CN101750516A

CN101750516A - 一种测风仪和测量风速风向的方法

Info

Publication number: CN101750516A
Application number: CN200910260086A
Authority: CN
Inventors: 张彪; 张铁兵; 刘晓枫; 樊晓华
Original assignee: BEIJING HAN ENERGY TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: China Electric Technology Group Chongqing acoustic photoelectric Co., Ltd.
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: CN101750516B

Abstract

本发明公开了一种测风仪，在控制计算模块的控制下，通过超声波模块完成电信号与超声波信号的转换并发送超声波信号，测量超声波信号在空气中传播预设距离所需要的传播时间，按照工作状态轮换规则控制超声波模块的工作状态，在不同工作状态下的超声波传播方向不同，测量不同工作状态的传播时间，根据其计算获得风速和风向的测量值。本发明还公开了一种测量风速风向的方法。采用本发明的测风仪和测量风速风向的方法，采用超声波对风速和风向进行测量，避免了外界环境对测量结果的影响，提高了测量结果的准确度。

Description

一种测风仪和测量风速风向的方法

技术领域

本发明涉及风速风向测量技术领域，特别是涉及一种测风仪以及一种测量风速风向的方法。

背景技术

目前，在测量风速风向时所采用的测风仪主要包括两种，即：机械式测风仪和热敏式测风仪。

机械式测风仪的原理是：通过风力带动叶轮转动，将叶轮转动的角速度或叶轮的转数转化为电信号，根据该电信号测算出风速。由于机械式测风仪不能密封，因此对测量环境存在很高的要求，例如：在沙尘环境中叶轮无法正常工作，在低温环境中很容易结冰而导致叶轮无法转动。因此，机械式测风仪的应用范围受到限制，在恶劣环境中无法使用。

热敏式测风仪的原理是：将物体加热到一定温度后置于气流中，测量被加热物体的温度，通过计算被加热物体的热量损失来计算风速。由于热敏式测风仪直接测量的物理量为温度，因此风速和风向的测量结果很容易受到外界环境温度的影响，测量准确性差。

总之，现有的测风仪及测量风速风向的方法准确度不高，且受到外界环境的影响较大，这大大限制了测风仪的应用范围和测量的准确性。

发明内容

本发明提供了一种测风仪，该测风仪具有较高的测量准确度，且不受外界环境的影响。

本发明还提供了一种测量风速风向的方法，该方法具有较高的测量准确度，且不受外界环境的影响。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种测风仪，包括：超声波模块、控制计算模块和输出模块；

超声波模块，包括：测量腔和至少三个传感器；其中，各传感器之间的距离为预设值，测量腔内的空气与待测环境的空气连通，所述传感器发送的超声波信号在测量腔内传播；

超声波模块在控制计算模块的控制下确定工作状态；在超声波模块的每一种工作状态下，只有两个传感器分别处于发送状态和接收状态，其余传感器均处于空闲状态；超声波模块接收来自控制计算模块的第一电信号，处于发送状态的传感器将第一电信号转换成超声波信号并发送到测量腔内的空气中；处于接收状态的传感器接收在测量腔内的空气中传播的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换成第二电信号传送给控制计算模块；

控制计算模块，按照预设的工作状态轮换规则控制超声波模块在不同的工作状态之间进行转换，其中，超声波模块处于不同工作状态下所发送并接收的超声波的传播方向不同；向超声波模块发送第一电信号，接收来自超声波模块的第二电信号，根据第一电信号的发送时间和第二电信号的接收时间计算并记录传播时间；根据处于发送状态的传感器与处于接收状态的传感器之间距离的预设值确定传播距离；根据不同工作状态下的传播时间以及传播距离计算风速和风向的测量结果；

输出模块，将控制计算模块提供的风速和风向的测量结果输出。

所述传感器的个数为三个，且各传感器之间的距离相等。

所述控制计算模块包括：中央处理器、传感器控制单元、信号发生单元、信号接收单元和时钟单元；

中央处理器，根据时钟单元提供的时钟信息，按照预设的工作状态轮换规则向传感器控制单元发送传感器状态指示；所述工作状态轮换规则为：在一个时钟周期内，一个传感器处于发送状态，一个传感器处于接收状态，其余传感器均处于空闲状态，在多个时钟周期内，每个传感器在发送状态、接收状态与空闲状态之间轮换；在每一个时钟周期内，中央处理器控制信号发生单元产生一个第一电信号，从信号接收单元接收一个第二电信号，根据每个时钟周期内第一电信号的发送时间和第二电信号的接收时间计算并记录传播时间；根据处于发送状态的传感器和处于接收状态的传感器之间的距离预设值确定传播距离；根据预定个数的不同工作状态下的传播时间以及传播距离，计算出风速和风向的测量结果；

