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第一章风速测量1.1风速测量风是空气流动时产生的一种自然现象。空气流动有上下流动和左右流动，上下流动为垂直运动，也叫对流；左右流动为水平运动，也就是风。风是一个矢量，用风向和风速表示。地面风指离地平面10─12米高的风。风向指风吹来的方向，一般用16个方位或360°表示。以360°表示时，由北起按顺时针方向度量。风速指单位时间内空气的水平位移，常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。1.2风杯风速计风杯风速计是最常见的一种风速计。转杯式风速计最早由英国鲁宾孙发明，当时是四杯，后来改用三杯。它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。图1.1风杯风速计1.3叶轮风速仪风速计的叶轮式探头的工作原理是基于把转动转换成电信号，先经过一个临近感应开头，对叶轮的转动进行“计数”并产生一个脉冲系列，再经检测仪转换处理，即可得到转速值。法国KIKO叶轮风速仪工作原理如图1.2所示。叶轮的轴杆启动内含八个电磁极的原型磁铁，置于磁铁旁的双霍尔传感器感测到侧场中电磁极的转变信号。传感器的信号转换为电子频率且和风速成正比，并感测旋转方向。图1.2KIMO原理1.4热线风速计一根被电流加热的金属丝，流动的空气使它散热，利用散热速率和风速的平方根成线性关系，再通过电子线路线性化（以便于刻度和读数），即可制成热线风速计。金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。常用的丝直径为5μm，长为2mm；最小的探头直径仅1μm，长为0.2mm。根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。为了增加强度，有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头。热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。0至100m/s的流速测量范围可以分为三个区段：低速：0至5m/s；中速：5至40m/s；高速：40至100m/s。热线风速计用于0至5m/s的精确测量，使用温度约为±70℃。当在湍流中使用热线风速计时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，从而会影响到测量结果的准确性。在湍流中测量时，热敏式风速仪流速传感器的示值往往高于转轮式风速计。因此，风速仪测量过程应尽量在通道的直线部分进行。直线部分的起点应至少在测量点前10×D（D=管道直径，单位为CM）外；终点至少在测量点后4×D处。流体截面应不得有遮挡（棱角，重悬，物等）。图1.3热线风速计1.4.1恒流式热线风速计通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速。利用风速探头进行测量。风速探头为一敏感部件。当有一恒定电流通过其加热线圈时，探头内的温度升高并于静止空气中达到一定值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生的基准反电势相互抵消，使输出信号为零，风速仪指针也能相应指于零点或显示零值。若风速探头端部的热敏感部件暴露于外部空气流中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号被测量仪表系统放大并推动电表指针变化从而指示当前风速或经过单片机处理后通过显示屏显示当前风速数值。1.4.2恒温式热线风速计风速仪热线的温度保持不变，给风速敏感元件电流可调，在不同风速下使处于不同热平衡状态的风速敏感元件的工作温度基本维持不便，即阻值基本恒定，该敏感元件所消耗的功率为风速的函数。恒温风速仪则是利用反馈电路使风速敏感元件的温度和电阻保持恒定。当风速变化时热敏感元件温度发生变化，电阻也随之变化，从而造成热敏感元件两端电压发生变化，此时反馈电路发挥作用，使流过热敏感元件的电流发生相应的变化，而使系统恢复平衡。上述过程是瞬时发生的，所以速度的增加就好像是电桥输出电压的增加，而速度的降低也等于是电桥输出电压的降。1.4.3注意事项除保持日常数据的准确性外，日常维护使用中还要注意以下几点：1.禁止在可燃性气体环境中使用风速计。2.禁止将风速计探头置于可燃性气体中。否则，可能导致火灾甚至爆炸。3.请依据使用说明书的要求正确使用风速计。使用不当，可能导致触电、火灾和传感器的损坏。4.在使用中，如遇风速计散发出异常气味、声音或冒烟，或有液体流入风速计内部，请立即关机取出电池。否则，将有被电击、火灾和损坏风速计的危险。5.不要将探头和风速计本体暴露在雨中。否则，可能有电击、火灾和伤及人身的危险。6.不要触摸探头内部传感器部位。7.风速计长期不使用时，请取出内部的电池。否则，将电池可能漏液，导致风速计损坏。8.不要将风速计放置在高温、高湿、多尘和阳光直射的地方。否则，将导致内部器件的损坏或风速仪性能变坏。9.不要用挥发性液体来擦拭风速计。否则，可能导致风速仪壳体变形变色。风速计表面有污渍时，可用柔软的织物和中性洗涤剂来擦拭10.不要摔落或重压风速计。否则，将导致风速计的故障或损坏。11.不要在风速计带电的情况下触摸探头的传感器部位。否则，将影响测量结果或导致风速计内部电路的损坏。1.5超声波风速仪超声风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。通过正、逆压电效应实现高频声能和电能之间的相互转换，从而实现超声波的发射和接收。由于它很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，因而能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用．它将是机械式风速仪的强有力替代品。图1.4超声波风速仪1.5.1应用领域超声波风速计的应用便利、精确，在很多领域都能灵活运用，广泛应用于城市环境监测、风力发电、气象监测、桥梁隧道、航海船舶、航空机场、各类风扇制造业、需要抽风排气系统的行业等。1.6皮托管风速仪皮托管是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置。