风的测量实用课件

LOGO仪器科学与技术系2024/7/281 12024/7/281 1风的测量风的测量第1页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器第七章第七章 风的测量风的测量2024/7/282 27.1 概述概述7.2 风向的测量风向的测量7.3 风速的测量风速的测量7.4 EL EL型风向风速计型风向风速计7.5 风廓线雷达风廓线雷达7.6 测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定第2页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的定义2024/7/283 3空气的运动可分解成垂直的和水平的两个分量。垂直分量称为空气的垂直运动（如对流运动）。风就是空气的水平运动，它是一个矢量，风的运动既有速度又有方向。因此风的观测包括风向和风速两项。是指在一定时段内的平均可认为在一个相当短的取样时段内的平均，或称为“光滑值”“平均值”“瞬时值”风的测量值应包括平均值和瞬时值两部分。第3页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述2024/7/284 4地面风指离地平面1012米高的风。WMO规定气象站应该测量离地10米处的风向风速。高空风测量近地面直至30公里高空的风向风速。第4页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的定义2024/7/285 5 风向指风的来向指在规定时间段内出现频率最多的风向 最多风向指在规定时间段内风向的平均值平均风向 风速指空气质点在单位时间内所移动的水平距离 最大风速指在某个时段内出现的平均风速中的最大值。瞬时风速空气微团的瞬时水平移动速度。在自动气象站中，瞬时风速是指3s的平均风速 极大风速指某个时段内出现的瞬时风速的最大值。平均风速指某个时段内风速的平均值。地面气象观测中，从给定时间段内选取任意10min的平均风速最大值作为该时间的最大风速第5页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的定义2024/7/286 6 风是所有气象要素中随时间变化最剧烈的一个要素。在观测中为了取得具有一定代表性的风向、风速资料、风的观测一般是取某一时间内的平均风速和最多风向。实验表明：取10min时间段内的平均值即可达到一定代表性的要求。在大多数风的阵性涨落不大的情况下，取12min时间端内的平均值，也可达到一定代表性的要求。气象台站观测中，一般是取2min的平均风速和最多风向，自记仪器是取10min的平均风速和最多风向。如何取得具有代表性的风资料？第6页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的定义2024/7/287 7 阵风（风的阵性）是指瞬时风向风速在平均值附近涨落的变化和分布特征。阵风的定义是：在规定时间间隔内（10min）内，风速偏离其平均值的一个正的或负的偏距，其持续时间不超过2min者。风的阵性在航空、航海、大气污染和放射性微尘的扩散等方面都有广泛的应用。阵风的观测主要有三个变量：风速和风向的标准偏差、阵风风峰值、阵风持续时间。第7页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器当风向固定在某一方位时，接触簧片在环形电阻上的位置确定，使环形电阻上三个插头有不同的电位。根据雷达工作频率的不同，可将风廓线雷达分为甚高频（VHF）、超高频（UHF）和L波段三类。在近地面几十米以内，风向随高度的变化比起风速的变化来要小得多，因此对测定风向仪器的安装没有更高的要求，只要求适当地高，避免地面突出障碍物的影响就可以了，但对测定风速仪器的安装，就需要考虑以下几个问题：风杯开始转动后，由于杯2顺着风的方向转动，受风的压力相对减小，而杯3迎着风以同样的速度转动，所受风压相对增大，风压差不断减小，经过一段时间后（风速不变时），作用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动。在自动气象站中，瞬时风速是指3s的平均风速阴影效应的大小取决于探头的外形以及风矢量与超声探头轴线之间的夹角。风标带动接触器上两个接触簧片在环形电阻上滑动。不考虑机械摩擦和空气对叶片的阻力尾部两翼有20度的张角，增大了垂直方向上的风压，灵敏性较好，同时由于张角的存在，风向标作惯性转动时，受到摆回平衡位置的力也要大些，因此稳定性高。指离地平面1012 米高的风。空气微团的瞬时水平移动速度。螺旋桨式风速计的叶片旋转平面应始终对准风的来向，因此它的感应部分需要与风向结合在一起。当扳键开关扳向上方时，电源正极通过扳键开关与各个小灯泡的公共端接通。风杯式风速计、风车风速计、螺旋桨式风速计、热线风速表、超声波风速表在风向发送器上有两个活动接触器，每个接触器上都有两个相同的滑动接触簧片，其中一个在内导线环或外导线环上滑动，另一个在电位计上滑动。右图是电接式风向风速仪风速转换电机内部的结构。