CN102323443A - 超声波风向风速仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波风向风速仪，包括测量控制系统以及第一、第二两组超声波探头，测量控制系统中风向风速测量单元根据超声波在第一、第二两组超声波探头之间的传输时间获得当前的风向和风速实时信号，底座的顶面上固定设有固定座，固定座包括上、下相对设置的上、下圆盘，四根立管的上、下两端分别与上、下圆盘固定，四个超声波探头分别固定在四根立管上，四根立管和上、下圆盘内分别设有电加热装置。本发明，上圆盘可以遮挡部分飘雪，同时，四根立管和上、下圆盘内均设有电加热装置，这样，在寒冷的季节，不仅可以加热超声波探头，还可以通过电加热装置防止上、下圆盘上结冰形成冰罩，避免流经超声波探头的风场发生改变，影响测量的准确性。

Description

超声波风向风速仪

技术领域

本发明涉及风向风速监测仪器，具体涉及超声波风向风速仪。

背景技术

风向风速监测仪是用于监测风向风速的专用仪器，可自动记录风速与风向参数，主要应用在工程机械(起重机、履带吊、门吊、塔吊等)、风力发电、光伏发电、太阳能发电、铁路、港口、码头、电厂、索道、环境、温室、园林、养殖等领域，最大测量范围风速0-40m/s，风向0-360度。

风向风速仪的种类较多，最常用的为风杯风速计，它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。另一种旋转式风速计为旋桨式风速计，由一个三叶或四叶螺旋桨组成感应部分，将其安装在一个风向标的前端，使它随时对准风的来向，桨叶绕水平轴以正比于风速的转速旋转。

上述结构的风向风速仪，在冬季，风杯或风摆经常由于结冰而卡死不能转动导致而无法测量，另外，在北方经常出现因为沙尘暴及仪器密封问题无法工作。为了解决上述问题，中国发明专利CN101236213A公开了一种超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法，在底座上设置四个测量臂和四个超声波发射/接收探头，四个超声波发射/接收探头依次相邻成90度夹角，通过相对的两对超声波发射/接收探头测量沿空气传播的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时间差，并结合探头之间的距离计算出空气流动速度。虽然该风向风速仪在四个测量臂上设有加热装置，但是，由于该超声波风速仪的底座上没有加热融冰装置，底座上表面容易结冰形成冰罩，导致流经超声波发射/接收的风场发生改变，影响测量的准确性。另外，上述结构的超声波风速仪，四个测量臂只靠底部固定在底座上，在使用中，容易磕碰变形，影响测量的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决提高超声波风速仪的测量的准确性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种超声波风向风速仪，包括底座和风力测量装置，所述风力测量装置包括设置在底座内的测量控制系统以及第一、第二两组超声波探头，第一、第二组超声波探头分别包括相对设置的超声波发射探头和超声波接收探头，上述四个超声波探头在同一平面内相互间隔90度布置，所述测量控制系统包括风向风速测量单元、立管加热模块和上、下圆盘加热模块，所述风向风速测量单元根据超声波分别在所述第一、第二两组超声波探头之间的传输时间获得当前的风向和风速数字信号，所述底座的顶面上固定设有固定座，所述固定座包括上、下相对设置的上、下圆盘，四根立管的上、下两端分别与上、下圆盘固定，上述四个超声波探头分别固定在四根立管上，下圆盘固定在底座的顶面上，四根立管和上、下圆盘内分别设有电加热装置，立管加热模块和/或上、下圆盘加热模块输出控制信号启动相应的电加热装置对相应的超声波探头和/或上、下圆盘进行加热。

在上述方案中，所述上、下圆盘的顶面呈上凸的球面状。

在上述方案中，两个相对设置的所述超声波发射和接收探头的间距为100-160mm，且上、下圆盘的顶面中心至底面的高度为8-20mm。

在上述方案中，所述风向风速测量单元包括超声波发射模块、超声波接收模块、中央处理器、数据输出单元和控制面板，所述超声波发射模块产生超声波探头驱动信号并分别通过第一、第二组超声波探头中的超声波发射探头发出；所述超声波接收模块接收相应的所述超声波接收探头收到的超声波信号；所述中央处理器根据超声波信号自超声波发射模块至超声波接收模块的传输时间计算获得当前的风向和风速数字信号；所述数据输出单元将所述当前的风向和风速数字信号以数字信号和模拟信号的形式输出；所述控制面板根据用户的选择控制数据输出单元输出数字信号或模拟信号。

