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风速计

空气流速测量简介

风速计是用于测量空气(气体)的速度或流速的仪器,它可以测量封闭式气流(如管道内的气流),也可以测量自由气流(如大气中的自然风)。为了确定风速,风速计会检测流体的某些物理性质的变化,或者流体对插入气流中的机械装置的影响。

热线风速计是最受欢迎的一种恒温装置。风速计中含有电热丝元件(直径0.00016英寸,长度0.05英寸),热丝两端由针脚支撑。热线式特别适用于低速的清洁气体测量,文丘里适用于某些液体测量(含有泥浆)的应用。
Hot Wire Anemometer

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风速计的用途是什么?

风速计可以测量总流速大小,水平面上的流速大小,或者特定方向上的流速分量。

风速计类型

有多种风速计型号可对风速和气流速度进行直接测量。四种热销机型包括:叶片式风速计、热式风速计、具有速度/温度曲线功能的热式风速计以及杯式风速计。此类风速指示器通常分为恒温风速计或恒功率风速计。 恒温风速计和恒功率风速计的主要区别


恒温风速计的响应频率高,电噪声小,在气流流量骤降时不受传感器故障的影响,兼容热膜传感器,且适用于液体和气体测量,因此得到广泛应用。

恒定功率风速计 不具备反馈系统。其温度与流量成比例。由于其零流量读数不稳定,温度和流速响应慢,而且温度补偿效果有限,所以应用上受到限制。


风速计应用

风速计通常测量处于湍流状态的气体流量。叶片式风速计、热式风速计和杯式风速计(通常用于气象站)主要用于测量平均流速,而热线风速计通常用于测量湍流特性,例如横截面的横向测量。“热式风速计”一词通常用来指使用传热与流速之间的关系来确定流速的任何风速计。

风速计的起源故事

风速计(anemometer)这个单词来源于希腊单词anemos(代表“风”)和metron(代表“测量”)。机械式风速计是最早(可追溯至15世纪)的风速测量装置。

气象站用风速计

杯式风速计(用于气象站)对垂直于其旋转杯轴线的平面内的流速进行测量。如果杯式风速计的安装轴垂直于水平面,则仅测量与地面平行的风的分量。使用叶片式风速计等其他类型的风速计时,尖端与总流速矢量方向对齐。在使用风速计之前,确定该如何对其进行定位以及其测量值代表的总流速分量,是非常重要的。

选择正确的风速计

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HHF141 Vane Anemometer 叶片式风速计
旋转机械式风速计可归为叶片式或螺旋桨式风速计类型。在此类风速计中,旋转轴必须并行于风向,因此通常呈水平方向。在开放的空间中,风向经常发生变化,因此旋转轴必须随之变化。在空气运动方向始终保持恒定的情况下(如矿山或建筑物的通风井),采用风向标(又称气流计)可获得最满意的效果。叶片式风速计还具有温度测量、湿度测量、露点测量、体积转换以及数据记录等附加功能。
HHF2005HW Thermal Anemometer 热风速计
热风速计使用极细的导线(约几微米)或元件,加热到高于周围环境的特定温度。气流经过时会有冷却效果。由于大多数金属的电阻取决于金属的温度(钨是一种常用的热线),因此可以得出导线与流速之间的关系。

这种关系有多种实现方法,热线式设备据此可进一步分为 CCA(恒流风速计)、CVA(恒压风速计)和 CTA(恒温风速计)三类。因此,这些风速计的电压输出是设备中某类电路为保持特定变量(电流、电源或温度)恒定而产生的结果。此外,还可使用 PWM(脉宽调制)风速计。这种风速计可发送重复电流脉冲,通过脉冲将导线的电阻提升到特定值,随后切断脉冲,直至电阻降至“下限”阈值时再次发送脉冲,最后通过重复脉冲的时长推导出流速。

