CN102288779B - 一种高精度抗干扰超声波风速风向测量方法 - Google Patents

一种高精度抗干扰超声波风速风向测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度抗干扰超声波风速风向测量方法，采用八只具有超声波收发功能的超声波探头，高频与低频各四个，两两相对地设置构成二副低频超声波探头对TD12和TD34及二副高频超声波探头对TD56和TD78；分别获取各探头对中二探头接收到来自对方发送的超声波的传播时间；依据测量的传播时间，以及每个超声波探头对中面面相对的两个探头的间距，获求自然风的三维风速风向。本发明可以对测量三维的风速风向进行精确求算，选用两种频率的超声波进行风速风向的测量，提高了测风设备的抗干扰能力，能适用于恶劣环境条件下的全天候风速风向测量。

Description

一种高精度抗干扰超声波风速风向测量方法
技术领域
本发明涉及风速风向测量领域，具体涉及一种三维超声波风速风向仪及超声波三维测风方法。
背景技术
目前现有的风速风向仪主要包括机械式风速风向仪、热敏式风速风向仪以及超声波风速风向仪。其中，机械式风速风向仪存在活动的机械部件，对测量环境要求比较高，在沙尘或者低温结冰环境中无法正常工作，并且因活动部件磨损导致使用寿命短。此外，受机械结构及测量原理的限制，机械式风速风向仪的测量精度较低。
热敏式风速风向仪的基本原理将置于气流中的物体加热到一定温度，通过计算物体的热量损失来计算风速。这种热敏式风速风向仪受环境温度变化影响较大，只适用于温度变化慢的低风速测量，而且实际应用不多。
超声波测量风速风向没有活动的机械部件，具有适用于恶劣测量环境及测量结果准确等优点。但现有的超声波测风设备大都只针对平面的二维风速风向的测量，没有对三维的风速风向进行测量。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种三维的风速风向进行精确测量的方法。
本发明的目的通过如下手段来实现。
一种高精度抗干扰超声波风速风向测量方法，采用八只具有超声波收发功能的超声波探头，高频与低频各四个，两两相对地设置构成二副低频超声波探头对TD12和TD34及二副高频超声波探头对TD56和TD78；分别获取各探头对中二探头接收到来自对方发送的超声波的传播时间；依据测量的传播时间，以及每个超声波探头对中面面相对的两个探头的间距，获求自然风的三维风速风向。
现有技术相比，本发明利用超声波技术进行风速风向的测量，没有活动的机械部件，受环境的影响很小，可以适用于沙尘及低温结冰环境下的全天候的稳定可靠的风速风向的测量。此外，选用两种频率的超声波进行风速风向的测量，还可以提高测风设备的抗干扰能力，当在低频超声波波段存在干扰时，可以只选用高频超声波探头进行风速风向的测量；同时，当在高频超声波波段存在干扰时，可以只选用低频超声波探头进行风速风向的测量。与现有超声波测风方法相比，本发明能同时保证各种风速条件下的风速风向的测量精度，并提高测风设备的抗干扰能力。此外，本发明还公布了使用气压对所测风速风向进行修正的一种方法，使得所测风速风向可以转换为标准大气压强下的标准风速风向，使得测风设备可以更有效的应用于风电行业等同样关心风速风向与气压的领域。
附图说明如下：
图1是本发明提供的原理框图；
图2是本发明提供的超声波探头的第一种安装示意图；
图3是本发明提供的超声波探头的第二种安装示意图；
图4是本发明提供的新型带气压修正的高精度超声波测量风速风向的方法的流程图；
图5是本发明提供的一次测量超声波在两对相对的探头之间传播的时间的流程图；
图6是本发明提供的一次测量大气气压的流程图；
图7是本发明提供的低频超声波探头发射与接收超声波的波形示意图；
图8是本发明提供的高频超声波探头发射与接收超声波的波形示意图；
图9是本发明提供的利用气压传感器进行气压测量的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。但是应该强调的是，下面的实施方式只是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用。
图1是本发明提供的新型带气压修正的高精度超声波测量风速风向的方法的硬件组成原理框图。图1中四个低频的超声波探头组成一个测量单元，利用低频超声波测量风速风向；四个高频的超声波探头组成另一个测量单元，利用高频超声波测量风速风向；超声波驱动及接收信号处理电路负责驱动八个超声波探头，并将八个超声波探头接收到的弱信号进行放大滤波等处理；气压传感器负责大气压强的测量；气压驱动电路与气压传感器匹配，驱动气压传感器；中央处理单元控制超声波驱动及接收信号处理电路与气压驱动电路的工作，并对采集到的信号进行处理，得到低频超声波测量的风速风向、高频超声波测量的风速风向、气压、标准大气压强下的风速风向等数据，并根据要求输出相应数据。
图2是本发明提供的超声波探头的第一种安装示意图。低频超声波探头对TD12和TD34在同一水平面呈正交设置；所述高频超声波探头对TD56和TD78亦以同样的方式与低频超声波探头呈45度交替分布。图2中，第一、第二、第三与第四超声波探头为低频超声波探头，第五、第六、第七与第八超声波探头为高频超声波探头。第一超声波探头与第二超声波探头相对成180度安装，第三超声波探头与第四超声波探头相对成180度安装，同一频率的超声波探头对中面面相对的两个探头的间距相等。第一超声波探头与第二超声波探头的间距和第三超声波探头与第四超声波探头的间距相等。第五超声波探头与第六超声波探头相对成180度安装，第七超声波探头与第八超声波探头相对成180度安装，且第五超声波探头与第六超声波探头的间距和第七超声波探头与第八超声波探头的间距相等。八个超声波探头均匀分布于同一水平面的八个方向。