传感器控制单元，根据来自中央处理器的传感器状态指示，控制每个传感器处于发送状态、接收状态或空闲状态；

信号发生单元，包括信号发生器，用于在中央处理器的控制下产生电信号，该电信号作为第一电信号发送给超声波模块；

信号接收单元，包括信号采集器，用于从超声波模块接收第二电信号并传送给中央处理器；

时钟单元，向中央处理器提供时钟信息。

所述控制计算模块计算风速和风向的方法是：

通过

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)}

与

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)}

2式联立，解得v_f和θ；

其中，t₁、t₂分别表示在2个不同的工作状态下的超声波的传播时间；L表示超声波的传播距离；v_c表示超声波的速度；v_f表示风速值；θ表示风向与任意指定方向的夹角；f₁(θ)、f₂(θ)分别表示在2个不同的工作状态下的风向的影响因素；

或，

通过

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)},

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)},

t_{3} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{3} (θ)}

与

t_{4} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{4} (θ)}

4式联立，消除v_c并解得v_f和θ；

其中，t₁、t₂、t₃、t₄分别表示在4个不同的工作状态下的超声波的传播时间；L表示超声波的传播距离；v_c表示超声波的速度；v_f表示风速值；θ表示风向与任意指定方向的夹角；f₁(θ)、f₂(θ)、f₃(θ)、f₄(θ)分别表示在4个不同的工作状态下的风向的影响因素。

所述信号发生单元进一步包括：第一信号放大器，对信号发生器产生的电信号进行放大后作为第一电信号传送给超声波模块；

所述信号接收单元进一步包括：

第二信号放大器，对信号采集器接收的第二电信号进行放大后传送给信号滤波器；

信号滤波器，接收经过第二信号放大器放大后的第二电信号，进行滤波和整形后传送给中央处理器。

所述测风仪进一步包括：输出保护模块和电源模块；

所述输出保护模块，与输出模块相连，对输出模块进行电压、电流和/或隔离保护；

所述电源模块，连接超声波模块、控制计算模块、输出模块和外部电源，为超声波模块、控制计算模块和输出模块提供电源；

或，

所述测风仪进一步包括：输出保护模块、电源模块和电源保护模块；

所述电源模块，连接超声波模块、控制计算模块、输出模块和电源保护模块，为超声波模块、控制计算模块和输出模块提供电源；

所述电源保护模块，连接外部电源和电源模块，对电源模块进行过压保护和/或过流保护，将外部电源的电压和/或电流变换到安全阈值后输送给电源模块。

所述测风仪进一步包括：

温度采集模块，用于测量测风仪的温度，并将测量温度发送给中央处理器；

加热模块，根据中央处理器的控制，对所述测风仪进行加热；

所述中央处理器中预设阈值温度，中央处理器对温度采集模块提供的测量温度与预设的阈值温度进行比较，当测量温度低于阈值温度时控制加热模块开始加热，当测量温度高于阈值温度时控制加热模块停止加热；

所述电源模块为温度采集模块和加热模块提供电源。

本发明还公开了一种测量风速风向的方法，控制计算模块利用包括测量腔和至少三个传感器的超声波模块实现风速和风向的测量，其中，各传感器之间的距离为预设值，测量腔内的空气与待测环境的空气连通，该方法包括：

控制计算模块根据预设的工作状态轮换规则确定超声波模块的工作状态；其中，在超声波模块的每一种工作状态下，只有两个传感器分别处于发送状态和接收状态，其余传感器均处于空闲状态；超声波模块处于不同工作状态下所发送并接收的超声波的传播方向不同；

控制计算模块生成第一电信号，将第一电信号发送给超声波模块，记录第一电信号的发送时间，超声波模块中处于发送状态的传感器将第一电信号转换成超声波信号并发送到测量腔内的空气中；超声波信号在测量腔内的空气中传播；超声波模块中处于接收状态的传感器接收在测量腔内的空气中传播的超声波信号并转换为第二电信号，将第二电信号传送给控制计算模块，控制计算模块记录第二电信号的接收时间；