如果把两个超声波发射元件G1和G2、两个接收元件R1和R2安置成如右图所示。体积、重量小灵敏度好；这是一个小型交流发电机，转子是一个八极磁钢，安装在风杯轴的下端，并随风杯转动而转动。系统由两个部分组成：一个是自动采集部分，另一个是接收部分。7.1 概述概述v单位 2024/7/288 8 风速的常用单位是m/s 1m/s=3.6 km/h 记录风速取一位小数 风向以10作为一个单位，用电码01、02、36来表示，以正北为基准，顺时针方向旋转。当风向仪器精度较低时，一般用16个方位表示，用英文缩写符号记录。第8页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v单位2024/7/289 9第9页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v单位2024/7/281010第10页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v单位2024/7/281111 零级烟柱直冲天，一级青烟随风偏；二级轻风吹脸面，三级叶动红旗展；四级枝摇飞纸片，五级带叶小树摇；六级举伞步行艰，七级迎风走不便；八级风吹树枝断，九级屋顶飞瓦片；十级拔树又倒屋，十一二级陆上很少见。风级歌第11页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述2024/7/281212v当没有测定风向风速的仪器，或仪器出现故障时，可目测风向风力l估计风力 根据风对地面或海面物体的影响而引起的现象，按风力等级表估计，并记录相应风速的中数值l目测风向 根据炊烟、旌旗、布条展开方向及人的感觉，按八个方位估计。目测风向风力时，观测者应站在空旷处，多选几个物体认真观察，以尽量减少估计误差第12页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的测量方法2024/7/281313测量风向风向标测量风速风杯式风速计、风车风速计、螺旋桨式风速计、热线风速表、超声波风速表同时测量风向和风速EL型电接风向风速计等测量高空风向和风速风廓线雷达第13页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向标 2024/7/281414感受风力的部件，在风力的作用下产生旋转力矩，使指向杆不断调整取向，与风向保持一致指示风的来向尾翼装在指向杆上，以使整个风向标对支点（旋转主轴）保持重力矩平衡指向杆风向标的转动中心，并通过它带动一些传感元件使风向标指示的度数传送到室内的指示仪表上平衡锤转动轴风向标外形可分为尾翼、平衡锤、指向杆、转动轴四部分第14页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2024/7/281515当风的来向与风向标成某一交角时，风对风向标产生压力，这个力可以分解成平行和垂直于风向标的两个风力。由于风向标头部受风面积比较小，尾翼受风面积比较大，因而感受的风压不相等，垂直于尾翼的风压产生风压力矩，使风向标绕垂直轴旋转，直至风向标头部正好对风的来向时，由于翼板两边受力平衡，风向标就稳定在某一方位。第15页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2024/7/281616风向标的设计要求风向标的设计要求1.在小风时能反应风向的变动，即有良好的启动性能；（一般风向标0.5m/s，较好的风向标0.3m/s）2.具有良好的动态特性，即能迅速准确地跟踪外界的风向变化第16页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2024/7/281717为了使风向标灵敏，可以在重量一定的前提下，加大尾翼的面积，加大其压力中心到垂直轴的距离（力臂），减小轴部摩擦等。为了使风向标稳定，则需要适当减小风向标的重量，减小转动半径和增大受风面积，也可以改进风标的形状。可见这两个要求有时是互相矛盾的，需要设计成哪种形式，要根据测量任务来决定。第17页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2024/7/281818双叶型（双尾型）：尾部两翼有20度的张角，增大了垂直方向上的风压，灵敏性较好，同时由于张角的存在，风向标作惯性转动时，受到摆回平衡位置的力也要大些，因此稳定性高。缺陷：尾翼对气流的破坏严重。菱形风向标体积、重量小灵敏度好；尾翼透空，气流从尾翼通过，形成强气流，使尾翼不易摆动，并能将尾部的涡流带走，使得气流稳定，-稳定性好第18页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2024/7/281919流线型（翼剖面型）：具有菱形风向标的优点，但是：制造上比较困难，容易变形（达因式风速计就是采用这种风标）单叶型（单尾型）：灵敏性、稳定性不够理想实测中应用较少第19页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2024/7/282020第20页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向标的动态特性2024/7/282121对于风向标，当风向变化时，它将经过一个阻尼简谐振动产生过量指示而逐渐趋于稳定。