“風(fēng)”言“風(fēng)”語之——測(cè)風(fēng)技術(shù)
更新時(shí)間：2025-03-07 點(diǎn)擊量：736
當(dāng)前測(cè)風(fēng)技術(shù)豐富多樣、風(fēng)速傳感器品類繁多，其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用形式也各有不同。但有關(guān)描述風(fēng)特性的指標(biāo)并不是很多，主要有：風(fēng)速、風(fēng)溫、風(fēng)向、風(fēng)壓等，暖通空調(diào)中的風(fēng)量是基于以上參數(shù)的間接計(jì)算值。這里僅以最主要的指標(biāo)——風(fēng)速（空氣流速）作為參照指標(biāo)，簡(jiǎn)略概括一下常見的測(cè)風(fēng)技術(shù)和傳感器儀器等。
機(jī)械式測(cè)風(fēng) ——主要指轉(zhuǎn)杯式或葉輪式測(cè)風(fēng)。其原理是當(dāng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)扇葉或風(fēng)杯使其旋轉(zhuǎn)，扇葉或風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速呈現(xiàn)正比例關(guān)系。通過測(cè)量扇葉或風(fēng)杯的旋轉(zhuǎn)來反映實(shí)際風(fēng)速的大小。從信號(hào)轉(zhuǎn)換及采集角度，常通過測(cè)量電機(jī)速度、觸電開合速度、以及閃光速度來間接測(cè)量風(fēng)速。機(jī)械式測(cè)風(fēng)優(yōu)缺點(diǎn)：機(jī)械式測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)在于，機(jī)構(gòu)精簡(jiǎn)便于操作，抗外界干擾能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好；缺點(diǎn)是采用機(jī)械式測(cè)量一個(gè)不能忽視的因素就是摩擦力的影響。摩擦力的影響直接導(dǎo)致了測(cè)量精度和最大限值風(fēng)速的測(cè)量不準(zhǔn)確。此外這種測(cè)量方式對(duì)于突變風(fēng)的靈敏度不高也是其缺點(diǎn)之一。比如啟動(dòng)風(fēng)速往往就需要0.5m/s以上，可測(cè)試下限范圍不理想，適合測(cè)試高風(fēng)速。
比托管測(cè)風(fēng) ——利用特定的結(jié)構(gòu)，將風(fēng)總壓（動(dòng)壓+靜壓）和靜壓分開，產(chǎn)生壓差對(duì)應(yīng)風(fēng)速。皮托管的構(gòu)造頭部為半球形，后為一雙層套管。對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，根據(jù)伯努利方程和能量方程可求出氣流馬赫數(shù)，進(jìn)而再求速度。缺點(diǎn)：皮托管很難精確測(cè)試低于2m/s和超聲范圍的風(fēng)速；同時(shí)壓差與大氣壓、溫度緊密相關(guān)，必須實(shí)時(shí)測(cè)試風(fēng)溫和氣壓進(jìn)行修正才能相對(duì)準(zhǔn)確。
超聲波測(cè)風(fēng) ——加載一個(gè)超聲波機(jī)械能，空氣為載體，流速和波傳播速度疊加產(chǎn)生對(duì)于關(guān)系。基本原理是根據(jù)聲波信號(hào)在介質(zhì)中傳播與氣體流動(dòng)的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。速度差不能直接測(cè)量，一般轉(zhuǎn)換成超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)路徑上傳播的時(shí)間差。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)采用非接觸式測(cè)量，不干擾風(fēng)場(chǎng)，無壓力損失；不存在機(jī)械磨損；可捕捉瞬時(shí)的風(fēng)速微小變化，不要求啟動(dòng)風(fēng)速。缺點(diǎn)，對(duì)安裝要求十分嚴(yán)格；其次，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故障排除較困難，所以對(duì)安裝地點(diǎn)環(huán)境的要求較高。
