风速测量一、风速计顾名思义是测量空气流速的仪器。它的种类较多，气象台站最常用的为风杯风速计。风速测试有平均风速的测试和紊流成分（风的乱流1～150KHz、与变动不同）的测试。测试平均风速的方法有热式、超音波式、叶轮式、及皮拖管式等，下面对这些风速的测定方法做一下说明。热式风速测试方法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，成本性能比高，作为风速计的标准产品广泛地被采用。热式风速计的素子有使用白金线、电热偶、半导体的，但我公司使用白金卷线。白金线的材质在物质上最稳定。因此，长期安定性、以及在温度补偿方面都具有优势。超音波式风速测试方法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。超音波式风速计传感器部较大，在测试部周围，有可能发生紊流，使流动不规则。用途受到限定，普及度低。叶轮式风速测试方法该方式是应用风车的原理，通过测试叶轮的转数，测试风速。用于气象观测等。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。皮拖管式风速测试方法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。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。不是作为风速计，而是作为高速域的风速校正来使用。热线风速计用于0至5m/s的精确测量；转轮式风速计测量5至40m/s的流速效果最理想；而利用皮托管则可在高速范围内得到最佳结果。正确选择风速计的流速探头的一个附加标准是温度，通常风速计的热敏式传感器的使用温度约达+-70C。特制转轮式风速计可达350C。皮托管用于+350C以上。1.1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1.2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。风速仪的大口径探头（60mm,100mm）适合于测量中、小流速的紊流（如在管道出口）。
风速计的小口径探头更适于测量管道横截面大于探险头横截面貌一新100上的气流。目前，叶轮风速仪在国内外均有产品，如法国KIMO、德国Hoentzsch(恒齐)公司，国内的有上海海步电子科技。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，并感测旋转方图1.2KIMO原理产品LV110S大叶轮手持风量风速仪参数简介:1.3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5μmm；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。
至100m/s的流速测量范围可以分为三个区段：低速：0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+-70C。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103D（D=管道直径，单位为CM）外；终点至少在测量点后43D处。流体截面应不得有遮挡（棱角，重悬，物等）。图1.3热线风速计目前，热线风速仪在国内外均有产品，如美国TSI、Hoentzsch(恒齐)公司、国内的有沈阳加野。下面是Hoentzsch的产品介绍：热线风速仪有两种工作模式，分别为恒流式和恒温式：1.3.1恒流式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数值。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，由于进行热交换怎么测量风速，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。1.3.2恒温式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。1.3.3电路工作原理图1.4热线风速计电路工作原理图现以恒温式热线风速仪为例来说明它的工作原理，如图4。把探头接在风速仪电路中电桥的一臂，探头的电阻记为Rp，其他三臂的电阻分别为R1、R2和Rb。其中R1=R2，Rb为一可调的十进制精密电阻。此时，要求热线探头的电阻温度系数很高，而相反的却要求R1、R2和Rb的电阻温度系数很小。
