流體力學應用/A13：風速計及其應用
風速計是一種用於測量流體流量的裝置，無論流體是可壓縮的還是不可壓縮的（液體和氣體）。如今，該裝置的應用範圍非常廣泛。風速計一詞來自希臘語“anemo”，意為風。風速計的概念最早出現在 1450 年由“萊昂·巴蒂斯塔·阿爾貝蒂”提出，並在 16 世紀由“羅伯特·胡克”首次發明。該裝置不僅能夠測量風速，還能測量氣壓。
如今，在許多應用中使用了幾種型別風速計，其中一些是
1：杯式風速計
2：葉片式風速計
3：熱線風速計
4：雷射多普勒風速計
5：聲速風速計
在這裡，我們必須考慮該裝置的現代用途和應用。為此，我們必須描述其中一些對我們有用的裝置的工作原理。
這種風速計的另一個名稱是風車式風速計。這種型別的風速計包含安裝在儀器軸上的螺旋槳和尾翼，該軸垂直於風流方向。該裝置只能測量一個方向上的速度，例如在通風井和礦井等地方，並在那裡顯示其精度。這些風速計在礦井中具有很大的用途，它們位於採空區，用於測量從礦井中釋放的甲烷的速度。
葉片式風速計帶有一個發射器，發射器包含一個電位器，該電位器有助於將旋轉角度轉換為電訊號。也可以使用一組發射器和接收器來使用環形電位器。可以將帶有一點的轉子與一個帶三個抽頭和永磁體的發射器以及一個帶三個 120°線圈繞組的接收器一起使用。這些電位器是 12 伏直流電，與風向軸直接耦合。在此設定中，固定在轉子上的指標指示與滑動觸點位置成比例的角度，即風向。電位器的三個抽頭通常透過電纜連線到接收器，以便能夠從遠端位置觀察風向。這種型別系統的主要優點是設計簡單，可以輕鬆安裝在任何地方。
杯式風速計有三個或四個杯子對稱地安裝在一個自由旋轉的垂直軸周圍。該裝置由約翰·托馬斯博士於 1846 年發明。隨著時間的推移，對該裝置進行改造和改進，以提高效率。杯子凹面和凸面之間的風壓差導致它從凸面轉到下一個杯子的凹面。旋轉速度與風速成正比，與風向無關。風速訊號是透過發電機或脈衝發生器生成的。杯子傳統上由黃銅製成，因為黃銅具有剛性和防鏽的特性。然而，近年來，輕合金或碳纖維熱塑性塑膠製成的杯子已成為主流，使重量大幅減少。在杯子的邊緣設定珠子以增加剛度和變形阻力。它們還有助於杯子避免湍流的影響，從而可以穩定地測量各種風速。
杯式風速計可以與連線到其軸上的交流發電機一起使用。杯子的運動會產生與風速相當的電壓。CR 積體電路計算平均風速，因為電路在一定時間內對電容器進行充放電。這種型別的裝置用於露天位置，例如塔架、氣象站等。
熱線風速計是最新型、精度更高的風速計，它擁有非常細的導線，範圍為微米級。該導線被加熱到高於室溫。當空氣經過導線時，導線會發生冷卻。由於導線的電阻取決於溫度，因此可以獲得導線電阻和空氣流速之間的關係。
這種型別的風速計具有一個橋式電路，其中熱線（感測器）安裝在橋的一側。當風吹過熱線時，熱線的溫度會降低，其電阻也會發生變化；這會在橋中造成不平衡，並導致電流流動。電流和風速之間的關係是預先定義的，電流被轉換為風速值。
最近引入了一種新型熱線風速計，它使用熱敏電阻器件而不是鉑絲。這種新型風速計的優點是即使在弱風條件下也具有優異的靈敏度和響應特性。但是，如果雨、雪或霧接觸到感測器，可能會出現較大的測量誤差；因此，它不適合在戶外使用，也不能用作氣象測量儀器。
測量範圍：0 至 1 m/s、0 至 10 m/s、0 至 50 m/s 以及其他各種範圍
測量精度：每個測量範圍內的±2% 至±3%
以下草圖顯示了用於測量的熱線風速計的安裝方式，該風速計配備了惠斯通電橋。
