3.風速計類型簡介

風速是指空氣流動的速度,在氣象環境與風力工程應用皆需要透過風速計進行風速量測。在不同的應用場合,對風速計的選用亦有不同。因此,發展出許多不同型式的風速計,風速計類型簡介如下:

皮托管風速計 (Pitot tube anemometer) 

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熱線式風速計(Thermal anemometer): 

熱線式風速計主要以鎢或鉑作為感測器探頭材料,以線段型式(即常見的熱線)或是薄膜型式(將熱線探頭塗布絕緣層)作為感測器探頭。並將感測器探頭搭配惠斯頓電橋的應用,透過電橋中電阻或電流平衡的關係,量測風速值。

熱線式風速計的電路類型,可分成定電流與定溫兩型。定電流型是使得感測器探頭維持固定電流經過,當流動氣流經過探頭時,氣流速度大小與探頭電阻有關。定溫型則是維持探頭的固定溫度,亦即,探頭的電阻值不變,當流動氣流經過探頭時,氣流速度大小與電流有關。可用於低風速量測,最低風速可測得0.2 m/s以下的風速。

熱線式風速傳感器有恆流與恆溫兩種設計電路。恆溫式熱線風速傳感器較為常用。恆溫法原理是測量過程中保持熱絲溫度恆定,使電橋平衡,此時熱絲電阻保持不變,氣流速度只是電流的單值函數,根據已知的氣流速度與電流的關係可求得通過末端裝置的氣流速度。恆流式熱線風速傳感器在測量過程中保持流經熱絲的電流值不變。當電流值不變時,氣流速度僅僅與熱絲電阻有關。根據已知的氣流速度與熱絲電阻的關係可求得通過風速傳感器的氣流速度。此類型的風速計,容易受到氣流溫度變化而影響精確度,經常額外量測環境溫度進行補償,降低溫度變化造成的誤差。

考量到風速指向性的應用,熱線式風速計可分為指向型風速計與無指向型風速計(或稱為熱球式風速計)。指向型風速計通常使用在已知風速流向的場合,例如吸氣口、吹氣口及通風管道等;無指向型風速計則應用於環境氣流的測量。熱線式風速計的探棒尺寸較小,適用於小開口區域的風速量測,例如槽狀吸氣口或吹氣口。

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扇葉式風速計 (Vane anemometer)

葉輪式風速計的感測器是一管道式軸流扇葉,當氣流經過扇葉感測器時,氣流將驅動扇葉轉動。扇葉轉動速度與風速有關。透過讀取扇葉轉速,量測氣流風速。此類型的風速計,價格便宜,適用於大面積區域的風速量測。針對氣流流動區域較小的流場,因為阻塞效應的影響,較不適合使用。例如小面積的吸氣口、吹氣口或通風管道等,不宜使用扇葉式風速計量測流體速度。

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風杯式風速計 (Cup anemometer)

風杯式風速計的感測器是由三個或四個半圓形或圓錐形空心杯殼組成,目前新型的風杯式風速皆均是採用三杯的風杯感測器。三個空心杯殼組成時,每個風杯固定橫向支架互成120度夾角,固橫向支架交集於一垂直軸,當氣流經過風杯感測器時,造成垂直軸轉動。風速大小與轉軸轉速有關,所以在風速量測的應用上,透過偵測轉軸轉速值,即可用來量測風速。

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超聲波風速計(Sonic anemometer)

聲波在具有流動的流體中傳播時,其傳播速度為聲波在靜止大氣中的傳播速度與大氣中的氣流速度之和。設定聲波傳感器的固定距離,聲波在順風與逆風傳播時,各自具備不同的傳播時間。透過測得順風與逆風時的傳播時間差,即可得到氣流的速度。此類型的風速計可量測風速範圍較廣,極低風速及高風速皆適用。同時,亦能用用來量測氣流流動的方向(亦即風向)。

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螺旋槳風速計(Propeller anemometer)

螺旋槳風速計是以4片葉片組成的螺旋槳作為感測器,並將螺旋槳與類似飛機機身結構結合。當氣流經過螺旋槳感測器時,造成螺旋槳轉動。風速大小與螺旋槳的轉速有關。所以在風速量測的應用上,透過偵測螺旋槳轉速值,即可用來量測風速。此類型風速計除了使用螺旋槳量測風速,同時,機身具備指向風向的功能,可以用於風向量測。

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大氣環境檢測使用的風速計,常見的有風杯式風速計、超音波風速計及螺旋槳風速計。除了風速量測,亦能夠進行風向的量測。風杯式風速計需搭配風向儀(或稱風標),即可同步量測風速與風向,而超音波風速計與螺旋槳風速計,本身已具備風速與風向量測的功能。