索尔曼三种风速测量仪及其工作原理

1.热式风速仪
1.1 基本概述
叶轮式风速仪，又称风杯风速仪或旋转风速计，是一种基于机械原理测量风速的仪器。它利用一个或多个旋转的风杯（通常为三杯或四杯设计）来捕捉风的动力，进而通过机械或电子方式转换为风速读数。索尔曼的叶轮式风速仪以其坚固耐用、结构简单、维护方便而树立形象。
1.2 工作原理
叶轮式风速仪的工作原理基于动量守恒和旋转动力学。当风吹过风杯时，风杯受到风的作用力开始旋转。风杯的转速与风速成正比，即风速越大，风杯旋转得越快。为了将风杯的旋转速度转换为可量化的风速值，通常会在风杯轴上安装一个传感器（如磁感应传感器或光电传感器）。传感器通过检测风杯的旋转周期（或频率）并将其转换为电信号，进而由电子电路处理并显示在仪表上。
此外，为了提高测量精度和适应不同风速范围，叶轮式风速仪通常还配备有变速齿轮箱或电子调速器。变速齿轮箱通过改变风杯与传感器之间的传动比，实现不同风速范围内的精确测量；而电子调速器则通过调整电子电路的增益或频率响应，实现更精细的测量控制。
1.3 应用场景
叶轮式风速仪因其结构简单、操作方便而广泛应用于气象观测站、建筑工地、农业生产等领域。在气象观测站中，它常被用于测量平均风速和风向；在建筑工地和农业生产中，则用于评估通风效果和微气候环境。
二、热线风速仪
2.1 基本概述
热线风速仪是一种基于热传递原理测量风速的仪器。它利用一根细长的金属丝（热线）作为敏感元件，在电流加热下保持一定的温度。当风吹过热线时，由于热对流作用，热线会散失热量并导致温度下降。通过测量热线温度的变化，可以间接推算出风速的大小。索尔曼的热线风速仪以其高灵敏度、快速响应和宽风速测量范围而著称。
2.2 工作原理
热线风速仪的工作原理基于热平衡和热对流理论。在测量过程中，热线被通电加热至一定温度（通常高于环境温度几十度）。当风流经热线时，由于对流作用，热线上的热量被带走并导致温度下降。为了维持热线的恒定温度，需要增加电流以补充散失的热量。通过测量电流的增加量（即加热功率的增加），可以反映出热线散失的热量多少，进而推算出风速的大小。
为了提高测量精度和稳定性，热线风速仪通常还采用恒温控制技术和信号处理技术。恒温控制技术通过反馈电路自动调节电流大小以保持热线温度的恒定；信号处理技术则通过滤波、放大和数字化等步骤将微弱的电信号转换为可识别的风速值。
2.3 应用场景
热线风速仪因其高灵敏度和快速响应特性而广泛应用于空气动力学研究、飞行器性能测试、汽车风洞实验等领域。在这些领域中，需要对风速进行精确而快速的测量以评估空气动力性能或优化设计参数。
三、皮托管风速仪
3.1 基本概述
皮托管风速仪是一种基于伯努利方程和流体动力学原理测量风速的仪器。它由一个管状探头（皮托管）和一套压力测量系统组成。皮托管的一端开口朝向气流方向以收集总压（静压与动压之和），另一端则封闭并设有静压孔以测量静压。通过比较总压和静压之间的差值（即动压），可以推算出风速的大小。索尔曼的皮托管风速仪以其高精度、可靠性和广泛的适用性而受到广泛认可。
3.2 工作原理
皮托管风速仪的工作原理基于伯努利方程和流体动力学中的动压与速度的关系。当气流流经皮托管时，由于流体的不可压缩性和连续性原理，气流在皮托管开口处发生减速和扩压现象。此时气流的总压（包括静压和动压）大于皮托管静压孔处的静压。通过测量总压和静压之间的差值（即动压），并根据伯努利方程（p + 0.5ρv² = p₀，其中p为动压，ρ为空气密度，v为风速，p₀为静压）进行换算，即可得到风速v的数值。
3.3 详细工作流程
气流捕捉：皮托管的一端设计为开口，直接面向风流方向，以便捕捉并引导气流进入管内。开口处的气流速度因受阻而降低，但其总压（包括静压和动压）被保持。
压力测量：皮托管内部设置有两个压力测量点。一个位于开口处，测量总压（pₜ）；另一个位于管体的侧壁或尾部，通过静压孔与外界连通，测量静压（p₀）。这两个压力值分别由高精度压力传感器捕获并转换为电信号。
信号处理：采集到的总压和静压信号经过放大、滤波等处理后，送入微处理器或数据采集系统。在微处理器中，根据伯努利方程进行计算，得出动压值（p = pₜ - p₀），并进一步求解出风速v。
结果输出：经过计算得到的风速值可以通过显示屏直接显示，也可以通过接口（如RS-232、USB、Ethernet等）输出到计算机或其他数据处理设备中，供进一步分析或存储。
3.4 校正与校准
为确保皮托管风速仪的测量准确性，需要定期进行校正和校准。校正通常涉及检查传感器的零点漂移、线性度和温度影响等性能参数；而校准则是通过已知风速的标准风洞或风速仪对皮托管风速仪进行比对测试，以调整其测量参数和补偿误差。
3.5 应用场景
皮托管风速仪因其高精度、可靠性和广泛的测量范围而广泛应用于气象观测、航空航天、建筑风工程、环境监测等领域。在气象观测中，它用于测量不同高度和位置的风速变化；在航空航天领域，它用于飞机的风洞试验以及飞行器的空中性能监测；在建筑风工程中，它帮助设计师评估建筑物对风的响应和风力作用下的安全性。