风的测量-气象仪器1ppt课件.ppt
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1、LOGO.气象仪器气象仪器LOGO2022-5-23.第七章第七章 风的测量风的测量7.1 概述概述7.2 风向的测量风向的测量7.3 风速的测量风速的测量7.4 EL EL型风向风速计型风向风速计7.5 风廓线雷达风廓线雷达7.6 测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v风的定义风的定义 空气的运动可分解成垂直的和水平的两个分量。垂直分量称为空气的垂直运动(如对流运动)。风就风就是空气的水平运动是空气的水平运动,它是一个矢量,风的运动既有速度又有方向。因此风的观测包括风向和风速两项风的观测包括风向和风速两项。 。 风的测量值应包括瞬时值和平均值两
2、部分。 “平均值”是指在一定时段内的平均; “瞬时值”可认为在一个相当短的取样时段内的平均,或称为“光滑值”。LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v风的定义风的定义 空气的运动可分解成垂直的和水平的两个分量。垂直分量称为空气的垂直运动(如对流运动)。风就是空气的水平运动,它是一个矢量,风的运动既有速度又有方向。因此风的观测包括风向和风速两项风的观测包括风向和风速两项。 。风的测量值应包括平均值和瞬时值两部分。LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v风的定义风的定义 风向风向指风的来向指在规定时间段内出现频率最多的风向 最多风向最多风向指在规定时间段内风向的平均值 平均风向平均风向
3、 风速风速指空气质点在单位时间内所移动的水平距离 最大风速最大风速指在某个时段内出现的平均风速中的最大值。 瞬时风速瞬时风速空气微团的瞬时水平移动速度。在自动气象站中,瞬时风速是指3s的平均风速 极大风速极大风速指某个时段内出现的瞬时风速的最大值。 平均风速平均风速指某个时段内风速的平均值。地面气象观测中,从给定时间段内选取任意10min的平均风速最大值作为该时间的最大风速LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v风的定义风的定义 风是所有气象要素中随时间变化最剧烈的一个要素。在观测中为了取得具有一定代表性的风向、风速资料、风的观测一般是取某一时间内的平均风速和最多风向。 实验表明:取10
4、min时间段内的平均值即可达到一定代表性的要求。在大多数风的阵性涨落不大的情况下,取12min时间端内的平均值,也可达到一定代表性的要求。气象台站观测中,一般是取气象台站观测中,一般是取2min的平均风速和最多风向,的平均风速和最多风向,自记仪器是取自记仪器是取10min的平均风速和最多风向。的平均风速和最多风向。如何取得具有代表性的风资料?LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v风的定义风的定义 阵风(风的阵性)是指瞬时风向风速在平均值附近涨落的变化和分布特征。 阵风的定义是:在规定时间间隔内(10min)内,风速偏离其平均值的一个正的或负的偏距,其持续时间不超过2min者。 风的阵性
5、在航空、航海、大气污染和放射性微尘的扩散等方面都有广泛的应用。 阵风的观测主要有两个变量:风速和风向的标准偏差风速和风向的标准偏差、阵阵风风峰值风风峰值。LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v单位单位 风速的常用单位是m/s 1m/s = 3.6 km/h 记录风速取一位小数 风向以10作为一个单位,用电码01、02、36来表示,以正北为基准,顺时针方向旋转。当风向仪器精度较低时,一般用16个方位表示,用英文缩写符号记录。LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v单位单位LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v单位单位LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v单位单位 零
6、级烟柱直冲天,一级青烟随风偏;零级烟柱直冲天,一级青烟随风偏;二级轻风吹脸面,三级叶动红旗展;二级轻风吹脸面,三级叶动红旗展;四级枝摇飞纸片,五级带叶小树摇;四级枝摇飞纸片,五级带叶小树摇;六级举伞步行艰,七级迎风走不便;六级举伞步行艰,七级迎风走不便;八级风吹树枝断,九级屋顶飞瓦片;八级风吹树枝断,九级屋顶飞瓦片;十级拔树又倒屋,十一二级陆上很少见。十级拔树又倒屋,十一二级陆上很少见。风级歌风级歌LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v 当没有测定风向风速的仪器,或仪器出现故障时,可目测风当没有测定风向风速的仪器,或仪器出现故障时,可目测风向风力向风力n估计风力估计风力 根据风对地面或