图3是本发明提供的超声波探头的第二种安装示意图。低频超声波探头对TD12和TD34在同一水平面呈正交设置；所述高频超声波探头对TD56和TD78亦以同样的方式与低频超声波探头对叠合分布。
图3中，第一、第二、第三与第四超声波探头为低频超声波探头，第五、第六、第七与第八超声波探头为高频超声波探头。第一超声波探头与第二超声波探头相对成180度安装，第三超声波探头与第四超声波探头相对成180度安装，且第一超声波探头与第二超声波探头的间距和第三超声波探头与第四超声波探头的间距相等。第五超声波探头与第六超声波探头相对成180度安装，第七超声波探头与第八超声波探头相对成180度安装，且第五超声波探头与第六超声波探头的间距和第七超声波探头与第八超声波探头的间距相等。八个探头低频与高频一组，均匀分布于同一水平面的四个方向。
在此需要指出的是图2与图3给出的安装图只是仅为本发明给出较佳的两种安装示意图，任何在不改变本发明原理的前提下所做的改变均涵盖在本发明的保护范围内。例如低频超声波探头对TD12和TD34与高频超声波探头对TD56和TD78可不在同一安装平面，超声波探头如果倾斜安装时，需要提供一个反射超声波的物理平面，使得相对的两对探头可以收到对方发送的超声波信号。
下面结合图1、图2、图3与图4来阐述本新型带气压修正的高精度超声波测量风速风向的方法，具体包括以下操作步骤：
步骤1：用TD12内相对成180度的第一超声波收发装置（低频）和第二超声波收发装置（低频）分别测量接收到来自于对方发送的超声波的传播时间T12和T21；
步骤2：用TD34内相对成180度的第三超声波收发装置（低频）和第四超声波收发装置（低频）分别测量接收到来自于对方发送的超声波的传播时间T34和T43；
步骤3：用TD56内相对成180度的第五超声波收发装置（高频）和第六超声波收发装置（高频）分别测量接收到来自于对方发送的超声波的传播时间T56和T65；
步骤4：用TD78内相对成180度的第七超声波收发装置（高频）和第八超声波收发装置（高频）分别测量接收到来自于对方发送的超声波的传播时间T78和T87；
步骤5：利用气压传感器测量大气气压；
步骤6：根据测量到的延时T12、T21、T34、T43、T56、T65、T78与T87，以及每两对相对收发装置间的距离分别计算出使用低频超声波时的风速与风向与使用高频超声波时的风速与风向；
步骤7：当两组风速有一个小于某一阀值风速时选用低频超声波时测量的风速与风向，当两组风速都大于某一阀值风速时选用高频超声波时测量的风速与风向；
步骤8：根据测量到的大气气压与上一步中的风速风向数据，计算出标准大气压强下的绝对风速风向；
步骤9：输出风速风向根据实际需求选用利用大气气压修正前或者修正后的风速风向。
其中，一次测量超声波在两对相对的探头之间传播时间的流程图见图5；测量大气气压的流程图见图6。流程图中的时间仅供参考，具体可以根据实际调试情况而定。
在空气中传播的超声波因扩散、散射及吸收等会引发衰减，衰减系数                                                
Figure 790242DEST_PATH_IMAGE001
按Kirchoff理论为：
Figure 2011101235496100002DEST_PATH_IMAGE002
其中式中w为超声波角频率，C为声速，
Figure 513348DEST_PATH_IMAGE003
为介质的黏滞系数，
Figure 2011101235496100002DEST_PATH_IMAGE004
为介质的密度，为介质的比热容比，K为介质的热传导系数，
Figure 2011101235496100002DEST_PATH_IMAGE006
为介质的比定容热容。2O℃时的空气中超声波的衰减系数
Figure 415762DEST_PATH_IMAGE001
为：
Figure 682795DEST_PATH_IMAGE007
在空气中传播的超声波，其衰减与超声波频率的平方成反比，因此在选用超声波进行测量时超声波频率越低越好。但考试到风速风向的测量精度，超声波频率却是越高越好。因此在低风速条件下，选用高频超声波较好；在高风速条件下，选用低频超声波较好。此外，选用两种频率的超声波进行风速风向的测量，还可以提高测风设备的抗干扰能力，当在低频超声波波段存在干扰时，可以只选用高频超声波探头进行风速风向的测量；同时，当在高频超声波波段存在干扰时，可以只选用低频超声波探头进行风速风向的测量。
在实际应用中，本发明先用100KHz与400KHz频率的超声波探头组合，进行风速风向的精确测量。图7为100KHz频率的超声波探头发射与接收超声波的波形示意图。图8为400KHz频率的超声波探头发射与接收超声波的波形示意图。图9为利用气压传感器进行气压测量的波形示意图。
本发明实施例的描述仅具有简要介绍的意义，在实际应用中，采用本发明的基本方法，可以依据实际情况作一些常规的变换或更替，例如：低频的两对相对的探头的间距（d1、d2）相等且均为d1，高频的两对相对的探头的间距（d3、d4）相等且均为d3，d1与d3可以相等也可以不相等。
超声波测量风速风向的方法采用了一个气压传感器测量大气气压，并用所测量的大气气压对所测量的风速值进行修正，将风速转换为标准大气压下的绝对风速。所述超声波测量风速风向的方法采用的气压传感器安装于避风处。

