流体力学应用/A13：风速计及其应用
风速计是一种用于测量流体流量的装置，无论流体是可压缩的还是不可压缩的（液体和气体）。如今，该装置的应用范围非常广泛。风速计一词来自希腊语“anemo”，意为风。风速计的概念最早出现在 1450 年由“莱昂·巴蒂斯塔·阿尔贝蒂”提出，并在 16 世纪由“罗伯特·胡克”首次发明。该装置不仅能够测量风速，还能测量气压。
如今，在许多应用中使用了几种类型风速计，其中一些是
1：杯式风速计
2：叶片式风速计
3：热线风速计
4：激光多普勒风速计
5：声速风速计
在这里，我们必须考虑该设备的现代用途和应用。为此，我们必须描述其中一些对我们有用的设备的工作原理。
这种风速计的另一个名称是风车式风速计。这种类型的风速计包含安装在仪器轴上的螺旋桨和尾翼，该轴垂直于风流方向。该装置只能测量一个方向上的速度，例如在通风井和矿井等地方，并在那里显示其精度。这些风速计在矿井中具有很大的用途，它们位于采空区，用于测量从矿井中释放的甲烷的速度。
叶片式风速计带有一个发射器，发射器包含一个电位器，该电位器有助于将旋转角度转换为电信号。也可以使用一组发射器和接收器来使用环形电位器。可以将带有一点的转子与一个带三个抽头和永磁体的发射器以及一个带三个 120°线圈绕组的接收器一起使用。这些电位器是 12 伏直流电，与风向轴直接耦合。在此设置中，固定在转子上的指针指示与滑动触点位置成比例的角度，即风向。电位器的三个抽头通常通过电缆连接到接收器，以便能够从远程位置观察风向。这种类型系统的主要优点是设计简单，可以轻松安装在任何地方。
杯式风速计有三个或四个杯子对称地安装在一个自由旋转的垂直轴周围。该装置由约翰·托马斯博士于 1846 年发明。随着时间的推移，对该装置进行改造和改进，以提高效率。杯子凹面和凸面之间的风压差导致它从凸面转到下一个杯子的凹面。旋转速度与风速成正比，与风向无关。风速信号是通过发电机或脉冲发生器生成的。杯子传统上由黄铜制成，因为黄铜具有刚性和防锈的特性。然而，近年来，轻合金或碳纤维热塑性塑料制成的杯子已成为主流，使重量大幅减少。在杯子的边缘设置珠子以增加刚度和变形阻力。它们还有助于杯子避免湍流的影响，从而可以稳定地测量各种风速。
杯式风速计可以与连接到其轴上的交流发电机一起使用。杯子的运动会产生与风速相当的电压。CR 集成电路计算平均风速，因为电路在一定时间内对电容器进行充放电。这种类型的设备用于露天位置，例如塔架、气象站等。
热线风速计是最新型、精度更高的风速计，它拥有非常细的导线，范围为微米级。该导线被加热到高于室温。当空气经过导线时，导线会发生冷却。由于导线的电阻取决于温度，因此可以获得导线电阻和空气流速之间的关系。
这种类型的风速计具有一个桥式电路，其中热线（传感器）安装在桥的一侧。当风吹过热线时，热线的温度会降低，其电阻也会发生变化；这会在桥中造成不平衡，并导致电流流动。电流和风速之间的关系是预先定义的，电流被转换为风速值。
最近引入了一种新型热线风速计，它使用热敏电阻器件而不是铂丝。这种新型风速计的优点是即使在弱风条件下也具有优异的灵敏度和响应特性。但是，如果雨、雪或雾接触到传感器，可能会出现较大的测量误差；因此，它不适合在户外使用，也不能用作气象测量仪器。
测量范围：0 至 1 m/s、0 至 10 m/s、0 至 50 m/s 以及其他各种范围
测量精度：每个测量范围内的±2% 至±3%
以下草图显示了用于测量的热线风速计的安装方式，该风速计配备了惠斯通电桥。