仪器的响应取决于环境量、仪器的响应速度和加速度。第21页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器随着探测高度的不同，风廓线雷达的回波机制有所不同。如果把两个超声波发射元件G1和G2、两个接收元件R1和R2安置成如右图所示。六级举伞步行艰，七级迎风走不便；为了使风向标稳定，则需要适当减小风向标的重量，减小转动半径和增大受风面积，也可以改进风标的形状。当光通过码盘的透明部分时，光电耦合器件接收到的信号为“1”；通过无线通讯实现采集数据到接收部分的传输。具有菱形风向标的优点，但是：制造上比较困难，容易变形（达因式风速计就是采用这种风标）零级烟柱直冲天，一级青烟随风偏；旋转式风速计风速信号的转换方式根据风速随高度的变化情况以及为了观测和维护的方便，同时不受地形地物的影响，测风仪器的安装高度最好在1020米之间。旋转式风速计的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件。风标带动接触器上两个接触簧片在环形电阻上滑动。海岛自动测风系统指某个时段内风速的平均值。流线型（翼剖面型）：为了使风向标灵敏，可以在重量一定的前提下，加大尾翼的面积，加大其压力中心到垂直轴的距离（力臂），减小轴部摩擦等。夹角为90度时，效应为0。4测风仪器的安装与检定风向电接簧片由风标带动，滑动片上有三个电接点，一个与导电环接触，另外两个与方位块接触，有时两个接点只能接触到一个方位块，有时可同时接触到两个方位块，这样只要打开指示器的电源开关，根据风向标所在位置，有一个或相邻两个小灯泡经过感应器的方位块接通负极，从而显示出方向。为了使风向标灵敏，可以在重量一定的前提下，加大尾翼的面积，加大其压力中心到垂直轴的距离（力臂），减小轴部摩擦等。被加热的金属丝，它所产生的热量为7.2 风向的测量风向的测量v风向标的测量误差2024/7/282222l启动误差l动态偏角l惯性误差l转换误差l零位误差第22页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量2024/7/282323v风向信号的传送和指示l电接式导电环用电缆与电源负极相连。另一环上有八个互相绝缘的方位块。风向指示器上有一个八灯盘，分别对应东、南、西、北、东南、东北、西北、西南八个方位，用来观测瞬时风向。风向标上的八个方位块通过电缆分别与指示器内八个小灯泡相连接，中间各串接着一个起隔离作用的半导体二极管。当扳键开关扳向上方时，电源正极通过扳键开关与各个小灯泡的公共端接通。第23页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量2024/7/282424v风向信号的传送和指示l电接式风向电接簧片由风标带动，滑动片上有三个电接点，一个与导电环接触，另外两个与方位块接触，有时两个接点只能接触到一个方位块，有时可同时接触到两个方位块，这样只要打开指示器的电源开关，根据风向标所在位置，有一个或相邻两个小灯泡经过感应器的方位块接通负极，从而显示出方向。当两个灯泡被点亮时，就指示出两方位的中间方位。这样，八个方位块实现了十六个方位的分辨力。当扳键开关处于中间或下方位置时，电源正极被断开，电路不通，灯泡不亮。第24页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量2024/7/282525v风向信号的传送和指示l电位计式封闭的环形绕线电阻，每隔120有一个插头，每个插头之间的电阻值相同并且是固定的。在风向发送器上有两个活动接触器，每个接触器上都有两个相同的滑动接触簧片，其中一个在内导线环或外导线环上滑动，另一个在电位计上滑动。风标带动接触器上两个接触簧片在环形电阻上滑动。当风向固定在某一方位时，接触簧片在环形电阻上的位置确定，使环形电阻上三个插头有不同的电位。第25页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量2024/7/282626v风向信号的传送和指示l电位计式风向指示器主要由线圈组、磁铁、方位度盘和指针组成。线圈组有六个线圈，每两个为一组，位置各相差180。每组线圈接成串联，然后各抽出一个头接在仪器，组成Y型连接。每组线圈的另一个抽头通过电缆与阻力圈上的三个接线头一一对应相接，形成闭合回路。当电路通路时，指示器上三个绕组便有方向和大小不同的电流通过，铁心被磁化形成磁场，磁场的方向按各绕组的电流方向，用右手螺旋法则确定。三个绕组形成的三个磁场方向合成为一个磁场方向，使得由永久磁铁做成的转子与风向变化同步，沿着合成磁场方向旋转，指示出风向。合成磁场的方向与接触簧片在环形电阻上的位置有关。这是电位计式进行方向信号转换和指示的原理。