風速脈動測定超聲風速計的主要類型

超聲風速計由于靈敏度高，記錄、存儲數(shù)據(jù)都方便，是脈動測定的重要儀器。目前用得較多的是三維超聲風速計，它可不間斷地測定風向和風速的變化。但是，現(xiàn)在使用的主導型三維超聲風速計還不能直接測定最為重要的垂直風速成分，需要從三個成分的坐標變換求解，所以在儀器安裝時要作嚴格的水平調整，通量計算時需進行坐標軸變換。超聲風速計能得到特定的風向成分，對于渦度相關法來說具有很大的優(yōu)點，而且在精度和時間響應方面也具有優(yōu)良的特性?？墒?，聲波發(fā)生器有限的大小也會妨礙氣流的流動，雖然不可能配置對應任何風向都沒有影響的聲波發(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，開發(fā)了不同類型的超聲風速計。

商用的三維超聲風速計由具有三對發(fā)生一接收器的探測器與數(shù)據(jù)轉換器構成。最近，探測器與數(shù)據(jù)轉換器成為一體的小型超聲風速計也普及起來另外，也有內裝A/D(模擬/數(shù)字，analog/digital)轉換器，輸入其他探頭的模擬信號(例如濕度脈動)可以與風速的信號同時以數(shù)字形式輸出的儀器，超聲風速計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，依儀器種類而異。 2100433B

現(xiàn)在，一般的超聲風速計測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，聲音到達接收器的時間隨著風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時速度與傳播方向的風速分量的和。當聲波從兩側的發(fā)生器短時間地交替切換聲音傳播方向時，一對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，利用兩個接受器所接收到的聲波信號的時間差，即可求出不同方向的瞬時風速。超聲風速計是通過風對聲脈沖在路徑已知方向相反的輸送時間內所受的影響來完成其頻響測量的，影響頻響的唯一因素是空間路徑距離。如果在三個互相垂直的方向上同時測量，即可得到風在三個不同方向上的分量(u,v,w)及瞬時總風速。

為了應用渦度相關法，有必要對風速的垂直成分進行分離測定。用于渦度相關法的風速計要求具有能以10 Hz以上的高頻率測定出風速的三維成分(u,v,w)的性能。其中特別重要的垂直風速(w)與水平風速(u,v)相比小得多，因此要求儀器有較高的分辨率，同時在野外能夠連續(xù)觀測、具有較高的耐候性和長期的穩(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速計。三維超聲風速計是利用超聲波在空氣中的傳播速度隨風速而變化的原理，測定發(fā)生器和接收器之間超聲波的到達時間來計算風速。具體地說，就是在發(fā)生器和接收器相對方向內置一對聲響元件(發(fā)送接收器)，交互地發(fā)送和接收聲音脈沖信號。

濕度脈動的測定主要有兩種不同類型的儀器。其一是與空氣直接接觸類型的儀器(如干濕球溫度計、容量型濕度計等)，其二是利用紅外線或紫外線吸收類型的儀器。一般來說，因為前者的頻率響應能力不足，多數(shù)情況下需要對高頻成分進行修正。例如，在利用細線熱電偶干濕計時，由于濕球的響應特性差，所以基于感應部位的熱交換關系，常用通過信號微分改善響應的方法。但是因為在高頻一側如果加人噪音(noise)等，會造成過度修正，此外，由于干球和濕球的響應存在差異，因此在前期處理階段有必要進行校準。容量型濕度計(visara型)作為相對濕度的測定設備，在響應上也存在問題，同時一旦有臟物和浮塵等粘附，濕度計就不能顯示正確的數(shù)值，因此在測定平均值時通常被放在防護幕內。但在湍流測定時，因為不能使用防護幕，必須進行頻繁的保養(yǎng)。不管怎樣，即使在不得已而使用響應性差的設備條件下，通過BP渦度相關法(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測量儀器主要有紅外濕度儀(利用水汽對紅外輻射吸收的原理)、紫外濕度儀(利用水汽對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系)三種不同的類型。

紅外濕度儀是通過兩個相鄰波長的紅外傳輸?shù)牟顒e測量濕度的，一個波長位于水汽高吸收區(qū)，另一個位于水汽吸收可以忽略的區(qū)域，傳輸路徑長度典型值為0.2～1.0m，光束通常用一個機械的斬波器作調制，以獲得探測信號的高增益放大。在可利用的紅外濕度儀中有開路型(open-path)和閉路型(closed-path)兩種類型，作為開路型的分析儀，被應用的主要有Ohtaki和Matsui(1982)開發(fā)的碳素氣體一水汽脈動儀(Advanet制造)、伊藤和小澤(1988)開發(fā)的設備(Kaijo制造)、CSIRO的Hyson和Hicks(1975)開發(fā)的設備等幾種類型。開路型的分析儀在長周期觀測過程中的穩(wěn)定性方面存在問題，但CSIRO的紅外濕度儀放棄了長周期的思路，而采用通過光的瞬間值與平均值的比與比濕脈動成比例的原理制成，而且是使用普通的小燈泡光源的簡單裝置。閉路類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)定性的測量儀器。

紫外濕度儀是利用水汽對紫外線的吸收特性制作的，是一種利用細線熱電偶制作的干濕球溫度計然而，用干濕球溫度計測定湍流脈動時，因濕球被暴露，容易臟污，還需要及時補給水分，清理和維護工作量大，不適合用于長期的通量觀測。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)和利用氪球(氪濕度計)的兩種類型，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濕度計存在光源壽命短和穩(wěn)定性差等問題，氪濕度計雖然對這些問題進行了改進，但在求水汽密度時需要氣溫和相對濕度的平均值。 2100433B