控制计算模块根据第一电信号的发送时间和第二电信号的接收时间计算并记录传播时间，根据处于发送状态的传感器与处于接收状态的传感器之间距离的预设值确定并记录传播距离；

控制计算模块根据不同工作状态下的传播时间以及传播距离计算风速和风向的测量结果。

在所述生成第一电信号之后，并在将第一电信号发送给超声波模块之前，该方法进一步包括：对生成的第一电信号进行放大处理；

和/或，

在所述接收超声波信号并转换为第二电信号之后，并在将第二电信号传送给控制计算模块之前，该方法进一步包括：对转换的第二电信号进行放大处理；或，对转换的第二电信号进行放大处理，并对放大后的第二电信号进行滤波和整形处理。

所述计算风速和风向的的测量结果方法是：

通过

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)}

与

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)}

2式联立，解得v_f和θ；

或，

通过

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)},

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)},

t_{3} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{3} (θ)}

与

t_{4} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{4} (θ)}

4式联立，消除v_c并解得v_f和θ；

根据以上发明内容可见，本发明提出的测风仪和测量风速风向的方法，在控制计算模块的控制下，通过超声波模块完成电信号与超声波信号的转换并发送超声波信号，测量超声波信号在空气中传播预设距离所需要的传播时间，按照工作状态轮换规则控制超声波模块的工作状态，在不同的工作状态下超声波的传播方向不同，测量不同工作状态的传播时间，根据其计算获得风速和风向的测量值。采用本发明的测风仪和测量风速风向的方法，利用超声波对风速和风向进行测量，因为超声波在沙尘或低温的环境中仍然能够正常传播，避免了外界环境对测量结果的影响。并且，本发明提出测量4个不同工作状态下的传播时间，在计算风速和风向时不需要以超声波的速度为计算依据，进一步消除了传感器的差异对测量结果的影响，提高了测量结果的准确度。并且本发明提出的测风仪因为不存在转动部件，所以有效的降低了故障率。

附图说明

图1为本发明第一较佳实施例的测风仪的结构示意图；

图2为本发明第一较佳实施例的超声波模块11的结构示意图；

图3为本发明第一较佳实施例的超声波模块11的俯视图；

图4为本发明第一较佳实施例的控制计算模块12的结构示意图；

图5为本发明第二较佳实施例的测风仪的结构示意图；

图6为本发明第三较佳实施例的测量风速风向的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：利用风速和风向对超声波的传输的影响，通过测量超声波在不同方向上传播预设距离所需要的传播时间来推算出风速和风向。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明提出了一种测风仪，采用超声波对风速风向进行测量。图1为本发明第一较佳实施例的测风仪的结构示意图，如图1所示，该测风仪包括：超声波模块11和控制计算模块12，还可以包括输出模块13和电源模块14。

其中，超声波模块11包括测量腔和至少三个传感器。各个传感器之间的距离为预设值。测量腔内的空气与待测环境的空气连通，供超声波信号传播。超声波模块11在控制计算模块12的控制下确定工作状态，即：确定超声波模块11的每个传感器分别处于发送状态、接收状态或空闲状态，在超声波模块的每一种工作状态下，只有两个传感器分别处于发送状态和接收状态，其余传感器均处于空闲状态。超声波模块11接收来自控制计算模块12的第一电信号，处于发送状态的传感器将第一电信号转换成超声波信号并发送到测量腔内的空气中，该超声波信号在测量腔内的空气中传播预设距离后，超声波模块11的处于接收状态的传感器接收在测量腔内的空气中传播预设距离后的超声波信号，并将该超声波信号转换成第二电信号传送给控制计算模块12。

控制计算模块12按照预设的工作状态轮换规则控制超声波模块11在不同的工作状态之间进行转换，超声波模块11处于不同工作状态下所发送并接收的超声波的传播方向不同。控制计算模块12向超声波模块11发送第一电信号，并且接收来自超声波模块11的第二电信号，根据第一电信号的发送时间和第二电信号的接收时间计算并记录超声波传播预设距离的传播时间，根据预定个数的不同工作状态下的传播时间以及传播距离计算风速和风向的测量结果，将风速和风向的测量结果传送给输出模块13。传播距离即处于发送状态的传感器与处于接收状态的传感器之间的距离，根据各个传感器之间的距离的预设值确定。

