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風速計

空氣流速測量簡介

風速計是用于測量空氣(氣體)的速度或流速的儀器,它可以測量封閉式氣流(如管道內的氣流),也可以測量自由氣流(如大氣中的自然風)。為了確定風速,風速計會檢測流體的某些物理性質的變化,或者流體對插入氣流中的機械裝置的影響。

熱線風速計是很受歡迎的一種恒溫裝置。風速計中含有電熱絲元件(直徑0.00016英寸,長度0.05英寸),熱絲兩端由針腳支撐。熱線式特別適用于低速的清潔氣體測量,文丘里適用于某些液體測量(含有泥漿)的應用。
Hot Wire Anemometer

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風速計的用途是什么?

風速計可以測量總流速大小,水平面上的流速大小,或者特定方向上的流速分量。

風速計類型

有多種風速計型號可對風速和氣流速度進行直接測量。四種熱銷機型包括:葉片式風速計、熱式風速計、具有速度/溫度曲線功能的熱式風速計以及杯式風速計。此類風速指示器通常分為恒溫風速計或恒功率風速計。 恒溫風速計和恒功率風速計的主要區別


恒溫風速計的響應頻率高,電噪聲小,在氣流流量驟降時不受傳感器故障的影響,兼容熱膜傳感器,且適用于液體和氣體測量,因此得到廣泛應用。

恒定功率風速計 不具備反饋系統。其溫度與流量成比例。由于其零流量讀數不穩定,溫度和流速響應慢,而且溫度補償效果有限,所以應用上受到限制。


風速計應用

風速計通常測量處于湍流狀態的氣體流量。葉片式風速計、熱式風速計和杯式風速計(通常用于氣象站)主要用于測量平均流速,而熱線風速計通常用于測量湍流特性,例如橫截面的橫向測量。“熱式風速計”一詞通常用來指使用傳熱與流速之間的關系來確定流速的任何風速計。

風速計的起源故事

風速計(anemometer)這個單詞來源于希臘單詞anemos(代表“風”)和metron(代表“測量”)。機械式風速計是最早(可追溯至15世紀)的風速測量裝置。

氣象站用風速計

杯式風速計(用于氣象站)對垂直于其旋轉杯軸線的平面內的流速進行測量。如果杯式風速計的安裝軸垂直于水平面,則僅測量與地面平行的風的分量。使用葉片式風速計等其他類型的風速計時,尖端與總流速矢量方向對齊。在使用風速計之前,確定該如何對其進行定位以及其測量值代表的總流速分量,是非常重要的。

選擇正確的風速計

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HHF141 Vane Anemometer 葉片式風速計
旋轉機械式風速計可歸為葉片式或螺旋槳式風速計類型。在此類風速計中,旋轉軸必須并行于風向,因此通常呈水平方向。在開放的空間中,風向經常發生變化,因此旋轉軸必須隨之變化。在空氣運動方向始終保持恒定的情況下(如礦山或建筑物的通風井),采用風向標(又稱氣流計)可獲得最滿意的效果。葉片式風速計還具有溫度測量、濕度測量、露點測量、體積轉換以及數據記錄等附加功能。
HHF2005HW Thermal Anemometer 熱風速計
熱風速計使用極細的導線(約幾微米)或元件,加熱到高于周圍環境的特定溫度。氣流經過時會有冷卻效果。由于大多數金屬的電阻取決于金屬的溫度(鎢是一種常用的熱線),因此可以得出導線與流速之間的關系。

這種關系有多種實現方法,熱線式設備據此可進一步分為 CCA(恒流風速計)、CVA(恒壓風速計)和 CTA(恒溫風速計)三類。因此,這些風速計的電壓輸出是設備中某類電路為保持特定變量(電流、電源或溫度)恒定而產生的結果。此外,還可使用 PWM(脈寬調制)風速計。這種風速計可發送重復電流脈沖,通過脈沖將導線的電阻提升到特定值,隨后切斷脈沖,直至電阻降至“下限”閾值時再次發送脈沖,最后通過重復脈沖的時長推導出流速。