熱式傳感技術(shù) ——加熱的熱敏可變阻性器件或材料（熱敏電阻，PTC或NTC，或熱電偶）其散熱速率和風(fēng)速對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。從結(jié)構(gòu)形式可分為熱線、熱球、熱膜式等。風(fēng)溫測(cè)試：基于以上的基本原理可知，影響熱平衡的除了風(fēng)速外界因素，還有當(dāng)前的環(huán)境溫度。即環(huán)境溫度和風(fēng)速的不同組合都會(huì)使得感風(fēng)器件產(chǎn)生一樣的電信號(hào)。這樣，就必須知道當(dāng)前溫度值，計(jì)算出環(huán)境溫度引起的散熱變化量，才能準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)速引起的散熱變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測(cè)試。
激光多普勒 ——利用激光的高相干性和高能量測(cè)量流體流速基本原理：激光測(cè)量法激光激光多普勒測(cè)速儀的測(cè)量方式分為相干方式和非相干方式2種。目前常采用非相干方式。大氣后向散射光進(jìn)入頻率檢測(cè)器件，頻率檢測(cè)器件對(duì)不同的頻率具有不同的透射率，從而將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信號(hào)，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度可以得到多普勒頻移信息。優(yōu)缺點(diǎn)：激光多普勒測(cè)速儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：非接觸式測(cè)量，對(duì)流場(chǎng)無干擾；空間分辨率高，測(cè)量點(diǎn)的空間容積很小，滿足點(diǎn)測(cè)量的要求；測(cè)量精度高，測(cè)量公式是一個(gè)精確的物理關(guān)系式，基本上與流體的其他特征無關(guān)，如溫度、壓力等。缺點(diǎn)就是價(jià)格昂貴、操作維護(hù)困難。且是一個(gè)系統(tǒng)性產(chǎn)品，需要專業(yè)軟件支撐。
正視差距，砥礪前行
測(cè)風(fēng)傳感器及儀器同其它科學(xué)儀器一樣，和發(fā)達(dá)國家相比，依然差距巨大，特別是好的測(cè)試儀器。造成巨大差距的原因是多方面的，也很復(fù)雜，有歷史原因、戰(zhàn)略失策、意識(shí)落后、外部沖擊等等。下面用令人痛惜的激光多普勒測(cè)速儀為例，就能體會(huì)到我們究竟錯(cuò)失了多少機(jī)遇：1964，哥倫比亞大學(xué)將頻移用于測(cè)速，提出人實(shí)為留美華人葉寅，其父葉楷也是清華大學(xué)教授。1971 DISA(丹麥丹迪DANTEC公司前身)推出LDA（Laser Doppler Anemometry ）激光多普勒測(cè)速儀。幾乎同步的1973年底，清華大學(xué)與寧夏銀河儀表廠正式合作開發(fā)多普勒測(cè)速儀，1975年6月，正式樣機(jī)研制成功，并生產(chǎn)了5臺(tái)成品。但后來，丹麥丹迪公司的產(chǎn)品走向了世界，而中國的激光多普勒測(cè)速儀止步于清華大學(xué)的校內(nèi)博物館。
丹麥多普勒測(cè)試儀樣機(jī)
現(xiàn)存于清華大學(xué)校內(nèi)博物館的多普勒測(cè)試儀樣機(jī)
探究主流測(cè)風(fēng)技術(shù)的演進(jìn)與產(chǎn)品的迭代發(fā)展，回溯前輩們拼搏的崢嶸歲月以及途中遭遇的挫折坎坷，這對(duì)于本土科儀人而言，無疑是一種強(qiáng)勁的激勵(lì)，更是深刻的警示。知曉差距與不足后，激發(fā)出奮進(jìn)的勇氣，本土科儀人正以堅(jiān)定的步伐，全力開拓一條特色的發(fā)展之路，在這條充滿挑戰(zhàn)的征程中，持續(xù)磨礪，勇往直前，絕不停歇。