输出模块13将控制计算模块12提供的风速和风向的测量结果输出到测风仪外部，例如输出给计算机、显示器或打印机等。电源模块14连接外部电源，为超声波模块11、控制计算模块12和输出模块13提供电源。

图2为本发明第一较佳实施例的超声波模块11的结构示意图；图3为本发明第一较佳实施例的超声波模块11的俯视图。参见图2和图3，超声波模块11包括测量腔110和至少三个传感器，在本实施例中，以超声波模块11包括三个传感器为例，分别将这三个传感器标记为传感器111、传感器112和传感器113。测量腔110为圆柱形，其底面为圆形，测量腔110内的空气与待测环境的空气连通，供超声波信号传播，测量腔110可以选用该超声波信号对应的谐振腔，超声波信号在测量腔内谐振传播。传感器111、传感器112和传感器113均位于测量腔110的底面上并且俩俩之间的距离相等，即如图3所示，三个传感器分别位于一个等边三角形的三个顶点，任意两个传感器之间的距离均为等边三角形的边长，该等边三角形的边长即距离的预设值。在本实施例中，传感器111、传感器112和传感器113为圆形，其圆心分别位于等边三角形的三个顶点，任意两个圆心之间的距离均为等边三角形的边长。

本发明实施例中的超声波模块11，其传感器111、传感器112和传感器113是完全相同的传感器，发射出的超声波的波长相同。

控制计算模块12，按照预设的工作状态轮换规则控制超声波模块11的工作状态，即：控制超声波模块11的每个传感器处于发送状态、接收状态或空闲状态，在超声波模块的每一种工作状态下，只有两个传感器分别处于发送状态和接收状态，其余传感器均处于空闲状态，处于发送状态的传感器将来自控制计算模块12的第一电信号转换成超声波信号并发送到测量腔内的空气中，处于接收状态的传感器接收在测量腔内的空气中传播预设距离后的超声波信号，并将接收到的超声波信号转换成第二电信号后发送给控制计算模块12，处于空闲状态的传感器不进行任何操作。

控制计算模块12控制超声波模块11所采用的工作状态轮换规则为：在一个时钟周期内，一个传感器处于发送状态，另一个传感器处于接收状态，其余的传感器处于空闲状态；在多个时钟周期内，每个传感器在发送状态、接收状态与空闲状态之间轮换。超声波模块11处于不同工作状态下所发送并接收的超声波的传播方向不同。

图4为本发明第一较佳实施例的控制计算模块12的结构示意图。如图4所示，控制计算模块12包括：中央处理器120、时钟单元121、传感器控制单元122、信号发生单元123以及信号接收单元124。

中央处理器120根据时钟单元121提供的时钟信息，按照上述工作状态轮换规则，每一个时钟周期向传感器控制单元122发送一次传感器状态指示，用于指示每个传感器处于发送状态、接收状态或空闲状态；传感器控制单元122根据来自中央处理器120的传感器状态指示控制超声波模块11中的每个传感器处于发送状态、接收状态或空闲状态。在一个时钟周期内，传感器状态指示中，只有一个传感器处于发送状态，一个传感器处于接收状态，其余传感器均处于空闲状态；在多个时钟周期内，每个传感器在上述三种状态之间轮换。

在本实施例中，中央处理器120向传感器控制单元122发送传感器状态指示，分别指示传感器111、112和113的工作状态，一种较佳的轮换顺序是：

在第一个时钟周期内，传感器111处于发送状态，传感器112处于接收状态，传感器113处于空闲状态；

在第二个时钟周期内，传感器111处于发送状态，传感器113处于接收状态，传感器112处于空闲状态；

在第三个时钟周期内，传感器112处于发送状态，传感器111处于接收状态，传感器113处于空闲状态；

在第四个时钟周期内，传感器112处于发送状态，传感器113处于接收状态，传感器111处于空闲状态；

在第五个时钟周期内，传感器113处于发送状态，传感器111处于接收状态，传感器112处于空闲状态；

在第六个时钟周期内，传感器113处于发送状态，传感器112处于接收状态，传感器111处于空闲状态；

第七个时钟周期开始重复第一个时钟周期，各个传感器的状态按照此规律依次轮换。

中央处理器120根据时钟单元121提供的时钟信息，控制信号发生单元123在每一个时钟周期内产生一个第一电信号；信号发生单元123将产生的第一电信号发送给超声波模块11。一种优选的方式是，该第一电信号为方波。在每一个时钟周期内，信号接收单元124从超声波模块11接收一个第二电信号，并将接收到的第二电信号传送给中央处理器120。中央处理器120根据每个时钟周期内第一电信号的发送时间和第二电信号的接收时间计算并记录传播时间，根据预定个数的传播时间以及传播距离，计算出风速和风向的测量结果。

