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几种不同类型的风速计仔细看看它们是如何工作的

2020-01-16

母鸡你听到气象预报预警风是如何快速去打击的,你有没有停下来思考他们如何去衡量呢?风不是很容易看到的东西,因此很难像秒表那样计时秒表,就像测量奥运会短跑运动员或赛车的速度一样!幸运的是,科学家是极富创造力的人,他们提出了一些非常聪明的方法,可以使用称为风速计的小工具来测量风速。让我们仔细看看它们是如何工作的!

关于风速计的思考

某些人认为风力涡轮机是不安全的,因为大风和暴风雨会使它们快速危险地旋转。事实并非如此:所有大型风力涡轮机都装有制动器,如果风吹得太厉害,它们会阻止其旋转(它们还内置了风速计以测量速度)。但是,风力越发强劲,风力涡轮机转动得越快并产生更多的电力,这的确是事实。在那里,您可以了解基本的风速仪如何工作。

假设您为自己构建了一个微型台式风力发电机,并将其连接至发电机(实际上,电动机向后接线,因此在旋转其中心轴时会产生电流 )。转子叶片旋转得越快,发电机旋转得越快,它将产生的电流就越大。因此,如果测量电流,则具有测量风速的基本方法。您必须校准像这样的乐器,在使用之前,当然。换句话说,您需要知道几条已知速度的风产生多少电流。这将帮助您弄清楚风速和电流之间的数学关系,因此您只需测量电流就可以算出未知风的速度。

机械风速计

一些简单的风速仪正是以这种方式工作的。它们不过是一台发电机,它安装在一个密封的金属圆柱体中,发电机的轴从该圆柱体向上伸出。在车轴的顶部,有几个大杯罩,可以挡住风并使发电机旋转。螺旋桨风速计的工作方式大致相同。像微型风力涡轮机一样,它们使用小型螺旋桨为发电机供电,而不是旋转杯。一些风速计具有看起来像是小风扇的杯子或螺旋桨。随着风的吹拂,它使风扇叶片和与之相连的微型发电机旋转,其工作原理类似于自行车发电机。发电机连接到电子电路,该电子电路可在数字显示器上即时读出风速。

一些杯形风速计无需使用发电机,而是计算杯或风扇叶片每秒旋转多少次。在一种典型的设计中,某些风扇叶片上安装有微小的磁铁,并且每旋转一圈,它们就会越过一个称为簧片开关的磁检测器。当磁铁附近时,磁簧开关会闭合并产生短暂的电流脉冲,然后在磁铁消失时再次断开。这种风速计可以有效地产生一系列与风速成比例的电脉冲。计算脉冲进入的频率,然后您就可以计算出风速。

超声波风速计

您可能知道,声音通过使空气分子来回移动而传播。很明显,风速会影响声音传播的速度。如果您要向一个对您站立姿势不顺的朋友大喊大叫,那么他们的声音会比没有风的时候早一点听到。同样,如果他们大声喊叫,您稍后会听到他们的声音-因为他们产生的声波必须与风搏斗才能到达您。超声波风速计巧妙地使用了相同的想法,该超声波风速计使用高频声音(通常在人类可以听到的范围内)测量风速。

超声波风速计具有两对或三对相互垂直安装的声音发射器和接收器。站在风中,每个发射器不断向其各自的接收器发出高频声音。内部的电子电路测量声音从每个发射器到达相应接收器所需的时间。取决于风的吹拂方式,它会对某些声束的影响比对其他声束的影响更大,从而使声束减慢或非常快地加速。电路测量光束速度的差异,并利用其计算出风速。

激光干涉仪风速仪

您可以使用束类似,但更精确的测量光,而不是超声波。基本原理称为干涉测量法,它可用于以不可思议的精度测量各种不同的事物。它是如何工作的?拍摄 激光束,然后使用半镀银镜将其分成两半 (镜面部分镀银) 因此它可以让一半的光线通过,并将其余的反射掉)。您保持光束的一部分完整(让我们将其称为参考光束),并让光束的另一部分(称为测量光束)受到您要测量的物体的影响。无论是什么,都会稍微改变测量光束中光波的相位(振动模式),但不会影响参考光束中的光波(沿着单独的路径传播)。现在,您重新组合了两个激光束。测量光束将与参考光束稍微不同步,从而在它们会合并重叠的地方形成奇怪的光图案,这就是一组干涉条纹。通过测量条纹的间距,可以计算出测量光束受到的影响。

在测量空气速度时,您只需让测量光束通过空气在其中移动的腔室即可。例如,您可以通过风洞的一部分或正在研究气流的管道将其点火。当然,您需要首先校准设置,以便了解风速和在干涉条纹中观察到的变化之间的关系。完成此操作后,您可以使用激光风速计来测量任何未知气流的速度。

多普勒激光风速仪

鉴于其高精度的性质,您将使用激光干涉仪在实验室中进行非常精确的测量。但是某些激光风速仪具有足够的坚固性,可以在户外更广泛地使用。它们将一束或多束安全的 红外激光束直接发射到空气中(用作参考光束),并检测从尘埃颗粒,水滴等反射回来的光束(即测量光束)。风的运动使周围的空气悬浮颗粒摆动,因此与参考光束相比,测量光束的频率略有变化。频率的变化称为 多普勒频移这就像消防车的警笛声在您飞速前进时将音高从高音改变为低音的方式一样。通过测量频移,您可以精确地测量引起它的速度(在这种情况下为风速)。

热线风速计

可能还有多少种测量风的方法?令人惊讶的是,有很多。如果您熟悉风寒的概念 ,您会知道风会以一种非常可预测的方式冷却东西,从而使它们冷却。因此,测量风在一定温度的物体上产生的冷却量是间接计算风速的间接方法。本质上,这就是热线风速仪的工作方式。它使用电加热的金属丝(类似于老式灯泡中的灯丝或细的加热元件),风吹过。电线冷却时,其 电阻变化; 可以进行测量(使用称为惠斯通电桥的电路)以计算出冷却量和风速。热线风速仪特别适用于测量湍流,并且在工程中广泛用于测量喷气发动机中的流体流量。

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