風(fēng)速脈動(dòng)測(cè)定超聲風(fēng)速計(jì)的工作原理

現(xiàn)在，一般的超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)定的都是利用聲音發(fā)生器所發(fā)出的聲音沿著固定的路徑傳播時(shí)，聲音到達(dá)接收器的時(shí)間隨著風(fēng)速而變化的基本原理，即聲波在空氣中傳播的速度等于靜風(fēng)時(shí)速度與傳播方向的風(fēng)速分量的和。當(dāng)聲波從兩側(cè)的發(fā)生器短時(shí)間地交替切換聲音傳播方向時(shí)，一對(duì)相隔一定距離的聲波發(fā)生器、在相反的方向上發(fā)送聲波，各發(fā)生器所發(fā)出的聲波分別被處于相等距離上的接收器接收，利用兩個(gè)接受器所接收到的聲波信號(hào)的時(shí)間差，即可求出不同方向的瞬時(shí)風(fēng)速。超聲風(fēng)速計(jì)是通過(guò)風(fēng)對(duì)聲脈沖在路徑已知方向相反的輸送時(shí)間內(nèi)所受的影響來(lái)完成其頻響測(cè)量的，影響頻響的唯一因素是空間路徑距離。如果在三個(gè)互相垂直的方向上同時(shí)測(cè)量，即可得到風(fēng)在三個(gè)不同方向上的分量(u,v,w)及瞬時(shí)總風(fēng)速。

為了應(yīng)用渦度相關(guān)法，有必要對(duì)風(fēng)速的垂直成分進(jìn)行分離測(cè)定。用于渦度相關(guān)法的風(fēng)速計(jì)要求具有能以10 Hz以上的高頻率測(cè)定出風(fēng)速的三維成分(u,v,w)的性能。其中特別重要的垂直風(fēng)速(w)與水平風(fēng)速(u,v)相比小得多，因此要求儀器有較高的分辨率，同時(shí)在野外能夠連續(xù)觀測(cè)、具有較高的耐候性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在完全滿足這些條件、最值得信賴的儀器只有三維超聲風(fēng)速計(jì)。三維超聲風(fēng)速計(jì)是利用超聲波在空氣中的傳播速度隨風(fēng)速而變化的原理，測(cè)定發(fā)生器和接收器之間超聲波的到達(dá)時(shí)間來(lái)計(jì)算風(fēng)速。具體地說(shuō)，就是在發(fā)生器和接收器相對(duì)方向內(nèi)置一對(duì)聲響元件(發(fā)送接收器)，交互地發(fā)送和接收聲音脈沖信號(hào)。

超聲風(fēng)速計(jì)由于靈敏度高，記錄、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)都方便，是脈動(dòng)測(cè)定的重要儀器。目前用得較多的是三維超聲風(fēng)速計(jì)，它可不間斷地測(cè)定風(fēng)向和風(fēng)速的變化。但是，現(xiàn)在使用的主導(dǎo)型三維超聲風(fēng)速計(jì)還不能直接測(cè)定最為重要的垂直風(fēng)速成分，需要從三個(gè)成分的坐標(biāo)變換求解，所以在儀器安裝時(shí)要作嚴(yán)格的水平調(diào)整，通量計(jì)算時(shí)需進(jìn)行坐標(biāo)軸變換。超聲風(fēng)速計(jì)能得到特定的風(fēng)向成分，對(duì)于渦度相關(guān)法來(lái)說(shuō)具有很大的優(yōu)點(diǎn)，而且在精度和時(shí)間響應(yīng)方面也具有優(yōu)良的特性?？墒?，聲波發(fā)生器有限的大小也會(huì)妨礙氣流的流動(dòng)，雖然不可能配置對(duì)應(yīng)任何風(fēng)向都沒(méi)有影響的聲波發(fā)生器，但為了盡可能減少發(fā)生器的影響，工程師們想出了各種各樣的方法，開(kāi)發(fā)了不同類(lèi)型的超聲風(fēng)速計(jì)。

商用的三維超聲風(fēng)速計(jì)由具有三對(duì)發(fā)生一接收器的探測(cè)器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。最近，探測(cè)器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為一體的小型超聲風(fēng)速計(jì)也普及起來(lái)另外，也有內(nèi)裝A/D(模擬/數(shù)字，analog/digital)轉(zhuǎn)換器，輸入其他探頭的模擬信號(hào)(例如濕度脈動(dòng))可以與風(fēng)速的信號(hào)同時(shí)以數(shù)字形式輸出的儀器，超聲風(fēng)速計(jì)的探頭形狀取決于發(fā)生一接收器的三維配置和支撐材料的位置，依儀器種類(lèi)而異。 2100433B