信号发生单元123至少包括信号发生器，信号发生器在中央处理器120的控制下产生电信号，将该电信号作为第一电信号发送给超声波模块11。一种较佳的实施方式是，为增强超声波模块11接收到的第一电信号的强度，信号发生单元123中进一步包括第一信号放大器，信号发生器产生的电信号首先进入第一信号放大器，经过第一信号放大器放大后的电信号作为第一电信号发送给超声波模块11。

信号接收单元124至少包括信号采集器，信号采集器从超声波模块11接收第二电信号并传送给中央处理器120。一种较佳的实施方式是，为增强中央处理器120接收到的第二电信号的强度和清晰度，信号接收单元124中进一步包括第二信号放大器和信号滤波器，信号采集器接收的第二电信号首先进入第二信号放大器，在第二信号放大器中进行放大后进入信号滤波器，信号滤波器对经过放大的第二电信号进行滤波和整形，然后再将其传送给中央处理器120。

在第一较佳实施例的测风仪结构的基础上，进一步提出包括电源保护模块51、温度采集模块52、加热模块53和输出保护模块54的测风仪的第二较佳实施例。图5为本发明第二较佳实施例的测风仪的结构示意图。在第一较佳实施例的测风仪结构的基础上，第二较佳实施例的测风仪可以仅增加电源保护模块51，或也可以仅增加温度采集模块52和加热模块53，或仅增加输出保护模块54，还可以同时增加电源保护模块51、温度采集模块52和加热模块53以及输出保护模块54中任意一组或几组模块的组合。

在第一较佳实施例的测风仪结构的基础上，为了保证供电安全，本发明第二较佳实施例提出的测风仪中还可以进一步包括：电源保护模块51，连接外部电源和电源模块14，用于对电源模块14进行保护处理，包括过压保护或过流保护，或既进行过压保护又进行过流保护，将外部电源的电压和/或电流变换到安全阈值后输送给电源模块14。

由于测风仪在使用时通常置于室外环境，如果在寒冷环境下测风仪结冰，则会影响正常测量，因此，为保证测风仪的正常工作，本发明第二较佳实施例提出的测风仪还可以进一步包括：温度采集模块52和加热模块53。温度采集模块52测量测风仪的温度，并将测量温度发送给控制计算模块12，在控制计算模块12中预设阈值温度，控制计算模块12对测量温度与阈值温度进行比较，当测量温度低于阈值温度时控制加热模块53开始加热，当测量温度高于阈值温度时控制加热模块53停止加热。加热模块53采用电加热，电源模块14进一步向温度采集模块52和加热模块53提供电源。

因为输出模块13与计算机、处理器、显示器、打印机等外部设备连接，当这些外部设备出现异常时，或者遇到雷击等自然灾害时，容易对输出模块13造成损害。为了保护输出模块13，测风仪中还可以进一步包括：输出保护模块54，输出保护模块54与输出模块13相连，对输出模块13进行电压、电流和/或隔离保护。

以上采用第一和第二较佳实施例介绍了本发明提出的测风仪的结构，下面举出第三较佳实施例，对采用上述测风仪测量风速风向的方法进行说明。图6为本发明第三较佳实施例的测量风速风向的方法的流程图。如图6所示，本发明实施例的测量风速风向的方法包括以下步骤：

步骤601：确定超声波传播的预设距离，确定超声波模块工作状态轮换规则，确定需要记录的传播时间的预定个数。

步骤602：控制计算模块根据工作状态轮换规则控制超声波模块的工作状态。其中，超声波模块包括测量腔和至少三个传感器，超声波模块的工作状态为：超声波模块中的每个传感器分别处于发送状态、接收状态或空闲状态；超声波模块处于不同工作状态下所发送并接收的超声波的传播方向不同。