在电桥AC两端加上电压E，当电桥平衡时，BD间无电位差，此时，没有信号输出。当探头没有加热时，探头的电阻值Rf叫做冷电阻，各个探头有其不同的冷电阻值。测试时把一个未知电阻值的探头接入桥路中，调节Rb使电桥平衡，这时十进位电阻器Rb上的数值就是冷电阻的数值，即为Rf。按照所选定的过热比调节Rb，使它的数值高出Rf，一般推荐值为1.5Rf。 这时，仪器中的电路能自动回零反馈，使Iw 增加，从而使热线探头的温 度升高、电阻增大，一直达到Rw=Rb 为止，这时热线上的温度已升高到θ 降低，流速越大，探头热损失就越大。系统为了维持热线温度不变，即电阻值不变，流经热 线探头的电流Iw 就将自动增大，因而电压E 增大，这样，就可建立起电 与流速υ之间的关系。 1.3.4 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 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。 1.4 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。 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 图1.5超声波风速仪 1.4.1 测量原理 超声波传感器通过正、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。设风速在空间直角坐标系的3 个坐标 上的投影分量分别为vx，vy，vz，超声波在静止空气中传播的速度为c， 超声波从坐标原点发射到达某一等位面（x，y，z）所需的时间为t，则有 ?x?vt?y?v?z?v?22 xyz2?c2t2 点（d，0，0）各置一个收发一体式超声波传感器，A 点发射的声波被B 点接收，之后，B 点发射的声波被A 点接收，同时，设从A 点到B 点为顺风风向。
则超声波 点发射到达B点的时间为 d?c2?vy?vz?t1 c2?v2 同理从B点到达A 点的时间为 22 d?c2?vy?vz?t2 c2?v2 1/2?vx? vx2?221212?12?由式（4）可看出：只要测出顺风、逆风传播时间速沿x 轴向的分量 和传输时间差?t即可测出风 。在直角坐标系下最终获得的自然风风速vv 和风向角?为 2x?vy?vz 的精度要求为3.09us。而t 的测量精度要求则达0.55us。所以，提高 时间测量精度是系 统实关键。为此，本系统采用相关检测法进行数据处理。相关检测方 法目前被广泛应用于微弱信号检测领域，其最大的特点就是测量精度高， 对噪声具有很强的免疫性。 图1.6 start为采样起始时间， 为采样时间，?t为所需测量的超声波信号顺风和逆风传输时间差 式中s?t?为传感器发射信号；1，aa2为衰减因子；1，?2 为传输时延； n?t?12为与s?t?不相关的零均值高斯白噪声，由信号相关性可知， r?t?和r?t?的互相关函数12R?为 12 12时互相关函数取得最大值，R?的最大值处即为传感器接收信号的 时12 的测量也采用类似的方法。相关时延估计算法简单、直观，但由信号的 于互相关函数受谱性和噪声影响，此方法不能兼顾时延估值的分辨率 和稳定性。
图1.6 超声波传感器接收到的波形 1.4.2 超声波脉冲线路发送电路 超声波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。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的 传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与 风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气 中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。 由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速仪检测两个 通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。 用户可根据需要选择风速单位、输出频率及输出格式。也可根据需要 选择加热装置（在冰冷环境下推荐使用）或模拟输出。可以与电脑、数据 采集器或其它具有RS485 或模拟输出相符合的采集设备连用。如果需要， 也可以多台组成一个网络进行使用。 图1.7 超声波脉冲信号发送电路例示 1.4.3 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。