第26页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示l光电码盘式2024/7/282727格雷码盘由等分的同心圆组成，由内到外分别做0、20、21、22、23、24、25、26、27等份，相邻两份做透光和不透光处理，（图中涂黑的表示不透明，未涂黑的处表示透明）通过位于码盘两侧同一半径上的光电耦合器件对输出相应的格雷码。当光通过码盘的透明部分时，光电耦合器件接收到的信号为“1”；当光通过码盘的不透明部分时，接收到的信号为“0”。常用7位，分辨率为2.8度第27页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示l光电码盘式2024/7/282828第28页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器风杯2与3同风向成60度角相交，对风杯2而言，其凹面迎着风，承受的风压最大;风杯3其凸面迎风，风的绕流作用使其所受风压比风杯2小，由于风杯2与风杯3在垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。不考虑机械摩擦和空气对叶片的阻力当风向固定在某一方位时，接触簧片在环形电阻上的位置确定，使环形电阻上三个插头有不同的电位。夹角为90度时，效应为0。超声风速表是利用声波在空气中的传播速度与风速之间的函数关系测量风速的。风的阵性在航空、航海、大气污染和放射性微尘的扩散等方面都有广泛的应用。5 m/s，较好的风向标 0.前者称为恒流式，后者为恒温式。工作段的流速可以调整。尾部两翼有20度的张角，增大了垂直方向上的风压，灵敏性较好，同时由于张角的存在，风向标作惯性转动时，受到摆回平衡位置的力也要大些，因此稳定性高。封闭的环形绕线电阻，每隔120有一个插头，每个插头之间的电阻值相同并且是固定的。缺陷：尾翼对气流的破坏严重。4测风仪器的安装与检定具有菱形风向标的优点，但是：制造上比较困难，容易变形（达因式风速计就是采用这种风标）当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。在风向发送器上有两个活动接触器，每个接触器上都有两个相同的滑动接触簧片，其中一个在内导线环或外导线环上滑动，另一个在电位计上滑动。从上式可知，若固定加热电流I，即可确定v与t-的关系；6 测风仪器的安装与检定为了使风向标灵敏，可以在重量一定的前提下，加大尾翼的面积，加大其压力中心到垂直轴的距离（力臂），减小轴部摩擦等。指空气质点在单位时间内所移动的水平距离7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示l格雷码式2024/7/282929格雷码最大的优点是每进一位只有其中的一位数发生0与1之间的变化，因为即使发生误读也只能产生一位码的误差，这对保证测量风向的精度是大有好处的。格雷码盘固定在风向标的轴上。当码盘随着风向标转动时，通过光电转换线路，把光电信号转换为电信号，输入到指示、记录系统，实现格雷码与风向标角度的转换。第29页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v旋转式风速计旋转式风速计的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件。常见的有风杯式风速计、螺旋桨式风速计。2024/7/283030第30页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计目前普遍采用的测定风速的仪器是风杯式风速计，它的感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。空心杯壳固定在互成120的三叉星形支架上或互成90的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。2024/7/283131第31页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计2024/7/283232 当风从左方吹来时，风杯1与风向平行，风对风杯1的压力在最直于风杯轴方向上的分力近似为零。风杯2与3同风向成60度角相交，对风杯2而言，其凹面迎着风，承受的风压最大;风杯3其凸面迎风，风的绕流作用使其所受风压比风杯2小，由于风杯2与风杯3在垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。风杯开始转动后，由于杯2顺着风的方向转动，受风的压力相对减小，而杯3迎着风以同样的速度转动，所受风压相对增大，风压差不断减小，经过一段时间后（风速不变时），作用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动。这样根据风杯的转速（每秒钟转的圈数）就可以确定风速的大小。第32页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计2024/7/283333当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。