由法国H.皮托发明而得名。严格地说，皮托管仅测量气流总压，又名总压管；同时测量总压、静压的才称风速管，但习惯上多把风速管称作皮托管。皮托管的构造如图，头部为半球形，后为一双层套管。测速时头部对准来流，头部中心处小孔（总压孔）感受来流总压p0，经内管传送至压力计。头部后约3～8D处的外套管壁上均匀地开有一排孔（静压孔），感受来流静压p，经外套管也传至压力计。对于不可压缩流动，根据伯努利方程和能量方程可求出气流马赫数，进而再求速度。总压孔有一定面积，它所感受的是驻点附近的平均压强，略低于总压，静压孔感受的静压也有一定误差，其他如制造、安装也会有误差，故测算流速时应加一个修正系数ζ。ζ值一般在0.98～1.05范围内，在已知速度之气流中校正或经标准皮托管校正而确定。皮托管结构简单，使用方便，用途很广。如飞机头部或机翼前缘常装设皮托管，测量相对空气的飞行速度，又称空速管。图1.5皮托管结构图1.7分析与小结1.7.1热线风速计该方式是测试处于通电状态下传感器因风而冷却时产生的电阻变化，由此测试风速。不能得出风向的信息。除携带容易方便外，其成本性能比高，作为风速计的标准产品广泛地被采用，且长期安定性、以及在温度补偿方面都具有优势。适用范围：0.05～50m/s显示分辨率：0.01m/s1.7.2超声波风速仪该方式是测试传送一定距离的超音波时间，因风的影响而使到达时间延迟，由此测试风速。该方法传感器部较大，在测试部周围，有可能发生紊流，使流动不规则，并且测量环境需要比较安静的场所，用途受到限定。适用范围：0～10m/s显示分辨率：0.01m/s1.7.3叶轮风速仪该方式是应用风车的原理，通过测试叶轮的转数，测试风速。原理比较简单，价格便宜，但测试精度较低，所以不适合微风速的测试和细小风速变化的测试。适用范围：1～50m/s显示分辨率：0.1m/s1.7.4皮托管风速仪在流动面的正面有与之形成直角方向的小孔，内部藏有从各自孔里分别提取压力的细管。通过测试其压力差（前者为全压、后者为静压），就可知道风速。其原理比较简单，价格便宜，但与流动面必须设置成直角，否则不能进行正确的测试。不适合一般用。适用范围：5～100m/s显示分辨率：0.01m/s第二章温度测量2.1温度测量方法温度是表征物体冷热程度的物理量,是国际单位制中七个基本物理量之一,它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断提高,温度测量技术也得到了不断的发展。2.2温度测量的分类温度测量的分类可以通过其与被测量的物体是否接触分为接触式和非接触式。2.2.1接触式测量接触式测量仪表比较简单、可靠，测量精度高。但是因为测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，所以其需要一定的时间才能达到热平衡。接触式测量仪存在测温延迟现象，同时受耐高温和耐低温材料的限制，不能应用于这些极端的温度测量。非接触式仪表测温仪是通过热辐射的原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响，其测量误差较大。2.2.2接触式测量方法（1）膨胀式温度测量原理：利用物质的热胀冷缩原理即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。热胀冷缩式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。优点：结构简单,价格低廉,可直接读数,使用方便,非电量测量方式,适用于防爆场合。缺点：准确度比较低,不易实现自动化,而且容易损坏。（2）电量式测温方法利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。①热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参考端和测量端有温差时,就会产生热电势,根据该热电势与温度的单值关系就可以测量温度。热电偶具有结构简单,响应快,适宜远距离测量和自动控制的特点,应用比较广泛。②热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的,输出信号大,准确度比较高,稳定性好,但元件结构一般比较大,动态响应较差,不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。③热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏感元件,具有灵敏度高、价格便宜的特点,但其电阻值和温度的关系线性度差,且稳定性和互换性也不好。④石英温度传感器是以石英晶体的固有频率随温度而变化的特性来测量温度的。石英晶体温度传感器稳定性很好,可用于高精度和高分辨力的测量场合。随着电子技术的发展,可以将感温元件和相关电子线路集成在一个小芯片上,构成一个小型化、一体化及多功能化的专用集成电路芯片,输出信号可以是电压、频率,或者是总线数字信号,使用非常方便,适用于便携式设备。（3）接触式光电、热色测温方法原理：接触式光电测温方法主要是指通过接触被测对象,将温度变化引起的热辐射或其他光电信号引出,通过光电转换器件检测该信号,从而获得测温结果的方法。优点：这种方法不像电量式测量方法容易受到电磁的干扰,可以在电磁环境下进行温度测量;可以避免像非接触式辐射温度计那样容易受到被测对象表面发射率和中间介质的影响。缺点：会干扰被测对象的温度,带来接触式测温方法引起的一些误差。2.2.3非接触式测温方法原理及特点（1）辐射式测温方法原理：是以热辐射定律为基础，它可分为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。全辐射高温计结构相对简单,但受被测对象发射率和中间介质影响比较大,测温偏差较大,不适合用于测量低发射率目标。亮度温度计灵敏度比较高,受被测对象发射率和中间介质影响相对较小,测量的亮度温度与真实温度偏差较小,但也不适用于测量低发射率物体的温度,并且测量时要避开中间介质的吸收带。比色测温法测量结果最接近真实温度,并且适用于低发射率物体的温度测量,但结构比较复杂,价格较贵。优点:①可以采用伪彩色直观显示物体表面的温度场;②温度分辨力高,能准确区分的温度差甚至达0.01℃以