在上述方案中，所述立管和所述上、下圆盘内分别设有温度探头，所述立管加热模块和所述上、下圆盘加热模块分别根据相应的所述温度探头测量得到的当前温度是否低于设定值，决定是否发出启动相应电加热装置的控制信号。

在上述方案中，所述数据输出单元包括数字信号输出接口、模拟信号输出接口和数字-模拟信号转换装置，所述模拟信号输出接口包括电流输出接口，所述数字-模拟信号转换装置包括数字电流环路输出转换器、扩流三极管、瞬态二极管和保护二极管，所述数字电流环路输出转换器的两个输出范围设定引脚分别连接由中央处理器输出的输出选择信号，其DAC缓存输入端通过限流电阻连接到该数字电流环路输出转换器的电源引脚；所述扩流三极管的基极连接到所述数字电流环路输出转换器的电流输出引脚，集电极连接至所述数字电流环路输出转换器的外部晶体管连接引脚；所述瞬态二极管的正极连接扩流三极管的发射极，负极接地线；所述保护二极管的正极通过第一电阻连接扩流三极管的发射极，负极连接至电流输出接口。

在上述方案中，所述保护二极管的负极还连接有第二电阻，所述模拟信号输出接口还包括电压输出接口，所述第二电阻连接至所述电压输出接口。

在上述方案中，所述控制面板上还设有4mA-20mA、0mA-20mA、0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，所述中央处理器根据用户的选择输出相应的所述输出选择信号。

在上述方案中，还包括数字隔离器，所述输出选择信号以及时钟信号和所述当前的风向和风速数字信号分别接入所述数字隔离器的逻辑输入引脚，相应的逻辑输出引脚分别连接至所述数字电流环路输出转换器。

本发明，由于在各超声波探头的上方设置了上圆盘，可以遮挡部分飘雪，同时，四根立管和上、下圆盘内均设有电加热装置，这样，在寒冷的季节，不仅可以加热超声波探头，还可以通过电加热装置防止上、下圆盘上结冰形成冰罩，避免流经超声波探头的风场发生改变，影响测量的准确性。

在本发明提供的一种优选的技术方案中，可以同时输出数字信号和模拟信号，当一个输出接口出现故障时，可以通过另一个输出接口输出数据，也可以根据用户的选择输出相应的数字信号或模拟信号，提高了仪器工作的可靠性。

在本发明提供的另一种优选的技术方案中，数字-模拟信号转换装置由数字电流环路输出转换器实现数模转换，同时设置了扩流三极管、瞬态二极管和保护二极管，在电流模式下，大部分的电流由扩流三极管提供，降低了数字电流环路输出转换器的功耗，保护二极管可以防止外部输入烧毁扩流三极管，瞬态二极管起到吸收外部干扰和浪涌的作用。

在本发明提供的另一种优选的技术方案中，输出选择信号、时钟信号以及数字数据输出信号分别通过数字隔离器连接至数字电流环路输出转换器，使中央处理器与输出单元隔离，提高了电路的抗干扰能力。

在本发明提供的另一种优选的技术方案中，控制面板上设有4mA-20mA、0mA-20mA、0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，用户可以方便地选择相应的输出信号，提高了仪器应用的灵活性。

附图说明

图1为本发明提供的超声波风向风速仪结构示意图；

图2为本发明提供的超声波风向风速仪控制电路板原理框图；

图3为本发明提供的超声波风向风速仪输出单元电路图；

图4为本发明超声波风向、风速测试计算原理图。

具体实施方式

本发明提供的一种超声波风向风速仪，在结构和控制电路方面均进行了改进设计，不仅解决了该仪器在寒冷的环境下工作时，由于结冰而影响测量结果的问题，还降低了仪器工作时的干扰，同时增加了保护措施，提高了超声波风速仪测量结果的准确性以及工作可靠性。下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作出详细的说明，以便于本领域技术人员更好地理解。