第33页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计2024/7/283434目前新型转杯风速表均是采用三杯的，并且锥形杯的性能比半球形的好一是三杯的旋转力矩在整个回旋过程中分布比较均匀，转动比较稳定二是同样的材料和结构，单位质量所得到旋转力矩是三杯大于四杯，因此比较灵敏实验认为三杯优于四杯第34页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器4测风仪器的安装与检定风向标当扳键开关扳向上方时，电源正极通过扳键开关与各个小灯泡的公共端接通。4测风仪器的安装与检定当风杯带动八极磁钢不断转动时，使定子线圈内的磁通按正弦规律不断变化。随着探测高度的不同，风廓线雷达的回波机制有所不同。前者称为恒流式，后者为恒温式。当风向固定在某一方位时，接触簧片在环形电阻上的位置确定，使环形电阻上三个插头有不同的电位。封闭的环形绕线电阻，每隔120有一个插头，每个插头之间的电阻值相同并且是固定的。三个绕组形成的三个磁场方向合成为一个磁场方向，使得由永久磁铁做成的转子与风向变化同步，沿着合成磁场方向旋转，指示出风向。6 测风仪器的安装与检定阵风的定义是：在规定时间间隔内（10min）内，风速偏离其平均值的一个正的或负的偏距，其持续时间不超过2min者。热线风速表是利用一根被加热的金属丝置于空气中，散热速率与周围空气的流速有关的特性来测量风速。风向标在近地面几十米以内，风向随高度的变化比起风速的变化来要小得多，因此对测定风向仪器的安装没有更高的要求，只要求适当地高，避免地面突出障碍物的影响就可以了，但对测定风速仪器的安装，就需要考虑以下几个问题：工作段的流速可以调整。具有良好的动态特性，即能迅速准确地跟踪外界的风向变化一是三杯的旋转力矩在整个回旋过程中分布比较均匀，转动比较稳定空气微团的瞬时水平移动速度。在近地面几十米以内，风向随高度的变化比起风速的变化来要小得多，因此对测定风向仪器的安装没有更高的要求，只要求适当地高，避免地面突出障碍物的影响就可以了，但对测定风速仪器的安装，就需要考虑以下几个问题：7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计2024/7/283535当风速增加时转杯能迅速增加转速，以适应气流速度风速减小时，由于惯性影响，转速却不能立即下降旋转式风速表在阵性风里指示的风速一般是偏高的成为过高效应（产生的平均误差约为10%）过高效应还会受到垂直气流和风向脉动的影响第35页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v螺旋桨式风速计2024/7/283636电扇由电动机带动风扇叶片旋转，在叶片前后产生一个压力差，推动气流流动。螺旋浆式风速计的工作原理恰好与此相反，对准气流的叶片系统受到风压的作用，产生一定的扭力矩使叶片系统旋转。这种能量如果加以利用就是风力发电。螺旋桨式风速计是由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内。第36页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v螺旋桨式风速计2024/7/283737螺旋桨式风速计的叶片旋转平面应始终对准风的来向，因此它的感应部分需要与风向结合在一起。风向标部分则制成与风机机身相似的外形，保持良好的流线型。在以下假设情况下，经过计算可知螺旋桨式风速计的转速与外界风速成正比。l叶片是一个扁平薄板，当气流的方向与叶片的基线一致时，叶片上不受力的作用l不考虑机械摩擦和空气对叶片的阻力l叶片系统旋转时，没有带起旋转气流l叶片系统正前方的气流速度等于远处的风速第37页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量2024/7/283838三轴风速计：利用三个风车风速计测量风速x，y和z分量的仪器第38页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v旋转式风速计风速信号的转换方式2024/7/283939电机式风杯的转动直接带动一个小型发电机的多极磁钢转动，发电机的输出电压与风杯的转速成正比，整流后通过直流电流表进行显示。右图是电接式风向风速仪风速转换电机内部的结构。这是一个小型交流发电机，转子是一个八极磁钢，安装在风杯轴的下端，并随风杯转动而转动。定子是由上下两个圆型带齿的导磁环片和一组绕在胶木圈上的线圈组成。当风杯带动八极磁钢不断转动时，使定子线圈内的磁通按正弦规律不断变化。根据法拉第电磁感应定律，定子线圈上将产生交流感应电动势，其有效值与风杯转速成正比。通过整流滤波，直接在电流表上显示风速值。