風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測系統(tǒng)

 一）簡介：

風(fēng)是由許多小尺度的脈動，疊加在大尺度規(guī)則氣流上的三維矢量。但在氣象學(xué)上，卻把空氣的水平移動叫作風(fēng)，即把它作為二維矢量來考慮。由兩個參數(shù)來確定，即風(fēng)速（風(fēng)矢量的模數(shù)）和風(fēng)向（風(fēng)矢量的幅角）。

    空氣團(tuán)運(yùn)動速度的方向稱為風(fēng)向。如果氣流從東吹來就稱為東風(fēng)。風(fēng)向可由風(fēng)向標(biāo)，等儀器指示出來，從風(fēng)向標(biāo)與一固定不變的主方位指示桿之間的相對位置就可以觀測出風(fēng)向。

    風(fēng)向標(biāo)是由風(fēng)尾、指向桿、平衡重錘和旋轉(zhuǎn)主軸四個部分組成，見圖1。風(fēng)尾是感受風(fēng)力的部件，在風(fēng)力的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使指示桿-風(fēng)尾軸線不斷調(diào)整它的取向，與風(fēng)向保持一致。指向桿指向風(fēng)的來向。平衡重錘安裝在指向桿上，使整個風(fēng)向標(biāo)對支點(diǎn)保持重力矩平衡。旋轉(zhuǎn)主軸則是風(fēng)向標(biāo)的轉(zhuǎn)動中心，并通過它帶動傳感器件，把風(fēng)向標(biāo)指示的度數(shù)傳送到室內(nèi)的指示儀器上。

    測量風(fēng)速的儀表可以分為三大類：旋轉(zhuǎn)式、壓力式和其他形式。我們采用的是旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速表。

    常用的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速表是如圖1的風(fēng)杯式風(fēng)速表。在這種風(fēng)速表里，由3個風(fēng)杯與短軸連接組成的轉(zhuǎn)子在球軸承上旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸下部驅(qū)動一個被包圍的在定子中的多級永磁體。指示器測出隨風(fēng)速變化的電壓，顯示對應(yīng)的風(fēng)速值。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到1~2m/s時，風(fēng)杯式風(fēng)速表就可以啟動了。風(fēng)速由10m/s突然變化到20m/s時。風(fēng)速表記錄到19m/s值的響應(yīng)時間為1.3s。

    還有如同微型多葉片風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速表，如圖2所示。由于它的風(fēng)輪葉片多，因而風(fēng)輪工作轉(zhuǎn)速低，需要增速齒輪增速后再獲取風(fēng)速測量值；此外，它的啟動風(fēng)速也低。 

    上面兩種各有特點(diǎn)和優(yōu)劣。風(fēng)杯式風(fēng)速表可以保持其轉(zhuǎn)速與所測風(fēng)速有良好的線性關(guān)系，但是所需要的啟動風(fēng)速高，相應(yīng)的靈敏度也就差些。而微型多葉片風(fēng)速表剛好與之相反。

所以，多葉片風(fēng)速表主要用于實驗室，而風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器則可用于野外等惡劣氣候條件。

由原理可知，我們只需測得轉(zhuǎn)速，便可有轉(zhuǎn)速-風(fēng)速的線性關(guān)系求得風(fēng)速。我們采用的是電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表來作為轉(zhuǎn)速測量的儀器。這是應(yīng)用*泛的精密測量轉(zhuǎn)速的方法之一。其特點(diǎn)是具有量程寬，準(zhǔn)確度高，便于攜帶，輸出數(shù)字信息，可以方便地與微型計算機(jī)、打印機(jī)相結(jié)合，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動記錄、數(shù)字處理和反饋控制。

二）原理與設(shè)計：

1）風(fēng)速部分：

    測量原理： 電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表由數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器和電子計數(shù)電路組成。傳感器將轉(zhuǎn)軸的速度轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，經(jīng)電路放大、整形后送電子計數(shù)器顯示相應(yīng)的被測轉(zhuǎn)速值。一般對中、高轉(zhuǎn)速采用頻率法，對低轉(zhuǎn)速采用周期法測量。

風(fēng)速傳感器：其功能是將被測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速變換成電脈沖信號，并且能夠推動計數(shù)器計數(shù)。

風(fēng)向風(fēng)速傳感器風(fēng)杯由三個拋物錐形的空心杯殼組成。空心杯殼固定在互成120°的三叉星形支架上，杯的凹面順著一個方向排列，整個橫臂架則固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。風(fēng)杯結(jié)構(gòu)和尺寸決定了風(fēng)速傳感器的技術(shù)性能，較小的起動風(fēng)速和較好的距離常數(shù)要求風(fēng)杯越輕越好；較大的抗風(fēng)強(qiáng)度要求風(fēng)杯越堅固越好，即風(fēng)杯碗壁應(yīng)該盡量厚；顯而易見該二項是相互矛盾的。因此，合理的設(shè)計，就是兼顧各種技術(shù)性能。