風速風向監測系統

 一）簡介：

風是由許多小尺度的脈動，疊加在大尺度規則氣流上的三維矢量。但在氣象學上，卻把空氣的水平移動叫作風，即把它作為二維矢量來考慮。由兩個參數來確定，即風速（風矢量的模數）和風向（風矢量的幅角）。

    空氣團運動速度的方向稱為風向。如果氣流從東吹來就稱為東風。風向可由風向標，等儀器指示出來，從風向標與一固定不變的主方位指示桿之間的相對位置就可以觀測出風向。

    風向標是由風尾、指向桿、平衡重錘和旋轉主軸四個部分組成，見圖1。風尾是感受風力的部件，在風力的作用下產生旋轉力矩，使指示桿-風尾軸線不斷調整它的取向，與風向保持一致。指向桿指向風的來向。平衡重錘安裝在指向桿上，使整個風向標對支點保持重力矩平衡。旋轉主軸則是風向標的轉動中心，并通過它帶動傳感器件，把風向標指示的度數傳送到室內的指示儀器上。

    測量風速的儀表可以分為三大類：旋轉式、壓力式和其他形式。我們采用的是旋轉式風速表。

    常用的旋轉式風速表是如圖1的風杯式風速表。在這種風速表里，由3個風杯與短軸連接組成的轉子在球軸承上旋轉，轉軸下部驅動一個被包圍的在定子中的多級永磁體。指示器測出隨風速變化的電壓，顯示對應的風速值。當風速達到1~2m/s時，風杯式風速表就可以啟動了。風速由10m/s突然變化到20m/s時。風速表記錄到19m/s值的響應時間為1.3s。

    還有如同微型多葉片風力機的風速表，如圖2所示。由于它的風輪葉片多，因而風輪工作轉速低，需要增速齒輪增速后再獲取風速測量值；此外，它的啟動風速也低。 

    上面兩種各有特點和優劣。風杯式風速表可以保持其轉速與所測風速有良好的線性關系，但是所需要的啟動風速高，相應的靈敏度也就差些。而微型多葉片風速表剛好與之相反。

所以，多葉片風速表主要用于實驗室，而風杯式風速傳感器則可用于野外等惡劣氣候條件。

由原理可知，我們只需測得轉速，便可有轉速-風速的線性關系求得風速。我們采用的是電子數字式轉速表來作為轉速測量的儀器。這是應用*泛的精密測量轉速的方法之一。其特點是具有量程寬，準確度高，便于攜帶，輸出數字信息，可以方便地與微型計算機、打印機相結合，實現轉速的自動記錄、數字處理和反饋控制。

二）原理與設計：

1）風速部分：

    測量原理： 電子數字式轉速表由數字式轉速傳感器和電子計數電路組成。傳感器將轉軸的速度轉換為電脈沖信號，經電路放大、整形后送電子計數器顯示相應的被測轉速值。一般對中、高轉速采用頻率法，對低轉速采用周期法測量。

風速傳感器：其功能是將被測旋轉體的轉速變換成電脈沖信號，并且能夠推動計數器計數。

風向風速傳感器風杯由三個拋物錐形的空心杯殼組成。空心杯殼固定在互成120°的三叉星形支架上，杯的凹面順著一個方向排列，整個橫臂架則固定在一根垂直的旋轉軸上。風杯結構和尺寸決定了風速傳感器的技術性能，較小的起動風速和較好的距離常數要求風杯越輕越好；較大的抗風強度要求風杯越堅固越好，即風杯碗壁應該盡量厚；顯而易見該二項是相互矛盾的。因此，合理的設計，就是兼顧各種技術性能。