这是一种非常先进的风速计，它具有以下优点：在测量过程中不会干扰流动。它是一种光学型流量计，也可以对流体进行可视化。激光风速计可以非常精确地对高频湍流波动进行定量测量。在仪器中，激光束通过透镜 L1 聚焦到流场中一个小的体积单元上。为了使该装置正常工作，流场中必须包含某种类型的微小粒子来散射光线，但所需的粒子浓度非常小。普通自来水中含有足够的杂质来散射入射光束。两个额外的透镜 L2 和 L3 被放置来接收通过 θ（透镜 L2）传输的激光束。散射光经历了多普勒频移，该频移与流速成正比。未散射的部分光束的强度通过中性密度滤光器降低，并通过分束器与散射光束重新组合。激光风速计装置必须以使直接光束和散射光束经过相同的路径的方式构造，以便在与频移成正比的光电倍增管处观察到干涉。然后，这种频移会指示流速。为了从光电倍增管信号中检索速度数据，必须使用相当复杂的电子技术来进行信号处理。可以使用频谱分析仪来确定稳态层流中的速度，以及湍流中的平均速度和湍流强度。
图中显示了一些用于完成散射和测量过程的替代方案。在第二张图中，激光束在测试段外被分裂，两束光束可以聚焦在流场中要研究的精确点上。孔径充当非相干散射光和背景光的屏蔽。第三张图中的系统是该系统的进一步改进，它允许轻松调整路径长度。
He-Ne 气体激光器最常用于 LDA 工作，尽管氩离子激光器提供更强的光束输出。He-Ne 激光器在 632.8=(5x1014Hz) 的波长下运行，带宽约为 10 Hz。虽然由移动散射中心引起的多普勒频移与激光源频率相比很小，但它与带宽相比却非常大，可以使用外差技术检测到。在此过程中，光阴极将散射光束与参考光束混合，以生成一个频率等于两束光束频率差的电流。电子处理需要对光电倍增管电流进行频谱分析，以确定多普勒频率，然后确定流速。
(a) 以高空间和时间分辨率测量速度/速度矢量。
(b) 在准静态流动中进行测量。
(c) 在高速流动中进行测量。
(d) 在流动反转的流动中进行测量。
(e) 以高空间分辨率测量边界层。
(f) 测量速度剖面。
(g) 研究涡轮式燃气表安装效应。
(h) 测量粒子直径。
这种仪器的特点是它在测量过程中不会阻碍流动。 多普勒效应是图中所示的超声波流量计工作原理的基础。 已知超声频率的信号被传输通过液体。 固体、气泡或液体中的任何间断都会将信号反射回接收元件。 由于液体的速度，接收器处将发生与速度成正比的频移。 该装置在约 10 到 01 的流量范围内可以实现约 (((+-5)))% 的满量程精度。 大多数装置要求液体中至少含有 25 ppm 的直径约为 30 (((微米))) 或更大的颗粒或气泡。
已经开发了一种基于微处理器的超声波流量计，它利用多普勒信号反射流动中的湍流涡流。 因此，它适合与清洁的低粘度液体一起使用。 可以实现 2% 的满量程偏转精度，并且该仪表可以安装在距离 (((90 度))) 弯头下游三根管径处。 但这种设备的成本相当高。
声波风速计有两对声波发射/接收装置（探头），固定在彼此相对的特定跨度上。 超声波脉冲信号以一定的时间间隔从每对探头交替重复发射。 测量超声脉冲在相反方向上的传播时间； 计算每个方向的风速，并通过矢量合成得出风向和风速。 由于空气中的声速取决于传感器指示器，热敏电阻风速计探头声波风速计的温度，因此已经开发了测量技术来最大程度地减少这种影响。 由于声波风速计没有由风力驱动的活动部件，因此启动阈值速度的概念不适用； 这种装置从平静条件向上提供风速测量。 与旋转风速计相比，它们对风向和风速变化的响应速度也快得多。
测量范围：0 到 60 m/s 测量精度：±0.2 m/s