圆锥杯状风速仪和压板风速仪的类型及原理解析

从生态指标和气象站获取的风速数据，可以帮助设计者找到合适的风电场场址。但最终场址的确定基于短期的实地测量。应利用安装在测风塔上的风速仪来测量风速。测风塔高度为风力机轮毂高度，能避免因地表面剪切风而需进一步修正风速。功率随风速的变化很敏感，故要求在测量风速时，采用敏感、可靠、正确校准且质量好的风速仪。

风速仪类型有多种。根据工作原理，可分为旋转式风速仪（杯状风速仪和螺旋桨式风速仪）、压力类风速仪（压力管风速仪、压板风速仪和球状风速仪）、热电风速仪（热线风速仪和热板风速仪）、相移风速仪（超声波风速仪和激光多普勒风速仪）。

图2-23　杯状风速仪

1.杯状风速仪

最常用的风速仪是杯状风速仪。这种风速仪由三个风杯与短轴连接，等角度地安装在垂直的旋转轴上，如图2-23所示。风杯的外形或者是半球形的，或者是圆锥状的，由轻质材料制成。图2-23所示为圆锥状的杯状风杯，杯状风速仪是一个阻力装置，当置于流场中时，风能会使得杯状物有阻力，该阻力用下式表示

式中 CD——阻力系数；

A——杯状物沿风向的投影面积，m2；

ρ——空气密度，kg／m3；

v——风速，m／s。

凹面的阻力系数比凸面的高，故凹侧风杯受到更大的阻力，阻力差驱动风杯绕中心轴旋转。转轴下部驱动一个被包围在定子中的多极永磁体。指示器测出随风速变化的电压，显示出对应的风速值。当风速达1～2m／s时，风杯式风速仪就可以起动，旋转速度与风速成正比。

杯状风速仪能适应多种恶劣的环境，随风很快加速，使其停止转动的速度却很慢。风杯达到匀速转动的时间要比风速的变化来得慢，存在滞后性，这种现象在风速由大变小时较为突出。如当风速从较大值很快地变为零时，因为惯性作用，风杯将继续转动，不能很快停下来。这种滞后性使得杯状风速仪测量的瞬时风速并不可靠。同时，这种滞后性消除了许多风速脉动现象，使得风速仪测定平均风速比较好。试验证明：三杯比四杯好，圆锥形比半球形好，因为阻力和密度成正比，空气密度稍有改变，都会影响测量速度的准确性。

2.螺旋桨式风速仪

类似于水平轴风力机工作原理，有主要靠升力工作的螺旋桨式风速仪，结构如图2-24所示。桨叶式风速仪是由多片桨叶按一定角度等间隔地装在一垂直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。最常见的是由三叶或四叶式螺旋桨，装在形似飞机机身的流线形风向标前端，风向标使叶片旋转平面始终对准风向。叶片由轻质材料制成，如铝或碳纤维热塑料。桨叶旋转方向始终正对风向，在流向平行于轴的气流中，桨叶受到升力，从而使螺旋桨以与风速成正比的速度旋转。

图2-24　螺旋桨式风速仪

3.压板风速仪

一种利用压力来测量风速的仪表是压板风速仪，在1450年由Leon Battista Alberti发明，并由Robert Hooke（1664）和Rojer Pickering（1744）进一步完善。压板风速仪有一个装在水平臂上，可围绕水平臂转动的摆动盘。摆动盘通过舵臂安装在可自由旋转的垂直轴上，如图2-25所示。风向标使得摆动盘始终垂直于气流。垂直于平板的气流可看作一个整体，则平板所受的压力p为

式中 ρ——空气密度，kg／m3；

v——风速，m／s。

压力p使摆动盘向内旋转，其向内摆动的幅度取决于风的强度，故摆动板可用来直接校准风速。而且，压板风速仪适合用来测量大风。

图2-25　压板风速仪

图2-26　压力管风速仪结构简易图

4.压力管风速仪

另一种利用压力来测风速的风速仪是压力管风速仪。图2-26所示为压力管风速仪的结构简图，根据不可压缩流体的伯努利方程得出

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同样，在垂直于风的管子里，压力为

式中 pa——大气压力；

C1、C2——系数。

用p1减去p2，化简得出

因此，通过测量两个管子内的不同压力，即可得出风速。C1、C2值可根据仪器查出。压力通过标准压力表或压力传感器测得。压力管风速仪的主要优势是没有运动部件，但在开放的地区，如有灰尘、潮湿的和有昆虫的地方测量会影响精度。

最常用的压力管风速仪为皮托管。由法国工程师Pitot发明，由总压探头和静压探头组成，利用空气流的总压与静压之差即动压来测量风速。图2-27所示为L形皮托管的结构示意图，根据不可压缩流体的伯努利方程，流体参数在同一流线上的关系式为

由式（2-23）可得

式中 ρ——空气密度；

p0——流动空气的总压；

p——静压。

可见，只要已知该地空气密度ρ，并测得流动空气的总压p0和静压p，或两者之差p0-p，即可按式（2-24）计算风速v，这就是皮托管测风速的基本原理。

考虑到总压和静压的测量误差，利用测量读数进行风速计算时，应作适当的修正。为此，引入皮托管的校准系数ζ，可将式（2-24）改写为

合理地调整皮托管各部分的几何尺寸，可以使得总压、静压的测量误差接近于零。例如，图2-27所示的标准皮托管是迄今为止最为完善的一种，其校准系数为1.01～1.02，且在较大的流动马赫数Ma和雷诺数Re范围内保持定值。图中的0.1d处为风的静压取压小孔。

图2-27　L形皮托管的结构简图

5.超声波风速仪

超声波风速仪通过感应空气中音速的变化来测量风速，结构如图2-28所示。超声波风速仪设置三个手臂，彼此垂直安装，在臂端安装了传感器，通过空气向上或向下发出声波信号。运动空气中的声速不同于静止空气中的声速。用vS表示静止空气中的音速，v表示风速，则若声音和风向同一方向移动，由此产生的声波速度v1可表示为

图2-28　超声波风速仪

同样，如果声波的传递与风向相反，则由此产生的声波速度v2可表示为

根据式（2-26）和式（2-27）可得出

因此，在上下移动时通过测量传感器尖端间的声波速度，则可计算出风速。超声波风速仪没有可移动部件，在0～65m／s范围内测出的风速是可靠且准确的。但是，超声波风速仪比其他类型的风速仪昂贵。