第39页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v旋转式风速计风速信号的转换方式2024/7/284040电机式光（磁）电式磁感应式机械式电接式第40页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v热线风速表2024/7/284141 热线风速表是利用一根被加热的金属丝置于空气中，散热速率与周围空气的流速有关的特性来测量风速。被加热的金属丝，它所产生的热量为 式中I为流过热线的电流，Rt为热线电阻。与此同时，在速度为v的气流中，一根垂直于气流的金属丝，它散失到空气中的热量为式中系数A代表分子的散热作用，代表气流的作用。对于某一热线风速表，A、B均为常系数，t-为热线与气温的温差。第41页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v热线风速表2024/7/284242 当v足够大时，则可忽略分子散热。当热量交换达到平衡时，Q1=Q2。从上式可知，若固定加热电流I，即可确定v与t-的关系；若固定热线与空气的温差t-，则可确定出v与I的关系。前者称为恒流式，后者为恒温式。第42页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v声风速表2024/7/284343第43页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v超声风速表2024/7/284444 超声风速表是利用声波在空气中的传播速度与风速之间的函数关系测量风速的。静止空气中的声音速度为：其中为质量热容比，Tsv为有声绝对温度，与气温绝对温度T的关系为气温20时，干空气中的声音传播速度是343.5m/s。第44页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器过高效应还会受到垂直气流和风向脉动的影响风向电接簧片由风标带动，滑动片上有三个电接点，一个与导电环接触，另外两个与方位块接触，有时两个接点只能接触到一个方位块，有时可同时接触到两个方位块，这样只要打开指示器的电源开关，根据风向标所在位置，有一个或相邻两个小灯泡经过感应器的方位块接通负极，从而显示出方向。当风向仪器精度较低时，一般用16个方位表示，用英文缩写符号记录。在近地面几十米以内，风向随高度的变化比起风速的变化来要小得多，因此对测定风向仪器的安装没有更高的要求，只要求适当地高，避免地面突出障碍物的影响就可以了，但对测定风速仪器的安装，就需要考虑以下几个问题：前者称为恒流式，后者为恒温式。螺旋桨式风速计的叶片旋转平面应始终对准风的来向，因此它的感应部分需要与风向结合在一起。风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等要素的探测。当风速增加时转杯能迅速增加转速，以适应气流速度风杯2与3同风向成60度角相交，对风杯2而言，其凹面迎着风，承受的风压最大;风杯3其凸面迎风，风的绕流作用使其所受风压比风杯2小，由于风杯2与风杯3在垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。夹角为90度时，效应为0。5 m/s，较好的风向标 0.风向标上的八个方位块通过电缆分别与指示器内八个小灯泡相连接，中间各串接着一个起隔离作用的半导体二极管。旋转式风速计风速信号的转换方式为了使风向标稳定，则需要适当减小风向标的重量，减小转动半径和增大受风面积，也可以改进风标的形状。因为建筑物、凹地、山谷等地形作用会使气流产生涡流、辐合、辐散，使风的资料只有小气候方面的意义，而缺少代表性。风廓线雷达所用发射频率与探测高度的关系在100km的高度范围内，风廓线雷达回波信号的产生机制主要有三种，分别是湍流散射、镜面反射和热散射。过高效应还会受到垂直气流和风向脉动的影响安装测风仪器的杆不能太粗，否则会改变气流的自然状况；尾部两翼有20度的张角，增大了垂直方向上的风压，灵敏性较好，同时由于张角的存在，风向标作惯性转动时，受到摆回平衡位置的力也要大些，因此稳定性高。7.3 风速的测量风速的测量v声风速表2024/7/284545 假设气流速度V的三个分量为Vx、Vy、Vz，声波的某一相位面从坐标原点到达(x,y,z)所需要的时间t时 设y与z为零，等相位从(0,0,0)到达点(d,0,0)和点(-d,0,0)的时间分别为t1和t2第45页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v声风速表2024/7/284646如果把两个超声波发射元件G1和G2、两个接收元件R1和R2安置成如右图所示。R1接收G1发射的声波，R2接收G2发射的声波，同时测出时间t1和t2，通过适当的电子线路得t1+t2到和t1-t2的数值，通过公式就可计算出风速V在x方向的分量。同理，沿y轴和z轴各装两对发射与接收装置，测定风速V在y和z方向的分量。第46页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v声风速表2024/7/284747 阴影效应：由于绕流的作用，迎风面的探头，在其背后会产生一定的尾流区域，这种现象将导致声波传播路径偏长，而使计算风速值偏低，这种效应称之为“阴影效应”。