7、海面物体的影响而引起的现象,按风力等根据风对地面或海面物体的影响而引起的现象,按风力等级表估计,并记录相应风速的中数值级表估计,并记录相应风速的中数值n目测风向目测风向 根据炊烟、旌旗、布条展开方向及人的感觉,按八个方位根据炊烟、旌旗、布条展开方向及人的感觉,按八个方位估计。目测风向风力时,观测者应站在空旷处,多选几个物估计。目测风向风力时,观测者应站在空旷处,多选几个物体认真观察,以尽量减少估计误差体认真观察,以尽量减少估计误差LOGO2022-5-23.7.1 概述概述v风的测量方法风的测量方法LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v风向标风向标 风向标外形可分为尾翼、平
8、衡锤、指向杆、转动轴四部分LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v 风向标风向标 当风的来向与风向标成某一交角时,风对风向标产生压力,这个力可以分解成平行和垂直于风向标的两个风力。由于风向标头部受风面积比较小,尾翼受风面积比较大,因而感受的风压不相等,垂直于尾翼的风压产生风压力矩,使风向标绕垂直轴旋转,直至风向标头部正好对风的来向时,由于翼板两边受力平衡,风向标就稳定在某一方位。LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v 风向标风向标 1.在小风时能反应风向的变动,即有良好的启动性能;2.具有良好的动态特性,即能迅速准确地跟踪外界的风向变化LOGO2022-5
9、-23.7.2 风向的测量风向的测量v 风向标风向标 LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v 风向标风向标 LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v 风向标风向标 LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v风向标的动态特性风向标的动态特性对于风向标,当风向变化时,它将经过一个阻尼简谐振动产生过量指示而逐渐趋于稳定。仪器的响应取决于环境量、仪器的响应速度和加速度。LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示风向信号的传送和指示 风向标感应的风向必须传递到地面的指示仪表上,以触点式最为简单,风向标带动触点,接通
10、代表风向的灯泡或记录笔电磁铁,作出风向的指示或记录,但它的分辨只能做到一个方位22.5。LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示风向信号的传送和指示n格雷码式格雷码式LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示风向信号的传送和指示n格雷码式格雷码式格雷码盘由等分的同心圆组成,由内到外分别做0、20、21、22、23、24、25、26、27等份,相邻两份做透光和不透光处理,(图中涂黑的表示不透明,未涂黑的处表示透明)通过位于码盘两侧同一半径上的光电耦合器件对输出相应的格雷码。当光通过码盘的透明部分时,光电耦合器件接收到的信号
11、为“1”;当光通过码盘的不透明部分时,接收到的信号为“0”。常用7位,分辨率为2.8度LOGO2022-5-23.7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示风向信号的传送和指示n格雷码式格雷码式 格雷码最大的优点是每进一位只有其中的一位数发生0与1之间的变化,因为即使发生误读也只能产生一位码的误差,这对保证测量风向的精度是大有好处的。格雷码盘固定在风向标的轴上。当码盘随着风向标转动时,通过光电转换线路,把光电信号转换为电信号,输入到指示、记录系统,实现格雷码与风向标角度的转换。LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v旋转式风速计旋转式风速计 旋转式风速计的感应部分是一
12、个固定在转轴上的感应风的组件。常见的有风杯式风速计、螺旋桨 式风速计。LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计风杯式风速计 目前普遍采用的测定风速的仪器是风杯式风速计,它的感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。空心杯壳固定在互成120的三叉星形支架上或互成90的十字形支架上,杯的凹面顺着一个方向排列,整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计风杯式风速计 当风从左方吹来时,风杯当风从左方吹来时,风杯1与风向平行,风对风杯与风向平行,风对风杯1的压力在最直于风的压力在最直于风杯轴方向上的分力
13、近似为零。风杯杯轴方向上的分力近似为零。风杯2与与3同风向成同风向成60度角相交,对风杯度角相交,对风杯2而而言,其凹面迎着风,承受的风压最大言,其凹面迎着风,承受的风压最大;风杯风杯3其凸面迎风,风的绕流作用使其凸面迎风,风的绕流作用使其所受风压比风杯其所受风压比风杯2小,由于风杯小,由于风杯2与风杯与风杯3在垂直于风杯轴方向上的压力在垂直于风杯轴方向上的压力差,而使风杯开始顺时针方向旋转,风速越大,起始的压力差越大,产生差,而使风杯开始顺时针方向旋转,风速越大,起始的压力差越大,产生的加速度越大,风杯转动越快。的加速度越大,风杯转动越快。 风杯开始转动后,由于杯风杯开始转动后,由于杯2顺着