步骤603：控制计算模块生成第一电信号，将第一电信号发送给超声波模块，记录第一电信号的发送时间，超声波模块中处于发送状态的传感器将第一电信号转换成超声波信号发送到测量腔内的空气中。

步骤604：超声波信号在测量腔内的空气中传播预设距离后，超声波模块中处于接收状态的传感器接收超声波信号并转换为第二电信号，将第二电信号传送给控制计算模块，控制计算模块记录第二电信号的接收时间。

步骤605：控制计算模块根据第一电信号的发送时间和第二电信号的接收时间计算并记录传播时间。

步骤606：控制计算模块判断记录的传播时间个数是否达到预定个数，如果是，执行步骤607，否则，返回步骤602。

步骤607：控制计算模块根据预定个数的传播时间以及预设距离计算风速和风向的测量结果，并将测量结果输出。

以下仍以第一较佳实施例中所述的一种较佳的工作状态轮换顺序作为一个具体实施例，来说明风速和风向的具体计算方法。

第一种计算方法是：

在第一个时钟周期内，传感器111处于发送状态，传感器112处于接收状态，传感器113处于空闲状态，在此周期内计算出的传播时间以t₁表示；

在第二个时钟周期内，传感器111处于发送状态，传感器113处于接收状态，传感器112处于空闲状态，在此周期内计算出的传播时间以t₂表示。

并且，以L表示传感器111、传感器112、传感器113中任意两者之间的距离，即超声波传播的预设距离；将传感器111、传感器112、传感器113所发出的超声波的速度视为恒定的标准声速，以v_c表示；以θ表示待计算的风向与任意指定方向的夹角，例如θ表示风向与正东方向的夹角，风向在风速计算中的影响因素以函数f(θ)表示，因为不同时钟周期中超声波的传播方向不同，将第一个时钟周期和第二个时钟周期内的风向的影响因素分别表示为f₁(θ)、f₂(θ)，即风向在超声波传播方向上的投影，例如，风向与正东方向的夹角为θ，第一个时钟周期内超声波的传播方向为正东方向，则f₁(θ)＝cosθ，；以v_f表示待计算的风速值。

根据测量获得的t₁和t₂可知：

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)}

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)}

在以上2式中，t₁、t₂、L、v_c均为已知量，v_f和θ为两个未知量，由以上两个二元一次方程组成方程组，即能够计算得出风速v_f以及风向与任意指定方向的夹角θ。采用第一种计算方法时，传播时间的预定个数为2个。

在第一种计算方法中，将各个时钟周期的超声波的速度v_c视为恒定的标准声速值，但是在实际测量中，由于传感器的差异，产生的超声波的速度v_c有可能与恒定的标准声速存在差异，为使测量更加准确，本发明提出第二种风速与风向的计算方法，在第二中计算方法中，计算结果不受超声波的速度v_c的影响。

第二种计算方法是：

在第二个时钟周期内，传感器111处于发送状态，传感器113处于接收状态，传感器112处于空闲状态，在此周期内计算出的传播时间以t₂表示；

在第三个时钟周期内，传感器112处于发送状态，传感器111处于接收状态，传感器113处于空闲状态，在此周期内计算出的传播时间以t₃表示；

在第四个时钟周期内，传感器112处于发送状态，传感器113处于接收状态，传感器111处于空闲状态，在此周期内计算出的传播时间以t₄表示。

并且，以L表示传感器111、传感器112、传感器113中任意两者之间的距离，即超声波的传播距离；以θ表示待计算的风向与任意指定方向的夹角，例如θ表示风向与正东方向的夹角，风向在风速计算中的影响因素以函数f(θ)表示，因为不同时钟周期中超声波的传播方向不同，将上述各个时钟周期内风向的影响因素分别表示为f₁(θ)、f₂(θ)、f₃(θ)和f₄(θ)；以v_f表示待计算的风速值。

根据测量获得的t₁、t₂、t₃和t₄可知：

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)}

(1)式

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)}

(2)式

t_{3} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{3} (θ)}

(3)式

t_{4} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{4} (θ)}

(4)式

将(1)式与(2)式联立，得到

\frac{L}{t_{1}} - v_{f} f_{1} (θ) = \frac{L}{t_{2}} - v_{f} f_{2} (θ)