濕度脈動(dòng)的測(cè)定主要有兩種不同類(lèi)型的儀器。其一是與空氣直接接觸類(lèi)型的儀器(如干濕球溫度計(jì)、容量型濕度計(jì)等)，其二是利用紅外線或紫外線吸收類(lèi)型的儀器。一般來(lái)說(shuō)，因?yàn)榍罢叩念l率響應(yīng)能力不足，多數(shù)情況下需要對(duì)高頻成分進(jìn)行修正。例如，在利用細(xì)線熱電偶干濕計(jì)時(shí)，由于濕球的響應(yīng)特性差，所以基于感應(yīng)部位的熱交換關(guān)系，常用通過(guò)信號(hào)微分改善響應(yīng)的方法。但是因?yàn)樵诟哳l一側(cè)如果加人噪音(noise)等，會(huì)造成過(guò)度修正，此外，由于干球和濕球的響應(yīng)存在差異，因此在前期處理階段有必要進(jìn)行校準(zhǔn)。容量型濕度計(jì)(visara型)作為相對(duì)濕度的測(cè)定設(shè)備，在響應(yīng)上也存在問(wèn)題，同時(shí)一旦有臟物和浮塵等粘附，濕度計(jì)就不能顯示正確的數(shù)值，因此在測(cè)定平均值時(shí)通常被放在防護(hù)幕內(nèi)。但在湍流測(cè)定時(shí)，因?yàn)椴荒苁褂梅雷o(hù)幕，必須進(jìn)行頻繁的保養(yǎng)。不管怎樣，即使在不得已而使用響應(yīng)性差的設(shè)備條件下，通過(guò)BP渦度相關(guān)法(bandpass covariance method)的通量修正也是可能的。

利用紅外線和紫外線吸收的濕度脈動(dòng)測(cè)量?jī)x器主要有紅外濕度儀(利用水汽對(duì)紅外輻射吸收的原理)、紫外濕度儀(利用水汽對(duì)紫外輻射吸收的原理)和微波折射儀(利用微波折射與溫度的相互關(guān)系)三種不同的類(lèi)型。

紅外濕度儀是通過(guò)兩個(gè)相鄰波長(zhǎng)的紅外傳輸?shù)牟顒e測(cè)量濕度的，一個(gè)波長(zhǎng)位于水汽高吸收區(qū)，另一個(gè)位于水汽吸收可以忽略的區(qū)域，傳輸路徑長(zhǎng)度典型值為0.2～1.0m，光束通常用一個(gè)機(jī)械的斬波器作調(diào)制，以獲得探測(cè)信號(hào)的高增益放大。在可利用的紅外濕度儀中有開(kāi)路型(open-path)和閉路型(closed-path)兩種類(lèi)型，作為開(kāi)路型的分析儀，被應(yīng)用的主要有Ohtaki和Matsui(1982)開(kāi)發(fā)的碳素氣體一水汽脈動(dòng)儀(Advanet制造)、伊藤和小澤(1988)開(kāi)發(fā)的設(shè)備(Kaijo制造)、CSIRO的Hyson和Hicks(1975)開(kāi)發(fā)的設(shè)備等幾種類(lèi)型。開(kāi)路型的分析儀在長(zhǎng)周期觀測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性方面存在問(wèn)題，但CSIRO的紅外濕度儀放棄了長(zhǎng)周期的思路，而采用通過(guò)光的瞬間值與平均值的比與比濕脈動(dòng)成比例的原理制成，而且是使用普通的小燈泡光源的簡(jiǎn)單裝置。閉路類(lèi)型的紅外濕度分析儀主要有LI-6262和LI-7000等具有優(yōu)良性能和穩(wěn)定性的測(cè)量?jī)x器。

紫外濕度儀是利用水汽對(duì)紫外線的吸收特性制作的，是一種利用細(xì)線熱電偶制作的干濕球溫度計(jì)然而，用干濕球溫度計(jì)測(cè)定湍流脈動(dòng)時(shí)，因濕球被暴露，容易臟污，還需要及時(shí)補(bǔ)給水分，清理和維護(hù)工作量大，不適合用于長(zhǎng)期的通量觀測(cè)。利用紫外線的濕度儀，其光源有利用氫放電管的(Lyman-ce濕度計(jì))和利用氪球(氪濕度計(jì))的兩種類(lèi)型，紫外線與紅外線相比，因水汽吸收大，故間距可以做得短些(2～3 cm)，但Lyman-α濕度計(jì)存在光源壽命短和穩(wěn)定性差等問(wèn)題，氪濕度計(jì)雖然對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，但在求水汽密度時(shí)需要?dú)鉁睾拖鄬?duì)濕度的平均值。 2100433B