熱線風速計雖然非常復雜,但相對于其它測量方法,具有極佳的頻率響應特性和空間分辨率。因此廣泛地用于對紊流或流速波動迅速的任何氣流進行詳細研究。熱風速計還具有溫度測量、數據記錄等附加功能。
Velocity and Temp Measurement System 帶有流速/溫度曲線繪制功能的熱風速計
熱風速計的曲線繪制系統采用最小的傳感器。這些傳感器可用于測量流速和溫度。通過多點數據記錄系統,用戶可繪制應用中氣流的特性曲線并針對數據進行圖形化分析。這些風速計常用于風洞中,旨在進行電路板和散熱片分析。
WMS-20 Series
杯式風速計
杯式風速計是一種簡單的風速計。它由三到四個半球形轉杯組成,每個轉杯安裝在橫臂的一端,橫臂則安裝在縱軸上并且彼此之間成相同角度??諝庋厝魏嗡椒较蛄鬟^轉杯時,各轉杯相應以正比于風速的速率轉動。因此,通過計算一定時間內轉杯的轉數,即可得出各種速度范圍內的平均風速。在安裝了四個轉杯的風速計上,由于轉杯在橫臂端點上對稱放置,因此始終會有一個轉杯的杯口迎著風,同時風吹向與其正對的轉杯的杯底。

當 Robinson 首次設計出這種風速計時,曾錯誤地宣稱,無論轉杯有多大或者橫臂有多長,轉杯的轉速始終等于風速的三分之一。雖然早期的獨立實驗似乎確認了這一點,但這離真相還很遙遠。后來發現,風速與轉杯轉速之間的實際關系(稱為風速計因子)取決于轉杯和橫臂的大小,其值可能介于二和三點幾之間。涉及風速計的每項實驗都不得不徹底重做。

加拿大人 John Patterson 于 1926 年開發出三杯式風速計,隨后美國的 Brevoort 和 Joiner 于 1935 年對其進行了改進,改進后的杯輪設計呈線型,最高轉速可達 60 mph,且誤差小于 3%。Patterson 發現,每個轉杯與風向成 45 度角時產生的轉矩最大。三杯式風速計相較于四杯式風速計具有更加穩定的轉矩,并且對陣風的響應速度更快。

澳大利亞人 Derek Weston 于 1991 年對三杯式風速計做出了進一步的改進,改進后的風速計可同時測量風向和風速。Weston 在轉杯上附帶了一個標簽,這種標簽會隨風或逆風交替移動,從而提高或降低 杯輪的轉速。通過杯輪轉速的這些周期性變化即可算出風向,而風速依然取決于杯輪轉速的平均值。

三杯式風速計目前是風力行業進行風資源評估分析的標準風速計。NRG 系統 #40C 是此用途中最常用的杯式風速計。由于歷史原因,風速計的大小以 crow 表示。

常見問題

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熱線或葉片式風速計?

有時稱為風速表或空速表,風速計通常被分類為熱線風速計或葉片式風速計。熱線風速計最適用于精確測量流速非常低(例如,低于2000 ft/min)的氣流。有些型號被設計為測量高達15000 ft/min的流速,但對于非常低的速度,仍然具有非常精確的測量能力。葉片式風速計依靠旋轉葉輪來感測空氣流速。葉片式風速計是測量風速的理想選擇。有多種測量單位可供用戶選擇:ft/min、m/s、MPH、km/h和節,以適應各種各樣的應用。熱式風速計是具有空氣溫度測量附加功能的熱線或葉片式風速計。濕度、溫度、風速計包含熱式風速計和濕度傳感器的功能,為客戶提供完整的環境信息。數據記錄風速計被設計為存儲測量值以供后期檢查??梢詫⒂涗浀目諝饬魉僮x數下載到計算機上,以便檢查、繪圖和進一步的分析。

如何在風道橫向測量中使用風速計?

風速計廣泛應用于風道均衡。在風道或氣管的某一橫截面上放置多個風速計,手動記錄多個位置點上的流速讀數,即可實現風道均衡。計算出平均流速,再乘以流體密度和風道的實測橫截面積,即可得出質量流量。對于圓柱形風道,橫向對數線性方法的準確度最高,因為該方法考慮到管壁的摩擦效應。由于測量數值眾多,風道的橫向測量是一件非常耗時的任務?;谖⑻幚砥鞯娘L速計可自動實施該步驟。

由于細絲尺寸小且脆性大,熱線風速計容易受灰塵沉積影響或斷裂。質量小的好處在于能夠快速響應。所以它們廣泛應用于HVAC和通風應用中。在要求更為苛刻的工業應用中,可采用尺寸更大且更加牢固的風速計。為確保形成適當的流速分布,通常在風速計的上游設置直管道(長度通常為10倍直徑)。采用調節流嘴可避免產生邊界層效應。如果沒有空間安裝直管,可在傳感器組件內裝入蜂窩式整流器。
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