這是一種非常先進的風速計，它具有以下優點：在測量過程中不會干擾流動。它是一種光學型流量計，也可以對流體進行視覺化。雷射風速計可以非常精確地對高頻湍流波動進行定量測量。在儀器中，雷射束透過透鏡 L1 聚焦到流場中一個小的體積單元上。為了使該裝置正常工作，流場中必須包含某種型別的微小粒子來散射光線，但所需的粒子濃度非常小。普通自來水中含有足夠的雜質來散射入射光束。兩個額外的透鏡 L2 和 L3 被放置來接收透過 θ（透鏡 L2）傳輸的雷射束。散射光經歷了多普勒頻移，該頻移與流速成正比。未散射的部分光束的強度透過中性密度濾光器降低，並透過分束器與散射光束重新組合。雷射風速計裝置必須以使直接光束和散射光束經過相同的路徑的方式構造，以便在與頻移成正比的光電倍增管處觀察到干涉。然後，這種頻移會指示流速。為了從光電倍增管訊號中檢索速度資料，必須使用相當複雜的電子技術來進行訊號處理。可以使用頻譜分析儀來確定穩態層流中的速度，以及湍流中的平均速度和湍流強度。
圖中顯示了一些用於完成散射和測量過程的替代方案。在第二張圖中，雷射束在測試段外被分裂，兩束光束可以聚焦在流場中要研究的精確點上。孔徑充當非相干散射光和背景光的遮蔽。第三張圖中的系統是該系統的進一步改進，它允許輕鬆調整路徑長度。
He-Ne 氣體雷射器最常用於 LDA 工作，儘管氬離子雷射器提供更強的光束輸出。He-Ne 雷射器在 632.8=(5x1014Hz) 的波長下執行，頻寬約為 10 Hz。雖然由移動散射中心引起的多普勒頻移與雷射源頻率相比很小，但它與頻寬相比卻非常大，可以使用外差技術檢測到。在此過程中，光陰極將散射光束與參考光束混合，以生成一個頻率等於兩束光束頻率差的電流。電子處理需要對光電倍增管電流進行頻譜分析，以確定多普勒頻率，然後確定流速。
(a) 以高空間和時間解析度測量速度/速度向量。
(b) 在準靜態流動中進行測量。
(c) 在高速流動中進行測量。
(d) 在流動反轉的流動中進行測量。
(e) 以高空間解析度測量邊界層。
(f) 測量速度剖面。
(g) 研究渦輪式燃氣表安裝效應。
(h) 測量粒子直徑。
這種儀器的特點是它在測量過程中不會阻礙流動。 多普勒效應是圖中所示的超聲波流量計工作原理的基礎。 已知超聲頻率的訊號被傳輸透過液體。 固體、氣泡或液體中的任何間斷都會將訊號反射回接收元件。 由於液體的速度，接收器處將發生與速度成正比的頻移。 該裝置在約 10 到 01 的流量範圍內可以實現約 (((+-5)))% 的滿量程精度。 大多數裝置要求液體中至少含有 25 ppm 的直徑約為 30 (((微米))) 或更大的顆粒或氣泡。
已經開發了一種基於微處理器的超聲波流量計，它利用多普勒訊號反射流動中的湍流渦流。 因此，它適合與清潔的低粘度液體一起使用。 可以實現 2% 的滿量程偏轉精度，並且該儀表可以安裝在距離 (((90 度))) 彎頭下游三根管徑處。 但這種裝置的成本相當高。
聲波風速計有兩對聲波發射/接收裝置（探頭），固定在彼此相對的特定跨度上。 超聲波脈衝訊號以一定的時間間隔從每對探頭交替重複發射。 測量超聲脈衝在相反方向上的傳播時間； 計算每個方向的風速，並透過向量合成得出風向和風速。 由於空氣中的聲速取決於感測器指示器，熱敏電阻風速計探頭聲波風速計的溫度，因此已經開發了測量技術來最大程度地減少這種影響。 由於聲波風速計沒有由風力驅動的活動部件，因此啟動閾值速度的概念不適用； 這種裝置從平靜條件向上提供風速測量。 與旋轉風速計相比，它們對風向和風速變化的響應速度也快得多。
測量範圍：0 到 60 m/s 測量精度：±0.2 m/s