日本推广应用超声技术测量风速和风向

本周冷空气“长驻”北京，驱散了多日雾霾，带给北京市民期盼许久的好空气。随着这场三四级的小北风光顾京城，也带来了日本关于超声测量风向风速的最新消息：日本将于2016年在各级政府推广使用超声波高精度测量风向和风速的装置。这个举措也让日本风速和风向监测的统计间隔缩小到0.25秒。超声波测量风速和风向？似乎听着有点意外，因为我们在电线杆上频繁看到的还是下面的这种小风车
事实上，根据超声波流体测量的基本原理，利用超声波在流体中传播时所载流体的流动信息，可以实现多种流体流动状态的测量，这种流体包括了水、油、空气等介质，而超声波测量风速和风向是超声波检测技术在气体介质中的一种应用。这种技术是利用超声波在空气中传播速度受空气流动的影响来测量风速的，与常规的风杯或旋翼式风速仪相比这种测量方法的最大特点在于缩短了测量的间隔时间。另外，利用超声波的整套测风系统没有任何机械转动部件，不仅性能稳定，使用寿命长，而且属于无惯性测量，能够准确测量自然风中阵风脉动的高频成分，可以在更高层次上揭示自然风的特性，对于提高抗风减灾能力以及对风资源的合理利用有重大意义。
下面来具体介绍超声波测量风速的基本原理：超声波在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速线性对应，这样就能通过简单计算得到精确的风速和风向。另外，超声风速仪由于检测两个通道上的两个相反方向，故而抵消了超声波在空气中传播时受温度影响较大的因素，因此温度对超声风速仪的影响可以忽略不计。
本次日本政府预采用的是日本横河电机公司开发的超声波高精度测量风向和风速的装置，该公司于今年12月份在日本东京国际会展中心举行的“日本系统控制展2015/计测展2015 TOKYO”上展示了该装置。这套装置配备3个机械臂，每个机械臂的顶端都具备发送和检测超声波的功能。超声波的速度会随着机械臂顶端空间流过的风的速度和方向而变化，根据这一变化可测量瞬时风速和风向。目前，这套系统已经完全符合日本气象厅的规定，可以每0.25秒测量一次数据，输出值取多个测量数据的平均值。
我们知道，日本是个气候灾害多发的国家，一向具有忧患意识，这次大幅度提高风速测量的精度和响应时间，也是希望提高抗灾减害的能力。对于超声测速技术，我国在科研实验方面相对日本来说丝毫不差，甚者很多方面还是超越的，但是一旦到市场应用，包括我们的政策配套，始终还存在一个较大的差距，我们诸多的国家标准相对落后以及政府的采购滞后也是相对严重的。但是随着国家对创新创业的政策支持，这个领域相信也会向更多创业者开放。