日本推廣應用超聲技術測量風速和風向

本周冷空氣“長駐”北京，驅散了多日霧霾，帶給北京市民期盼許久的好空氣。隨著這場三四級的小北風光顧京城，也帶來了日本關于超聲測量風向風速的最新消息：日本將于2016年在各級政府推廣使用超聲波高精度測量風向和風速的裝置。這個舉措也讓日本風速和風向監測的統計間隔縮小到0.25秒。超聲波測量風速和風向？似乎聽著有點意外，因為我們在電線桿上頻繁看到的還是下面的這種小風車
事實上，根據超聲波流體測量的基本原理，利用超聲波在流體中傳播時所載流體的流動信息，可以實現多種流體流動狀態的測量，這種流體包括了水、油、空氣等介質，而超聲波測量風速和風向是超聲波檢測技術在氣體介質中的一種應用。這種技術是利用超聲波在空氣中傳播速度受空氣流動的影響來測量風速的，與常規的風杯或旋翼式風速儀相比這種測量方法的最大特點在于縮短了測量的間隔時間。另外，利用超聲波的整套測風系統沒有任何機械轉動部件，不僅性能穩定，使用壽命長，而且屬于無慣性測量，能夠準確測量自然風中陣風脈動的高頻成分，可以在更高層次上揭示自然風的特性，對于提高抗風減災能力以及對風資源的合理利用有重大意義。
下面來具體介紹超聲波測量風速的基本原理：超聲波在空氣中的傳播速度，會和風向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風向相同，它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風向相反，它的速度會變慢。因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風速線性對應，這樣就能通過簡單計算得到精確的風速和風向。另外，超聲風速儀由于檢測兩個通道上的兩個相反方向，故而抵消了超聲波在空氣中傳播時受溫度影響較大的因素，因此溫度對超聲風速儀的影響可以忽略不計。
本次日本政府預采用的是日本橫河電機公司開發的超聲波高精度測量風向和風速的裝置，該公司于今年12月份在日本東京國際會展中心舉行的“日本系統控制展2015/計測展2015 TOKYO”上展示了該裝置。這套裝置配備3個機械臂，每個機械臂的頂端都具備發送和檢測超聲波的功能。超聲波的速度會隨著機械臂頂端空間流過的風的速度和方向而變化，根據這一變化可測量瞬時風速和風向。目前，這套系統已經完全符合日本氣象廳的規定，可以每0.25秒測量一次數據，輸出值取多個測量數據的平均值。
我們知道，日本是個氣候災害多發的國家，一向具有憂患意識，這次大幅度提高風速測量的精度和響應時間，也是希望提高抗災減害的能力。對于超聲測速技術，我國在科研實驗方面相對日本來說絲毫不差，甚者很多方面還是超越的，但是一旦到市場應用，包括我們的政策配套，始終還存在一個較大的差距，我們諸多的國家標準相對落后以及政府的采購滯后也是相對嚴重的。但是隨著國家對創新創業的政策支持，這個領域相信也會向更多創業者開放。