图1为本发明提供的超声波风向风速仪结构示意图，如图所示，本发明提供的超声波风向风速仪包括底座1和风力测量装置2。

风力测量装置包括设置在底座1内的测量控制系统以及第一、第二两组超声波探头，第一组超声波探头包括相对设置的发射探头21和接收探头23，第二组超声波探头包括相对设置的发射探头22和接收探头24，四个探头21、22、23、24在同一平面内相互间隔90度布置。底座1的顶面上固定设有固定座，固定座包括上、下相对设置的上、下圆盘31、32，四根立管33的上、下两端分别通过螺栓与上、下圆盘31、32固定，四个探头21、22、23、24分别固定在四根立管33上，下圆盘32固定在底座1的顶面上，四根立管33和上、下圆盘31、32内分别设有电加热装置。

测量控制系统包括风向风速测量单元、立管加热模块和上、下圆盘加热模块。风向风速测量单元根据超声波在第一、第二两组超声波探头之间的传输时间获得当前的风向和风速实时信号，并通过输出接口输出。根据用户的选择，立管加热模块和/或上、下圆盘加热模块启动相应的电加热装置对相应的超声波探头21、22、23、24和/或上、下圆盘31、32进行加热。

本发明提供的技术方案，由于在各超声波探头的上方设置了上圆盘31，因此可以遮挡部分飘雪，同时，四根立管33和上、下圆盘31、32内均设有电加热装置，这样，在寒冷的季节，不仅可以加热超声波探头，还可以通过电加热装置防止上、下圆盘31、32上结冰形成冰罩，避免流经超声波探头的风场发生改变，影响测量的准确性。

进一步地，立管33和上、下圆盘31、32内分别设有温度探头，立管加热模块和上、下圆盘加热模块分别根据温度探头测量得到的当前温度是否低于设定值，决定是否发出启动相应加热装置的控制信号，当环境温度低于10度时，各电加热装置开始工作并维持在20度。由于本发明中的各电加热装置分别实现了自动控制，一来省去了人工操作的麻烦，节约了成本；二来可以及时关闭相应的电加热装置，避免浪费能源。

为了进一步提高上、下圆盘31、32防止结冰的效果，上、下圆盘31、32的顶面呈上凸的球面状，这样，融化的冰水、雪水能够沿上、下圆盘31、32的上表面顺利流下。作为一种具体实例，每组超声波探头中相对的两个超声波探头的间距为100-160mm，且上、下圆盘31、32的顶面中心至底面的高度为8-20mm。

本发明利用了超声波测量风向和风速，其原理是：利用两对相对设置的超声波发射和接收探头，运用时差法测量沿空气传播的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时差，计算出这两个方向的超声波传播速度，再根据叠加原理求出风速的大小和方向。

计算原理如图4所示：

设超声波发射和接收探头(N、S、E、W)之间的距离分别是L_NS和L_WE，超声波在空气中的传播速度为C，速度为V的风从和正北方向成θ的角度吹来，则有：

$T_{\mathrm{EW}}=\frac{L_{\mathrm{WE}}}{C-V_{\mathrm{EW}}}---\left(1\right)$

$T_{\mathrm{WE}}=\frac{L_{\mathrm{WE}}}{C+V_{\mathrm{WE}}}---\left(2\right)$

由上(1)、(2)可得：

$V_{\mathrm{EW}}=\frac{L_{\mathrm{WE}}}{2}(\frac{1}{T_{\mathrm{EW}}}-\frac{1}{T_{\mathrm{WE}}})---\left(3\right)$

$C=\frac{L_{\mathrm{WE}}}{2}(\frac{1}{T_{\mathrm{EW}}}+\frac{1}{T_{\mathrm{WE}}})---\left(4\right)$

同理可以求出：

$V_{\mathrm{NS}}=\frac{L_{\mathrm{NS}}}{2}(\frac{1}{T_{\mathrm{NS}}}-\frac{1}{T_{\mathrm{SN}}})---\left(5\right)$

计算出V_EW和V_NS则有：

$V=\sqrt{{V_{\mathrm{EW}}}^2+{V_{\mathrm{NS}}}^2}---\left(6\right)$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{ARC}\left(\tan \frac{V_{\mathrm{EW}}}{V_{\mathrm{NS}}}\right)---\left(7\right)$

T_EW、T_WE、T_NS、T_SN可以测量出，L_NS和L_WE为固定值，就可与求出风速(V)、风向(θ)和声速(C)

