風速儀原理

風速計(anemometer) 顧名思義是測量空氣流速的儀器。它的種類較多，氣象臺站最常用的為風杯風速計，它由3個互成120°固定在支架上的拋物錐空杯組成感應部分，空杯的凹面都順向一個方向。整個感應部分安裝在一根垂直旋轉軸上，在風力的作用下，風杯繞軸以正比於風速的轉速旋轉。另一種旋轉式風速計為旋槳式風速計，由一個三葉或四葉螺旋槳組成感應部分，將其安裝在一個風向標的前端，使它隨時對準風的來向。槳葉繞水平軸以正比於風速的轉速旋轉。

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原理

　　風速計其基本原理是將一根細的金屬絲放在流體中，通電流加熱金屬絲，使其溫度高於流體的溫度，因此將金屬絲

　　風速計稱為「熱線」。當流體沿垂直方向流過金屬絲時，將帶走金屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫度下降。根據強迫對流熱交換理論，可導出熱線散失的熱量Q與流體的速度v之間存在關係式。標準的熱線探頭由兩根支架張緊一根短而細的金屬絲組成，如圖2.1所示。金屬絲通常用鉑、銠、鎢等熔點高、延展性好的金屬製成。常用的絲直徑為5μm，長為2 mm；最小的探頭直徑僅1μm，長為0.2 mm。根據不同的用途，熱線探頭還做成雙絲、三絲、斜絲及V形、X形等。為了增加強度，有時用金屬膜代替金屬絲，通常在一熱絕緣的基體上噴鍍一層薄金屬膜，稱為熱膜探頭，如圖2.2所示。熱線探頭在使用前必須進行校準。靜態校準是在專門的標準風洞裡進行的，測量流速與輸出電壓之間的關係並畫成標準曲線；動態校準是在已知的脈動流場中進行的，或在風速儀加熱電路中加上一脈動電信號，校驗熱線風速儀的頻率響應，若頻率響應不佳可用相應的補償線路加以改善。

　　0至100m/s的流速測量範圍可以分為三個區段：低速：0至5m/s；中速：5至40m/s；高速：40至100m/s。風速儀的熱敏式探頭用於0至5m/s的精確測量；風速儀的轉輪式探頭測量5至40m/s的流速效果最理想；而利用皮托管則可在高速範圍內得到最佳結果。正確選擇風速儀的流速探頭的一個附加標準是溫度，通常風速儀的熱敏式傳感器的使用溫度約達+-70C。特製風速儀的轉輪探頭可達350C。皮托管用於+350C以上。

探頭選擇

風速儀的熱敏式探頭

　　風速計風速儀的熱敏式探頭的工作原理是基於冷衝擊氣流帶走熱元件上的熱量，藉助一個調節開關，保持溫度恆定，則調節電流和流速成正比關係。當在湍流中使用熱敏式探頭時，來自各個方向的氣流同時衝擊熱元件，從而會影響到測量結果的準確性。在湍流中測量時，熱敏式風速儀流速傳感器的示值往往高於轉輪式探頭。以上現象可以在管道測量過程中觀察到。根據管理管道紊流的不同設計，甚至在低速時也會出現。因此，風速儀測量過程應在管道的直線部分進行。直線部分的起點應至少在測量點前10×D（D=管道直徑，單位為CM）外；終點至少在測量點後4×D處。流體截面不得有任何遮擋。（稜角，重懸，物等）

風速儀的轉輪式探頭

　　風速儀的轉輪式探頭的工作原理是基於把轉動轉換成電信號，先經過一個臨近感應開頭，對轉輪的轉動進行「計數」並產生一個脈衝系列，再經檢測儀轉換處理，即可得到轉速值。風速儀的大口徑探頭（60mm,100mm)適合於測量中、小流速的紊流（如在管道出口）。風速儀的小口徑探頭更適於測量管道橫截面大於探險頭橫截面貌一新100倍以上的氣流。

特點

　　1、體積小，對流場幹擾小；

　　2、適用範圍廣。不僅可用於氣體也可用於液體，在氣體的亞聲速、跨聲速和超聲速流動中均可使用；

　　3、頻率響應高，可高達1 MH z。

　　4、測量精度高，重複性好。熱線風速儀的缺點是探頭對流場有一定幹擾，熱線容易斷裂。

　　5、除了測量平均速度外，還可測量脈動值和湍流量；除了測量單方向運動外還可同時測量多個方向的速度分量。

主要用途

　　1、測量平均流動的速度和方向。

　　2、測量來流的脈動速度及其頻譜。

　　3、測量湍流中的雷諾應力及兩點的速度相關性、時間相關性。

　　4、測量壁面切應力（通常是採用與壁面平齊放置的熱膜探頭來進行的，原理與熱線測速相似）。

　　5、測量流體溫度（事先測出探頭電阻隨流體溫度的變化曲線，然後根據測得的探頭電阻就可確定溫度。

　　除此以外還開發出許多專業用途。

使用方法

　　1、使用前觀察電錶的指針是否指於零點，如有偏移，可輕輕調整電錶的機械調整螺絲，使指針回到零點；

　　2、將校正開關置於斷的位置；

　　3、將測杆插頭插在插座上，測杆垂直向上放置，螺塞壓緊使探頭密封，「校正開關」置於滿度位置，慢慢調整「滿度調節」旋紐，使電錶指針指在滿度位置；

　　4、將「校正開關」置於「零位」，慢慢調整「粗調」、「細調」兩個旋紐，使電錶指針指在零點的位置；

　　5、經以上步驟後，輕輕拉動螺塞，使測杆探頭露出（長短可根據需要選擇），並使探頭上的紅點面對對著風向，根據電錶度讀數，查閱校正曲線，即可查出被測風速；

　　6、在測定若干分後（10min左右），必須重複以上3、4步驟一次，使儀表內的電流得到標準化；

　　7、測畢，應將「校正開關」置於斷的位置。

　　風速計將流速信號轉變為電信號的一種測速儀器，也可測量流體溫度或密度。其原理是，將一根通電加熱的細金屬絲（稱熱線）置於氣流中，熱線在氣流中的散熱量與流速有關，而散熱量導致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉變成電信號。它有兩種工作模式：①恆流式。通過熱線的電流保持不變，溫度變化時，熱線電阻改變，因而兩端電壓變化，由此測量流速；②恆溫式。熱線的溫度保持不變，如保持150℃，根據所需施加的電流可度量流速。恆溫式比恆流式應用更廣泛。熱線長度一般在0.5～2毫米範圍，直徑在1～10微米範圍，材料為鉑、鎢或鉑銠合金等。若以一片很薄(厚度小於0.1微米)的金屬膜代替金屬絲，即為熱膜風速儀，功能與熱絲相似，但多用於測量液體流速。熱線除普通的單線式外，還可以是組合的雙線式或三線式，用以測量各個方向的速度分量。從熱線輸出的電信號，經放大、補償和數位化後輸入計算機，可提高測量精度，自動完成數據後處理過程，擴大測速功能，如同時完成瞬時值和時均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流參數的測量。熱線風速儀與皮托管相比，具有探頭體積小，對流場幹擾小；響應快，能測量非定常流速；能測量很低速（如低達0.3米／秒)等優點。