向垂直布置个互相垂直方向的风速(见图1);另一种是,,利用三对探头空间方向互相垂直布置测。定空间的三维风速(见图2
2、)该类仪器无可,,,,。:动部件测量精度较高响应极快但价格较贵目前尚未大批量使用典型产品有日DAZl、,。本KD公司的o型DA31o型日本05公司的OSK15075型另一类叫超声波旋,“”。涡风速计原理是根据一个置于风场中的圆柱体流出的卡曼涡街的特征来计算风速:,其探头结构型式有两种一种是由两个互相垂直的旋涡感应管组成通过测量水平方向,。,,测。风速正交分量来计算风向和风速特点是无可动部件响应极快量精度不高典一14一。,型产品有美国JTech公司的VT一1005型另一种是由旋涡感应管和风标组成两,—。、、、者固定在一起能随风向转动(见图3)后一类仪器测量范围宽精度高响应快不,。,易
3、受外界自然条件影响稳定可靠此类仪器国外70年代中期投人使用阶段主要用在。:、,海洋浮标上典型产品有美国J一Tech公司的VA一320型VA30型日本石川株氏,;。会社的VA一320型英国MSA公司的BA型图3VA一300又右上)和VA一320(左下)二、与旋转型常规测风仪器的比较,、,,,常规测风仪器如风杯风向标式螺旋桨带尾翼式已经使用多年特点是工作,测量。,,稳定可靠范围和精度基本满足常规要求但是研究表明上述旋转型测风仪器由,;于减速时的距离常数比加速时的大其测量风速的平均值有时比实际值高出10一20%在自然条件变化(如降雨、降雪、风沙)情况下,测量会带来较大误差;转动部分的机,
4、。,,械磨损腐蚀也会增加测量误差另一方面由于此类旋转型仪器的响应速度较慢动态,。指泳不高也限制了它的使用范围,:,与上述旋转型风速计相比超声波类风速计的主要优点是对风速响应极快不易,。受外界自然条件变化的影响风速的测量值不会因惯性影响而产生较大偏差但可靠性。,,是可方面尚有差距其中的超声波旋涡风速计其可靠性指标较高与旋转型风速计比美且能在无人管理下长期工作的测风仪器。、C三XF一1型超声波旋涡风速计.1主要技术指标和功能:主要技术指标是:(1)测量范围和精度:10ms,士·;风速~6/2%FS0,0。0风向o一士4(2)动态特性::6mm风速距离常数;:。风向滞后距离簇10rn:9
5、s。(3)抗风强度0m/(4:)使用环境温度湿度主机O~45℃(85%RH传感器一30~+70℃毛100%RH:主要功能有(1)能选择显示并打印风速、风向瞬时值;、(2)能选择显示并打印2分钟10分钟风速和风向的平均值;(3)在20点能自动打印24小时统计值、最大瞬时风速出现时刻及当时风向、最大平均风速及出现时间、全天平均风速。,,(4)配有模拟量接口能以电压形式输出风速和风向的瞬时值可与双笔自动平衡,。记录仪连接连续记录2.仪器原理和构成该仪器由传感器和主机两部分组成。传感器采用旋涡感应管与风标一体结构(见图4),可同。,、、、时测量风速和风向主机由单片机构成负责数据处理显示打印
6、并对风参量作连续记录。风向标旋涡感应管Z,回转架一~~-,尸-一~一,,壳体下壳体//电缆插座图4旋涡风速计传感器外形图(1)传感器原理“”。即在无限界流场中插入一根非流线形阻流体,风速的测量基于卡曼涡街原理在16一,,一定雷诺数范围内阻流体下游会产生两排内旋的互相交替的旋涡旋涡的频率正比于流速。因为这个原理是1912年由德国美籍科学家冯·卡曼首次加以确定,所以人们通常,。将这两排旋涡称为卡曼涡街而阻流体称为旋涡发生体,,近年来的研究结果表明当流体单独绕流一根圆柱体时在雷诺数200一5000范围,v,,内由圆柱体产生的旋涡频率f与流速成正比与圆柱直经d成反比其关系式为一Vd一S,:
7、,。式中S为比例常数称作斯特拉哈尔数,该传感器采用超声波检测旋涡频率的技术(见图5)由超声波发射换能器F发出一,,。束超声波使其穿过旋涡发生体A的尾流并用超声波接收换能器S接收由于旋涡对,。,,超声波的散射作用超声波束的振幅受到调制这样在一定风速范围内接收器S就,。、、收到了一个被旋涡调制的信号调制的频率与旋涡频率相等该信号经放大检波整形后输出。C、、:、,超声信号,…/发生器{{令,气流{图5超声波旋涡风速传感器原理图,电路,7。风向检测采用风标带格雷码盘结构为光电