其中：

T_EW  超声波从TFE传播到TFW的时间，单位s(秒)；

T_WE  超声波从TFW传播到TFE的时间，单位s；

T_NS  超声波从TFN传播到TFS的时间，单位s；

T_SN  超声波从TFS传播到TFN的时间，单位s；

L    超声波探头间的距离，单位m(米)；

V_EW 风沿EW的速度，单位m/s(米/秒)；

V_NS 风沿NS的速度，单位m/s；

V   风速，单位m/s；

θ  风速和正北方向的夹角，单位度；

C   声速，单位m/s。

由上面的计算原理可知：只要准确测量出超声波在第一、第二两组超声波探头之间的传输时间，就能准确地测量出当时的风速和风向。本发明选用工作频率为200KHz的超声波探头，该探头既可作为发射也可作为接受，解决了要分立安装超声波发射和接收探头的困难。

超声波探头的工作频率为200KHz，周期为5us，由此可得出本发明提供的风向风速仪的所测风速的理论最大分辨率为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{L_{\mathrm{WE}}}{C-\mathrm{\ΔV}}-\frac{L_{\mathrm{WE}}}{C+\mathrm{\ΔV}}---\left(8\right)$

$\mathrm{\ΔV}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{2L_{\mathrm{WE}}}{\mathrm{\ΔT}}\right)}^2+4C^2}-\frac{2L_{\mathrm{WE}}}{\mathrm{\ΔT}}}{2}---\left(9\right)$

设：L_WE＝0.2m，C＝340m/s，代入公式(9)得：V＝0.02m/s，即本发明所测风速的最大分辨率为0.02m/s。

基于上述原理，本发明中风向风速测量单元包括超声波发射模块、超声波接收模块、中央处理器、控制面板和数据输出单元，如图2所示。

中央处理器选用TI公司生产的低功耗16位单片机MSP430F5418IPM，其内部计数器TB1工作在PWM模式，分别输出互补的两路方波，并经过高频变压器升压为200V，驱动超声波发射模块产生超声波信号并分别通过超声波发射探头21、23发出，在超声波接收模块的控制下，超声波发射探头21、23发出的超声波分别被与其相对设置的超声波接收探头接收，接收到的超声波信号，经过放大和滤波后，整形成方波信号。中央处理器的内部计数器TAO工作在捕获模式，发出超声波的同时启动计数器TAO，收到整形后的接收信号后停止TA0，并记录这个时间间隔TA，再根据计数器TAO的频率就可以计算得出超声波在两个探头之间的传播时间，进而根据上述公式计算出当前的风速(V)和风向(θ)。

数据输出单元包括数字信号输出接口、模拟信号输出接口和数字-模拟信号转换装置，模拟信号输出接口包括电流输出接口和电压输出接口，根据用户在控制面板上的选择，数据输出单元将当前的风向和风速以数字和模拟信号形式输出。由于本发明可以同时提供数字输出信号和模拟输出信号，因此，大大提高了仪器的工作可靠性。

数字-模拟信号转换装置的电路图如图3所示，包括数字电流环路输出转换器U302、扩流三极管Q301、瞬态二极管D301和保护二极管D302。数字电流环路输出转换器采用ADI公司生产的AD420系列芯片，其两个输出范围设定引脚RS1、RS2分别连接由中央处理器输出的输出选择信号，其DAC缓存输入端LATCH通过限流电阻R301连接到该数字电流环路输出转换器U302的电源引脚VCC，扩流三极管Q301的基极连接到数字电流环路输出转换器U302的电流输出引脚IOUT，集电极连接至数字电流环路输出转换器U302的外部晶体管连接引脚BOOST，瞬态二极管D301的正极连接扩流三极管Q301的发射极，负极接地线，保护二极管D302的正极通过第一电阻R303连接扩流三极管Q301的发射极，负极连接至电流输出接口。保护二极管D302的负极还连接有第二电阻R304，第二电阻R304连接至电压输出接口。在电流模式下，大部分的电流由扩流三极管Q301提供，这样降低了数字电流环路输出转换器U302的功耗，使得它能稳定的工作在-40-+85摄氏度间。保护二极管D302可以防止外部输入烧毁扩流三极管Q301，瞬态二极管D301起到吸收外部干扰和浪涌的作用。