阴影效应的大小取决于探头的外形以及风矢量与超声探头轴线之间的夹角。夹角为90度时，效应为0。第47页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v轻便风向风速仪2024/7/284848 轻便风向风速仪是测量风向和一分钟内平均风速的仪器，它用于野外考查和仪器损坏时的备份仪器。第48页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v海岛自动测风系统2024/7/284949 该系统是专门为测量海岛出现的强风而设计的，其特点是具有较好的测强风能力。系统由两个部分组成：一个是自动采集部分，另一个是接收部分。采集部分由风向风速传感器、数据处理器、调制解调器、无线电收发讯机、太阳能板和蓄电池组成。接收部分由计算机、调制解调器、无线电收发讯机和打印机组成。采集部分对风向风速传感器采样，然后计算出风向风速的平均值。通过无线通讯实现采集数据到接收部分的传输。有日照时，采集部分用太阳能电池对蓄电池充电。第49页/共72页LOGO仪器科学与技术系2024/7/285050测风仪器的安装，根据不同观测目的，其要求也不同。气象台站观测，主要是提供天气预报和气候资料，一般测风仪器在正确装置的情况下，大多能满足其准确度的要求。但对于像水文气象、农业气象、污染气象等为特殊目的而进行的观测，其精度要求高一些，因此对仪器的安装要求也不同。在近地面几十米以内，风向随高度的变化比起风速的变化来要小得多，因此对测定风向仪器的安装没有更高的要求，只要求适当地高，避免地面突出障碍物的影响就可以了，但对测定风速仪器的安装，就需要考虑以下几个问题：7.4 7.4 测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定第50页/共72页LOGO仪器科学与技术系2024/7/285151根据风速随高度的变化情况以及为了观测和维护的方便，同时不受地形地物的影响，测风仪器的安装高度最好在1020米之间。7.4 7.4 测风仪器的安装测风仪器的安装第51页/共72页LOGO仪器科学与技术系2024/7/285252测风仪器安装的地点要求尽量开阔空旷，远离障碍物，使之不受气流涡旋的影响。因为建筑物、凹地、山谷等地形作用会使气流产生涡流、辐合、辐散，使风的资料只有小气候方面的意义，而缺少代表性。7.4 7.4 测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定第52页/共72页LOGO仪器科学与技术系2024/7/285353测风仪器必须垂直安装；安装测风仪器的杆不能太粗，否则会改变气流的自然状况；仪器应安装在杆的顶端，如果需要安装在杆的中间，则应使用一定长度的横臂，以使风速仪器远离杆柱。7.4 7.4 测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定第53页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.4测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定v旋臂机旋臂机主要部件是一根水平旋转臂，固定在一根垂直于水平面的旋转主轴上，杆的前端的仪器支架可安装待检定的风速计，垂直轴可由马达带动旋转，使仪器在XY平面内作等速圆周运动，其前端的线速度就相当于仪器不动时气流的速度。2024/7/285454第54页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.4测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定v旋臂机2024/7/285555优点：l可以标定相当低的风速l通过旋转臂转速很容易确定风速l旋转臂的转速可以靠控制电动机或变速箱来改变缺点：l当旋转臂转速加大后，会带动室内空气，失去相对静止状态，造成检定误差。第55页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.4测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定v风洞风向标和各种风速表一般都是通过风洞进行全面有效的校准。风洞是一种进行流体力学、航空模型实验以及环境问题实验的大型设备。在这种管道系统里，动力风扇造成空气流动，并在它的实验空间造成一个稳定、均匀的流场。工作段的流速可以调整。专门进行风速计检定的风洞，风速范围大致在0.560m/s。2024/7/285656第56页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达l分类2024/7/285757 根据天线制式的不同，风廓线雷达可分为两大类：一类是采用相控阵天线的风廓线雷达；另一类是采用抛物面天线的风廓线雷达。相控阵风廓线雷达体制适用于各种高度的探测，成为目前普遍采用的技术体制。因为风廓线雷达在进行气流速度测量的同时，还要对气流进行空间定位，所以需要发射脉冲电 磁波并具有多普勒测速功能，因此可将风廓线雷达归类于脉冲多普勒雷达。