1.5 皮托管风速仪 目前，皮托管风速仪国内外均有产品。法国KIMO 管两种。1.5.1 型皮托管风速仪图1.8 TPL:L 型皮托管 （左）与TPL-T:L 型皮托管+K 型热电耦温度（右） 1.5.2 系数1.0015;符合AFNORNFX-10-112 标准; 型皮托管规格表1.5.3 型皮托管尺寸安装图图1.9 型尺寸安装图1.5.4 型皮托管风速仪1.5.5 ?搭配压差计或压差变送器使用测量风速,风量与温度;?使用温 度:0~1000; ?直径:8mm; ?长度:500~3000mm; ?进口S 型皮托管系数0.84; ?材质:不锈钢; 型皮托管规格表图1.11 型尺寸安装图1.6 分析与小结 1.6.1 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。 显示分辨率：0.01m/s1.6.2 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。
显示分辨率：0.01m/s1.6.3 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，价格便宜怎么测量风速，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。 显示分辨率：0.1m/s1.6.4 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。 显示分辨率：0.01m/s二、一种基于单片机的风速检测系统 该系统选用的是AT89S51 单片机，集数据采集、显示、传输于一体, 用模块化的设计理念,使该系统具有了电源独立供电、手持独立操作、数据传输方便的特点。 2.1 风速采集系统的基本框架 该风速采集系统的基本构成框架如下图所示： 图中，风速传感器将测得的风速直接转换为数字信号输入单片机系统, 由单片机负责数据的运算、存储和显示, 同时预留出与PC 机进行数据传输 的接口(USB 接口或串行通信232 2.2 传感器 传感器采用工程塑料叶片作为感应元件,当有风吹过时,带动叶片跟着 转动,通过叶片轴部的光电编码器对转动的圈数进行标记和计数,同时每转 动一圈,光电编码器输出一个阶跃脉冲信号,通过设计将光电编码器的输出 与主MCU 单片机的输入管脚连接在一起,通过单片机内部的计数器即可实 现对阶跃脉冲信号的计数,从而实现风速的测量,同时,也省略了A /D转换模 块,简化了风速检测系统的外围电路。
2.3 检测系统 图2.1 风速检测系统结构构成框图 如上图所示，该风速检测系统主要由电源管理模块、主控制模块、存 储模块、显示模块和通信模块5 大部分构成。该装置采用普通的五号电池 供电,而检测系统内部各个芯片的正 常供电电压低于电池的供电电压,故需设计电源管理模块。电源管理模 块主要采用DC DC控制芯片,目的是为整个检测系统提供稳定的、足够的 电流,保证各部分电路的正常工作。 主MCU 控制芯片采用高性能的AT89S51 芯片, 该芯片具有一个低功 高性能的CMOS 位单片机,片内含8k Bytes ISP rogrammable)的可反复擦写1 000 次的Flash 只读程序存储器,器件采用ATMEL 公司的高密度、 非易失性存储技术制造, 兼容标准MCS 51指令系统及80C51 引脚结构, 芯片内集成了通用8 位中央处理器和ISP Flash 存储单元, 功能强大的微型 计算机的AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51 具有如下特点: 40 个引脚, 8k BytesFlash 片内程序存储器, 128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM) 32个外部双向输入/输出( 个中断优先级2层中断嵌套中断, 个16位可编程定时计数器, 工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外, AT89S52 设计和配置了振荡频率可为0Hz 并可通过软件设置省电 模式。空闲模式下, CPU 暂停工作, 而RAM 定时计数器、串行口及外中断 系统可继续工作, 掉电模式冻结振荡器而保存RAM 的数据,停止芯片其它 功能直至外中断激活或硬件复位。同时, 该芯片还具有PD IP、TQFP 和PLCC 种封装形式,可适应不同产品的需求。 由于需要测量多点的风速值, 数据存储量较大, 因此, 有必要为系统 设计专门的存储模块。该检测系统采用与AT89S51 芯片高度兼容的Flash 可擦写芯片, 一方面便于大量数据的存储, 另一方面能够满足数据的反复 擦写。 2.4 系统硬件电路的设计 2.4.1 供电模块设计 供电模块电路如图2.2 所示,它的核心芯片采用LTC 系列DC2DC 转换芯 种标准输出。通过在LTC芯片外围布置合理的电阻电容, 能够有效 的抑制电压输出的纹波效应, 实现各个芯片的稳定正常工作。 图2.2 电源供电模块电路设计 2.4.2 主控制模块与通讯模块设计 图2.3 主控制模块电路设计 主控制模块与通讯模块如图上图所示,主控制芯片采用了AT89S51 片,USB通信控制芯片采用了USB Connet 芯片。
