杯式风速仪的动态特性及优化

在风洞里进行的静态标定并不一定能确保现场测量的准确度。真实的大气流并非是静态的，湍流和入流角（或攻角)的变化都能导致测量错误和不确定性。杯式风速仪的3方面行为尤其值得注意，它们是：

1)对风速垂直分量的非理想敏感度；

2)湍流风况下的过速效应；

3)湍流风况下的动态滤过效应。

由于地面对气流的扰动，上述这些效应在复杂地形时更加突出，但是在平缓的地形下也是不容忽视的。

1.垂直敏感度

一般来说，杯式风速仪对风速垂直分量的敏感度与风速仪的设计（包括旋转体和机身)和风速有关，且风洞中测试结果与自由大气是不同的。

图8-3 指示风速与真实总风速的差异百分比（此时风速仪A置于风洞中，在不同的风速下施以不同的攻角^[76])

图8-4 指示风速与真实总风速的差异百分比（此时风速仪A置于自由大气中，在不同的风速下施以不同的攻角^[76])

图8-3～图8-6为两个常用的杯式风速仪的垂直敏感度测试结果^[72]。对于风力发电来说，理想的风速测量应该是风的总运动速度，而不仅仅是水平面上的风速。这就意味着要求杯式风速仪对风流水平攻角的敏感度比较“平坦”，这方面风速仪A好于风速仪B。测量水平面内的风速时，余弦敏感性更佳，风速仪B是更优的选择。

图8-5 指示风速与真实总风速的差异百分比（此时风速仪B置于风洞中， 在不同的风速下施以不同的攻角^[76])

图8-6 指示风速与真实总风速的差异百分比（此时风速仪B置于自由空气中，在不同的风速下施以不同的攻角^[76])(www.xing528.com)

2.过速效应

很多测量仪器都有一个时间常数，用以表示对输入参数变化的响应时间。响应时间通常与参数变化大小和起始值无关。杯式风速仪则不然，而是近似的以距离常数表示。距离常数是对风程（风经过的路程)的响应，而不是对经过的时间的响应。

这一行为的重要结果是：风速仪对风速的正变化比负变化响应的速度快，且响应速度在高风速下更好。这就意味着，在波动的风况中，杯式风速仪测得的平均风速比实际偏高，这种现象叫做过速效应。尽管如此，一般仍然认为过速效应并非平均风速测量误差的主要来源。研究表明，在风速仪的惯性无限大时，湍流为10%和20%时过速效应造成的误差仅为1.1%和4.4%^[73]。通过简单的模型^[74]可以较好地估算过速效应造成的误差

E=I²（1。8d-1。4) （8-8)

式中 E——误差百分比；

I——湍流强度；

d——风速仪的距离常数。

因此对于距离常数为5 m的杯式风速仪来说，当湍流强度为15%时的过速效应导致的风速误差为0.17%。式（8-8)可以作为纠正风速测量误差和评估不确定性的依据。

3.动态滤过效应

对于风力发电的大多数测试和评估中，测量风的频谱内容相对不重要，但也有例外情况，例如风载荷研究。此时杯式风速仪的局限性应该引起我们的注意。

杯式风速仪是一种机械仪器，并不能精确跟踪风速波动。风速波动的频率越高，杯式风速仪跟踪风速变化的能力越差。

降低惯性可显著地提高杯式风速仪的响应性能。缩短杯体臂的长度也可以改善其响应性能。响应性能取决于驱动转矩与旋转惯性的比。驱动转矩与杯体臂长线性正相关，而旋转惯性则与杯体臂长的二次方根成正比。如果杯体臂过短，则两个杯体之间的风流将相互影响，产生特别的速度波形，称为动态滤过效应。

由于滤过效应，杯式风速仪测得的频谱能量比实际情况偏低，导致低估了真实的湍流强度。研究表明^[75]，对于典型的风频谱，距离常数为3.5m的杯式风速仪将低估湍流能量5%。也就是说实际为20%的湍流强度，测量值仅为19%。

杯式风速仪不适合用于测量详细的湍流结构，需要采取其他仪器对其进行测量。