风廓线雷达的探测对象主要是晴空大气，所以风廓线雷达也成为晴空雷达。第57页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达l分类2024/7/285858 根据探测高度的不同，可将风廓线雷达分为边界层风廓线雷达、对流层风廓线雷达及中间层-平流层-对流层风廓线雷达（MST）。边界层风廓线雷达的探测高度一般在3km左右，对流层风廓线雷达的探测高度一般在12-16km，其中探测高度在8km以下的称为低对流层风廓线雷达，MST雷达的探测高度可达到中间层。第58页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达l分类2024/7/285959 根据雷达工作频率的不同，可将风廓线雷达分为甚高频（VHF）、超高频（UHF）和L波段三类。一般情况下，边界层风廓线雷达选用L波段，对流层风廓线雷达选用UHF（P波段），探测高度在平流层以上的风廓线雷达大致选用VHF。第59页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达l探测原理2024/7/286060 风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等要素的探测。风廓线雷达发射的电磁波在大气传播过程中，因为大气湍流造成的折射率分布不均匀而产 生散射，其中后向散射能量被风廓线雷达所接收。一方面，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方向的速度分量；另一方面，根据回波信号往返时间确定回波位置。由此看来，风廓线雷达是无线电测距和多普勒测速的结合。第60页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达l大气湍流散射2024/7/286161 随着探测高度的不同，风廓线雷达的回波机制有所不同。在100km的高度范围内，风廓线雷达回波信号的产生机制主要有三种，分别是湍流散射、镜面反射和热散射。晴空大气对电磁波的散射主要是湍流散射，其主要主要在对流层，是因为大气湍流运动造成折射率不均匀分布而产生的散射。第61页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达l大气湍流散射2024/7/286262测量范围平流层对流层 低对流层 边界层工作频率（MHz）504004001000发射峰值功率（KW）5004021工作高度范围（Km）3301160.680.13风廓线雷达所用发射频率与探测高度的关系第62页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器二是同样的材料和结构，单位质量所得到旋转力矩是三杯大于四杯，因此比较灵敏当风从左方吹来时，风杯1与风向平行，风对风杯1的压力在最直于风杯轴方向上的分力近似为零。对于风向标，当风向变化时，它将经过一个阻尼简谐振动产生过量指示而逐渐趋于稳定。指某个时段内出现的瞬时风速的最大值。边界层风廓线雷达的探测高度一般在3km左右，对流层风廓线雷达的探测高度一般在12-16km，其中探测高度在8km以下的称为低对流层风廓线雷达，MST雷达的探测高度可达到中间层。风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等要素的探测。一是三杯的旋转力矩在整个回旋过程中分布比较均匀，转动比较稳定风的阵性在航空、航海、大气污染和放射性微尘的扩散等方面都有广泛的应用。EL型电接风向风速计等当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。前者称为恒流式，后者为恒温式。定子是由上下两个圆型带齿的导磁环片和一组绕在胶木圈上的线圈组成。当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。当风向固定在某一方位时，接触簧片在环形电阻上的位置确定，使环形电阻上三个插头有不同的电位。格雷码盘固定在风向标的轴上。当风的来向与风向标成某一交角时，风对风向标产生压力，这个力可以分解成平行和垂直于风向标的两个风力。导电环用电缆与电源负极相连。气温20时，干空气中的声音传播速度是343.阴影效应：由于绕流的作用，迎风面的探头，在其背后会产生一定的尾流区域，这种现象将导致声波传播路径偏长，而使计算风速值偏低，这种效应称之为“阴影效应”。通过无线通讯实现采集数据到接收部分的传输。风向标7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达l天线工作方式2024/7/286363第63页/共72页LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达l测风原理2024/7/286464第64页/共72页Company LogoCompany LogoThank you第65页/共72页