Claims (5)

1.一种高精度抗干扰超声波风速风向测量方法，采用八只具有超声波收发功能的超声波探头，高频与低频各四个，两两相对地设置构成二副低频超声波探头对TD12和TD34及二副高频超声波探头对TD56和TD78；分别获取各探头对中二探头接收到来自对方发送的超声波的传播时间；依据测量的传播时间，以及每个超声波探头对中面面相对的两个探头的间距，获求自然风的三维风速风向；
所述分别获取各探头对中二探头接收到来自对方发送的超声波的传播时间包含包括如下步骤：
1）、用TD12的二超声波探头相互测量接收到来自于对方发送的超声波的传播时间T12和T21；
2）、用TD34的二超声波探头相互测量接收到来自于对方发送的超声波的传播时间T34和T43；
3）、用TD56的二超声波探头相互测量接收到来自于对方发送的超声波的传播时间T56和T65；
4）、用TD78的二超声波探头相互测量接收到来自于对方发送的超声波的传播时间T78和T87；
5）、利用气压传感器测量大气气压；
6）、根据测量到的延时T12、T21、T34、T43、T56、T65、T78与T87，以及每个超声波探头对中面面相对的两个探头的间距分别计算出使用低频超声波时的风速与风向与使用高频超声波时的风速与风向；
7）、当两组风速有一个小于某一阀值风速时选用低频超声波时测量的风速与风向，当两组风速都大于某一阀值风速时选用高频超声波时测量的风速与风向；
8）、根据测量到的大气气压与上一步中的风速风向数据，计算出标准大气压强下的绝对风速风向；
9）、输出风速风向根据实际需求选用利用大气气压修正前或者修正后的风速风向。
2.根据权利要求1所述之高精度抗干扰超声波风速风向测量方法，其特征在于，所述低频超声波探头对TD12和TD34在同一水平面呈正交设置；所述高频超声波探头对TD56和TD78亦以同样的方式与低频超声波探头对叠合分布。
3.根据权利要求1所述之高精度抗干扰超声波风速风向测量方法，其特征在于，所述低频超声波探头对TD12和TD34在同一水平面呈正交设置；所述高频超声波探头对TD56和TD78亦以同样的方式与低频超声波探头呈45度交替分布。
4.根据权利要求3所述之高精度抗干扰超声波风速风向测量方法，其特征在于，所述低频超声波探头对TD12和TD34与高频超声波探头对TD56和TD78可不在同一安装平面。
5.根据权利要求1所述之高精度抗干扰超声波风速风向测量方法，其特征在于，同一频率的超声波探头对中面面相对的两个探头的间距相等。
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