为了减小信号的干扰，风向风速测量单元中还设有数字隔离器，本实施例中，数字隔离器采用的是ADUM400四通道数字隔离器，也可以选用ADI公司的ADuM1400/1/2等，输出选择信号、时钟信号以及风向和风速数字信号分别接入所述数字隔离器的逻辑输入引脚，相应的逻辑输出引脚分别连接至所述数字电流环路输出转换器。通过数字隔离器，使中央处理器与输出单元隔离，提高了电路的抗干扰能力。

控制面板上设有4mA-20mA、0mA-20mA、0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，中央处理器根据用户的选择输出相应的输出选择信号RS1和RS2，RS1和RS2所对应的输出方式如下表：

RS2	RS1	输出方式
			L	L	0-5V
L	H	4-20mA
			H	L	0-20mA
H	H	0-24mA

本发明，用户可以根据需要方便地选择电压输出或者电流输出，增加了仪器的灵活性。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.超声波风向风速仪，包括底座和风力测量装置，所述风力测量装置包括设置在底座内的测量控制系统以及第一、第二两组超声波探头，第一、第二组超声波探头分别包括相对设置的超声波发射探头和超声波接收探头，上述四个超声波探头在同一平面内相互间隔90度布置，其特征在于，所述测量控制系统包括风向风速测量单元、立管加热模块和上、下圆盘加热模块，所述风向风速测量单元根据超声波分别在所述第一、第二两组超声波探头之间的传输时间获得当前的风向和风速数字信号，所述底座的顶面上固定设有固定座，所述固定座包括上、下相对设置的上、下圆盘，四根立管的上、下两端分别与上、下圆盘固定，上述四个超声波探头分别固定在四根立管上，下圆盘固定在底座的顶面上，四根立管和上、下圆盘内分别设有电加热装置，立管加热模块和/或上、下圆盘加热模块输出控制信号启动相应的电加热装置对相应的超声波探头和/或上、下圆盘进行加热。

2.如权利要求1所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述上、下圆盘的顶面呈上凸的球面状。

3.如权利要求2所述的超声波风向风速仪，其特征在于，两个相对设置的所述超声波发射和接收探头的间距为100-160mm，且上、下圆盘的顶面中心至底面的高度为8-20mm。

4.如权利要求1所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述风向风速测量单元包括：

超声波发射模块，产生超声波探头驱动信号并分别通过第一、第二组超声波探头中的超声波发射探头发出；

超声波接收模块，接收相应的所述超声波接收探头收到的超声波信号；

中央处理器，根据超声波信号自超声波发射模块至超声波接收模块的传输时间计算获得当前的风向和风速数字信号；

数据输出单元，将所述当前的风向和风速数字信号以数字信号和模拟信号的形式输出；

控制面板，根据用户的选择控制数据输出单元输出数字信号或模拟信号。

5.如权利要求1所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述立管和所述上、下圆盘内分别设有温度探头，所述立管加热模块和所述上、下圆盘加热模块分别根据相应的所述温度探头测量得到的当前温度是否低于设定值，决定是否发出启动相应电加热装置的控制信号。

6.如权利要求4所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述数据输出单元包括数字信号输出接口、模拟信号输出接口和数字-模拟信号转换装置，所述模拟信号输出接口包括电流输出接口，所述数字-模拟信号转换装置包括：

数字电流环路输出转换器，其两个输出范围设定引脚分别连接由中央处理器输出的输出选择信号，其DAC缓存输入端通过限流电阻连接到该数字电流环路输出转换器的电源引脚；

扩流三极管，基极连接到所述数字电流环路输出转换器的电流输出引脚，集电极连接至所述数字电流环路输出转换器的外部晶体管连接引脚；

瞬态二极管，正极连接扩流三极管的发射极，负极接地线；

保护二极管，正极通过第一电阻连接扩流三极管的发射极，负极连接至电流输出接口。

7.如权利要求6所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述保护二极管的负极还连接有第二电阻，所述模拟信号输出接口还包括电压输出接口，所述第二电阻连接至所述电压输出接口。

8.如权利要求6所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述控制面板上还设有4mA-20mA、0mA-20mA、0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，所述中央处理器根据用户的选择输出相应的所述输出选择信号。

9.如权利要求6所述的超声波风向风速仪，其特征在于，还包括数字隔离器，所述输出选择信号以及时钟信号和所述当前的风向和风速数字信号分别接入所述数字隔离器的逻辑输入引脚，相应的逻辑输出引脚分别连接至所述数字电流环路输出转换器。

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