14、风的方向转动,受风的压力相对减小,顺着风的方向转动,受风的压力相对减小,而杯而杯3迎着风以同样的速度转动,所受风压相对增大,风压差不断减小,经迎着风以同样的速度转动,所受风压相对增大,风压差不断减小,经过一段时间后(风速不变时),作用在三个风杯上的分压差为零时,风杯过一段时间后(风速不变时),作用在三个风杯上的分压差为零时,风杯就变作匀速转动。这样根据风杯的转速(每秒钟转的圈数)就可以确定风就变作匀速转动。这样根据风杯的转速(每秒钟转的圈数)就可以确定风速的大小。速的大小。LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计风杯式风速计 当风杯转动时,带动同轴的多齿截光盘或磁
15、棒转动,通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号,该脉冲信号由计数器计数,经换算后就能得出实际风速值。LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计风杯式风速计目前新型转杯风速表均是采用三杯的,并且锥形杯的性能比半球形的好LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计风杯式风速计当风速增加时转杯能迅速增加转速,以适应气流速度风速减小时,由于惯性影响,转速却不能立即下降旋转式风速表在阵性风里指示的风速一般是偏高的成为过高效应(产生的平均误差约为10%)过高效应还会受到垂直气流垂直气流和风向脉动风向脉动的影响LOGO2022-5-23.7.3 风速的测
16、量风速的测量v螺旋桨式风速计螺旋桨式风速计 电扇由电动机带动风扇叶片旋转,在叶片前后产生一个压力差,推动气流流动。螺旋浆式风速计的工作原理恰好与此相反,对准气流的叶片系统受到风压的作用,产生一定的扭力矩使叶片系统旋转。这种能量如果加以利用就是风力发电。 螺旋桨式风速计是由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内。LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v螺旋桨式风速计螺旋桨式风速计 螺旋桨式风速计的叶片旋转平面应始终对准风的来向,因此它的感应部分需要与风向结合在一起。风向标部分则制成与风机机身相似的外形,保持良好的流线型。 在以下假设情况下,经过计算可知螺旋桨式风速计的转速
17、转速与外界风速成正比与外界风速成正比。 l叶片是一个扁平薄板,当气流的方向与叶片的基线一致时,叶片上不受力的作用l不考虑机械摩擦和空气对叶片的阻力l叶片系统旋转时,没有带起旋转气流l叶片系统正前方的气流速度等于远处的风速LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量 三轴风速计:利用三个风车风速计测量风速 x,y 和 z 分量的仪器LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v热线风速表热线风速表 热线风速表是利用一根被加热的金属丝置于空气中,散热速散热速率与周围空气的流速有关率与周围空气的流速有关的特性来测量风速。被加热的金属丝,它所产生的热量为210.24tQI R
18、式中I为流过热线的电流,Rt为热线电阻。与此同时,在速度为v的气流中,一根垂直于气流的金属丝,它散失到空气中的热量为2()()QABvt式中系数A代表分子的散热作用, 代表气流的作用。对于某一热线风速表,A、B均为常系数, t-为热线与气温的温差。B vLOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v热线风速表热线风速表 当v足够大时,则可忽略分子散热。当热量交换达到平衡时,Q1=Q2。20.24()()tI RAB vt 从上式可知,若固定加热电流I,即可确定v与t-的关系;若固定热线与空气的温差t-,则可确定出v与I的关系。前者称为恒流式,后者为恒温式。LOGO2022-5-23
19、.7.3 风速的测量风速的测量v声风速表声风速表 LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v声风速表声风速表 声风速表是利用声波在空气中的传播速度与风速之间的函数关系测量风速的。静止空气中的声音速度为:20.067pSVcT其中为质量热容比,Tsv为有声绝对温度,与气温绝对温度T的关系为(10.32)SVeTTp气温20时,干空气中的声音传播速度是343.5m/s。LOGO2022-5-23.7.3 风速的测量风速的测量v声风速表声风速表 假设气流速度V的三个分量为Vx、Vy 、Vz ,声波的某一相位面从坐标原点到达(x, y ,z)所需要的时间t时22222()()()xyz
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