热线风速计虽然非常复杂,但相对于其它测量方法,具有极佳的频率响应特性和空间分辨率。因此广泛地用于对紊流或流速波动迅速的任何气流进行详细研究。热风速计还具有温度测量、数据记录等附加功能。
Velocity and Temp Measurement System 带有流速/温度曲线绘制功能的热风速计
热风速计的曲线绘制系统采用最小的传感器。这些传感器可用于测量流速和温度。通过多点数据记录系统,用户可绘制应用中气流的特性曲线并针对数据进行图形化分析。这些风速计常用于风洞中,旨在进行电路板和散热片分析。
WMS-20 Series
杯式风速计
杯式风速计是一种简单的风速计。它由三到四个半球形转杯组成,每个转杯安装在横臂的一端,横臂则安装在纵轴上并且彼此之间成相同角度。空气沿任何水平方向流过转杯时,各转杯相应以正比于风速的速率转动。因此,通过计算一定时间内转杯的转数,即可得出各种速度范围内的平均风速。在安装了四个转杯的风速计上,由于转杯在横臂端点上对称放置,因此始终会有一个转杯的杯口迎着风,同时风吹向与其正对的转杯的杯底。

当 Robinson 首次设计出这种风速计时,曾错误地宣称,无论转杯有多大或者横臂有多长,转杯的转速始终等于风速的三分之一。虽然早期的独立实验似乎确认了这一点,但这离真相还很遥远。后来发现,风速与转杯转速之间的实际关系(称为风速计因子)取决于转杯和横臂的大小,其值可能介于二和三点几之间。涉及风速计的每项实验都不得不彻底重做。

加拿大人 John Patterson 于 1926 年开发出三杯式风速计,随后美国的 Brevoort 和 Joiner 于 1935 年对其进行了改进,改进后的杯轮设计呈线型,最高转速可达 60 mph,且误差小于 3%。Patterson 发现,每个转杯与风向成 45 度角时产生的转矩最大。三杯式风速计相较于四杯式风速计具有更加稳定的转矩,并且对阵风的响应速度更快。

澳大利亚人 Derek Weston 于 1991 年对三杯式风速计做出了进一步的改进,改进后的风速计可同时测量风向和风速。Weston 在转杯上附带了一个标签,这种标签会随风或逆风交替移动,从而提高或降低 杯轮的转速。通过杯轮转速的这些周期性变化即可算出风向,而风速依然取决于杯轮转速的平均值。

三杯式风速计目前是风力行业进行风资源评估分析的标准风速计。NRG 系统 #40C 是此用途中最常用的杯式风速计。由于历史原因,风速计的大小以 crow 表示。

常见问题

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热线或叶片式风速计?

有时称为风速表或空速表,风速计通常被分类为热线风速计或叶片式风速计。热线风速计最适用于精确测量流速非常低(例如,低于2000 ft/min)的气流。有些型号被设计为测量高达15000 ft/min的流速,但对于非常低的速度,仍然具有非常精确的测量能力。叶片式风速计依靠旋转叶轮来感测空气流速。叶片式风速计是测量风速的最佳选择。有多种测量单位可供用户选择:ft/min、m/s、MPH、km/h和节,以适应各种各样的应用。热式风速计是具有空气温度测量附加功能的热线或叶片式风速计。湿度、温度、风速计包含热式风速计和湿度传感器的功能,为客户提供完整的环境信息。数据记录风速计被设计为存储测量值以供后期检查。可以将记录的空气流速读数下载到计算机上,以便检查、绘图和进一步的分析。

如何在风道横向测量中使用风速计?

风速计广泛应用于风道均衡。在风道或气管的某一横截面上放置多个风速计,手动记录多个位置点上的流速读数,即可实现风道均衡。计算出平均流速,再乘以流体密度和风道的实测横截面积,即可得出质量流量。对于圆柱形风道,横向对数线性方法的准确度最高,因为该方法考虑到管壁的摩擦效应。由于测量数值众多,风道的横向测量是一件非常耗时的任务。基于微处理器的风速计可自动实施该步骤。

由于细丝尺寸小且脆性大,热线风速计容易受灰尘沉积影响或断裂。质量小的好处在于能够快速响应。所以它们广泛应用于HVAC和通风应用中。在要求更为苛刻的工业应用中,可采用尺寸更大且更加牢固的风速计。为确保形成适当的流速分布,通常在风速计的上游设置直管道(长度通常为10倍直径)。采用调节流嘴可避免产生边界层效应。如果没有空间安装直管,可在传感器组件内装入蜂窝式整流器。