通过在MCU 芯片外围布置 晶振电路、稳压电路、信号采集电路、信号输出电路、与存储芯片的连接 电路以及与液晶显示控制芯片相接连的电路等,能 够方便地实现对风速的采集、存储、显示与输出。 2.4.3 数据存储模块设计 数据存储模块电路设计如图2.4 所示,该模块采用NAND Flash 系列芯片, 通过软件程序编程可以实现,将所采集的风速值以时间为字头进行存储,同 时该Flash 芯片高达4M 的存储空间保证了足够的数据存储量,实现了长久 数据的海量存储。 图2.4 数据存储模块电路设计 2.4.4 数据显示模块设计 该风速检测系统设计了风速显示功能, 对采集的风速值直接进行显示。 该功能的实现是以液晶显示控制芯片3310 为保障的。当主MCU 芯片完成 风速的采集之后, 一方面将数据传送至Flash 芯片进行存储, 另一方面将数 据传送至该显示控制芯片, 以完成数据的实时显示,数据显示模块电路如 图2.5 所示。 图2.5 数据显示模块电路设计 2.5 系统软件设计 该便携式风速采集系统具有如下功能: (1)实时采集风速值并实时存储数据; (2)当选择“显示”模式时, 液晶屏能够实时显示风速值; (3)当USB 连接计算机时, 输入数据传输指令, 能够自动将存储的风速 数据传送到计算 以方便计算机的数据处理和分析显示;(4)当电源供电不足时,能够自动提示报警。
具体的软件程序流程图如图 2.6 所示。 图2.6 软件程序流程图 2.6 分析与小结 此种基于单片机的风速检测系统对于我们的饲料烘干机项目中风速 采集提供了一种具有实际指导意义的思路和方法。在项目中，我们需要对 烘干机内部多点进行实时的温度湿度和风速数据采集，以了解饲料烘干机 内部的温度场、湿度场和风速场，以此来对饲料烘干机的烘干的均匀性进 行研究。 在我们的饲料烘干机项目中，我们需要考虑一下几个要点： 1、饲料烘干机内部风尘较大，温湿度较高，对于传感器的影响是多 少？如果影响较大，我们可以采用其他传感器来对叶片旋转脉冲量进行计 2、我们可以将传感器的信号直接传送到电脑上，显示并保存相应的风速数据，不需要再通过液晶显示控制芯片3310 来显示，可以将不必要 的结构除去，从而有效简化结构并降低成本。 3、我们是否可以将温度传感器和湿度传感器集成到该风速检测系统 上，从而一次性采集到我们需要的数据？ 三、淘宝上的产品 3.1 泰克曼TM816 风速仪 泰克曼TM816 风速仪便携式迷你型风速风温测量超越AR816 单价67 2TM816 一体式便携风速计TM816 一体式便携风速计，超小型叶轮一 体式风速计，最大、当前值、平均风速、风温测量，风速反应模拟条显示， 袖珍便携机型。
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皮托管主要用途：测量管道内的全压、静压、动压(即压差)、还可 计算流速及流量。 皮托管仪表连接：可连接各种压力仪表(如U 型压力 表,倾斜微压计,斜管压差计,数字微压计,补偿微压计等)及压差变送器、二次 仪表和进口各种压力仪表。 皮托管使用温度：600 准：国标JJG518-98皮托管使用湿度：HR45% 测量流速范围：空气流速40m/s；水流速25m/s 皮托管标准系数：L 型皮托管在0.99～1.01 之间；S 型皮托管在0.81～ 0.86 之间。 皮托管结构：L 型标准皮托管是两根不同内径管子同心套接而成, 型皮托管用二支同径管焊接而成,面对气流为全压端,背对气流为静压端,并在接头处标有系数 号及静压接头标记号,使用时不能接错.侧面指向杆与测头方向一致,使用时 可确定方向,保证测头对准来流方向. 产品名称 材质 执行标准 规格 4300mm 标准皮托管304 不锈钢 国标 JJG518-98 4500mm 6300mm 6500mm价格（元） 600.00 680.00 600.00 680.00 备注 6800mm 8500mm 8800mm 81.0 700.00680.00 700.00 900.00 1000.00 1120.00 900.00 1000.00 1120.00 1500.00 1800.00 2200.00 2600.00 3000.00 法兰连接 法兰连接 法兰连接 备注：上海隆拓仪器厂可根据客户要求定制各种规格的皮托管、静压 3.4风杯风速仪 单价：160
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