(5)式

将(3)式与(4)式联立，得到

\frac{L}{t_{3}} - v_{f} f_{3} (θ) = \frac{L}{t_{4}} - v_{f} f_{4} (θ)

(6)式

在(5)式和(6)式中，t₁、t₂、t₃、t₄和L均为已知量，v_f和θ为两个未知量，由以上两个二元一次方程组成方程组，即能够计算得出风速v_f以及风向与任意指定方向的夹角θ。

由此可见，采用第二种计算方法，根据以上(1)至(4)式，能够消除v_c对计算结果的影响，计算得出风速v_f以及风向与预先任意指定的方向的夹角θ。采用第二种计算方法计算出的风速和风向更加准确。根据第二种计算方法，此种方法中风速测量中传播时间的预定个数为4个。

在上述第一、第二和第三较佳实施例中，均以超声波模块11的传感器个数为3为例予以说明。在实际的测量中，超声波模块11的传感器个数还可以大于3个。在测量风速风向时，传感器个数大于3个的情况与上述实施例中3个传感器的情况相同，确定超声波模块11的工作状态时，发送状态、接收状态、空闲状态在所有的传感器之间轮换，在超声波模块11的不同工作状态下，发送并接收的超声波的传播方向不同，仍然根据预定个数的不同工作状态的传播时间计算得到风速和风向的测量值。

根据以上具体实施方式可见，本发明提出的测风仪和测量风速风向的方法，在控制计算模块的控制下，通过超声波模块完成电信号与超声波信号的转换并发送超声波信号，测量超声波信号在空气中传播预设距离所需要的传播时间，按照工作状态轮换规则控制超声波模块的工作状态，不同的工作状态下的超声波的传播方向不同，测量不同工作状态的传播时间，根据其计算获得风速和风向的测量值。采用本发明的测风仪和测量风速风向的方法，采用超声波对风速和风向进行测量，因为超声波在沙尘或低温的环境中仍然能够正常传播，避免了外界环境对测量结果的影响。

本发明在测风仪中加入了温度采集模块和加热模块，在低温环境中可以对测风仪进行加热处理，进一步增强了测风仪抵御低温环境干扰的能力。并且，本发明提出测量4个不同工作状态的传播时间，在计算时不需要以超声波的速度为计算依据，进一步消除了传感器差异造成的影响，提高了测量结果的准确度。并且本发明提出的测风仪因为不存在转动部件，所以有效的降低了故障率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种测风仪，其特征在于，包括：超声波模块、控制计算模块和输出模块；

2.根据权利要求1所述的测风仪，其特征在于，所述传感器的个数为三个，且各传感器之间的距离相等。

3.根据权利要求1所述的测风仪，其特征在于，所述控制计算模块包括：中央处理器、传感器控制单元、信号发生单元、信号接收单元和时钟单元；

时钟单元，向中央处理器提供时钟信息。

4.根据权利要求1或3述的测风仪，其特征在于，所述控制计算模块计算风速和风向的方法是：

通过

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)}

与

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)}

2式联立，解得v_f和θ；

或，

通过

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)},

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)},

t_{3} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{3} (θ)}

与

t_{4} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{4} (θ)}

4式联立，消除v_c并解得v_f和θ；

5.根据权利要求3述的测风仪，其特征在于，

所述信号接收单元进一步包括：

6.根据权利要求1所述的测风仪，其特征在于，

所述测风仪进一步包括：输出保护模块和电源模块；

或，

7.根据权利要求3所述的测风仪，其特征在于，所述测风仪进一步包括：

所述电源模块为温度采集模块和加热模块提供电源。

8.一种测量风速风向的方法，其特征在于，控制计算模块利用包括测量腔和至少三个传感器的超声波模块实现风速和风向的测量，其中，各传感器之间的距离为预设值，测量腔内的空气与待测环境的空气连通，该方法包括：

9.根据权利要求8所述的测量风速风向的方法，其特征在于，

和/或，

10.根据权利要求8或9所述的测量风速风向的方法，其特征在于，所述计算风速和风向的的测量结果方法是：

通过

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)}

与

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)}

2式联立，解得v_f和θ；

或，

通过

t_{1} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{1} (θ)},

t_{2} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{2} (θ)},

t_{3} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{3} (θ)}

与

t_{4} = \frac{L}{v_{c} + v_{f} f_{4} (θ)}

4式联立，消除v_c并解得v_f和θ；