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小。再通过测量不同方向的风速,用矢量合成法来计算风向。其结构形式有两种:一种图1是利用两对探头,水平方向垂直布置,测定两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)。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:日本KD公司的DAZlo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,测量精度不高。典一14一型产品有美国J—Tech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,特点是工作稳定可靠,测量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,是可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。三、CXF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:风速:1~60m/s,士2%F·S;风向:o一3600,士40。(2)动态特性:风速距离常数:6mm;风向滞后距离:簇10rn。(3)抗风强度:90m/s。(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、并对风参量作连续记录。风向标旋涡感应管下壳体电缆插座Z,一~~-,尸-一~一,,//回转架壳体图4旋涡风速计传感器外形图(1)传感器原理风速的测量基于“卡曼涡街”原理。即在无限界流场中插入一根非流线形阻流体,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范围内,由圆柱体产生的旋涡频率f与流速v成正比,与圆柱直经d成反比,其关系式为V一dS一一式中,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...
