CN102455367B - 风速计 - Google Patents

Abstract

一种风速计，在不需要关于空气流定向装置的情况下，测量沿任何方向的风速。安装为相对于刚性支座运动的传感器板具有围绕一轴线大体对称的外表面。载荷传感器感测传感器板上的风力载荷。具有其对称轴大致与所述轴线同轴的锥形表面的流动偏转装置靠近传感器板设置，并将入射空气流偏向传感器板。

Description

风速计

技术领域

本发明涉及风速计。

背景技术

风速计用来测量气流，且通常包括其旋转角速度与气流的线速度相关的旋转元件。这种类型的转杯或转子风速计的一个缺点是必须克服机械结构的惯性。作为其对该机械元件的依赖的结果，该风速计不利于测量阵风，并且容易出现由过冲、由于风向改变而出现的振荡和即使风不吹时也存在风的测定引起的测量误差。

靶型风速计也用来通过测量由风施加在位于空气流中的靶上的作用力的大小测量风速。由空气流施加在靶上的作用力与该目标上的压力降和风速成比例。例如，美国专利NO.4631958描述了一种具有安装至立轴的风速计，风力倾向于将靶向下游偏转，由此将靶移动离开它的垂直位置。虽然是一种成本相对低的装置，但测量精度一般。而且，这种装置容易受到基座倾斜的影响，并且不具有用于修正将产生的错误的内建补偿机制。

日本专利公开NO.60166869A描述了一种组合的风速计和风向传感器，其包括圆筒形本体，通过由沿横向平面设置的平行隔膜限制，在其中形成压力室。每个压力室中的空气入口端和出口端在对应的横向轴线上对准，所述轴向处于彼此不同的角度，以便沿任何方向的流动在每个压力室中产生不同的压力。根据如由固定至所述隔膜的应变计测量的合成压力分布，计算风速和方向。这种结构的一个缺点是过多地使用应变计会使整个结构复杂。而且，为了获得良好的性能，小的入口端和出口端必须不被阻塞，在这方面，百叶窗形的盖子围绕圆筒形本体延伸，以覆盖和保护所述端口。然而，假设是这种结构，则难以对阻塞的缺乏进行肉眼检查。

本发明的目标是提供一种相对简单、紧凑、结实、耐用和成本低构造的风速计。特别地，需要一种通用的风速计，其能够安装在不同位置和不同方位，可以固定安装或可携带，并且适合自动操作。本发明的另一个目标是克服或大体上改善上述不足，或者更一般地说，是提供一种改进的风速计。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种风速计，包括：

刚性支座；

传感器板，安装为相对于刚性支座运动，该传感器板具有围绕第一轴线大致对称的外表面；

载荷传感器，用于感测传感器板上的风力载荷；

偏转装置，具有锥形表面，该锥形表面具有与第一轴线大致同轴的对称轴线，该偏转装置靠近传感器板设置并对准，使得锥形表面向着传感器板向内逐渐变细，从而沿垂直于第一轴线的入射面中的任何方向的迎面气流被偏向传感器板，以便入射面中的流动的一部分冲击在传感器板上；

接收和传输装置，构造为接收来自载荷传感器的信号，并传输表示风速的输出信号。

在本发明的风速计中，由偏转装置偏转的空气流被导向传感器板，而不接触任何插入构件，提供了以开口结构，可以在没有阻碍的情况下容易地可视检查该开口结构的功能元件。由该空气流提供的合成冲力倾向于将传感器板偏离其中间位置，偏移量由所述传感器测量，并提供表示风速的输出信号。

优选地，在传感器板的外表面和偏转装置之间设置有间隙。

优选地，偏转装置是圆锥形的，更优选的是凹入截头圆锥。然而，偏转装置的精确形式对本发明是不重要的。在本发明的范围内可以采用其它轴对称锥形表面，如椎形、凹或凸棱形、球形、椭圆形；椎形、球形或椭圆形平截头体；或由这些轴对称形式形成的复杂形状-例如，在其端部具有半球形或部分球形的盖的截头圆锥形。

优选地，偏转装置的表面包括分别位于垂直于第一轴线的对应平面中的环形外围部和圆形内部。优选地，环形外围部和圆形内部由凹入锥形面连接，凹入锥形面和圆形内部之间的交叉是辐射式的，以提供平滑外形。

优选地，刚性支座包括其中容纳载荷传感器的凹陷和基本上由传感器板封闭的开口。优选地，传感器板位于所述凹陷中，或者完全位于所述凹陷中，使得传感器板的任何部分都不突出到刚性支座的边界之外。传感器板的外表面优选是凸形的，更优选的是具有圆形外围。

优选地，偏转装置连接至刚性支座。更优选地，偏转装置固定地连接至刚性支座。然而，可选地，偏转装置可以安装为相对于刚性支座运动，如通过滑动或沿平行于第一轴线的伸缩接合，以在偏转装置和传感器板之间在不同的操作位置上维持合适的对准。

优选地，偏转装置由多个支柱固定至连接至刚性支座，所述多个支柱围绕第一轴线等角距隔开，并固定在偏转装置的外围。

在优选的实施方式中，偏转装置包括壳体，该风速计还包括固定至该壳体以在其中封闭一个腔的盖。优选地，所述盖具有围绕第一轴线大体对称的凸起外表面。有利地，气象仪器，如太阳传感器或雨传感器可以安装在腔中。

载荷传感器为将力转化成可测量电输出的换能器，其可以大致定位在传感器板下面，且优选是应变计基载荷传感器。优选地，载荷传感器弯曲杆测压元件，以提供紧凑的风速计。可选地，可以采用其它类型的测压元件。

接收和输出装置可以简单地为直接传输来自载荷传感器的输出做准备，如通过至风速计上的输出端的有线连接，或通过无线通信。然而，优选的是，接收和输出装置包括基于由测压元件进行的应变测量推断风速的处理电路。处理电路可以包括用于过滤从载荷传感器接收的信号的数字处理电路和微处理器，如用于提供表示风速的输出信号，或用于驱动电子显示器。

本发明提供了一种风速计，其是通用的、有效的且操作使用高效，并且可以被经济地构造。通过提供根据本发明的偏转装置根据，则不需要用于在风中定向风速计的装置，或者用于响应于传感器靶运动的装置，因为传感器板总是恰当地位于空气流中。

附图说明

现在将参照附图，以举例的方式描述本发明的优选形式，在附图中：

图1为根据本发明的风速计的第一实施方式的透视图；

图2为穿过图1的风速计的纵向截面；

图3为图1的风速计的分解图；

图4为根据本发明的风速计的第二实施方式的透视图；

图5为穿过图4的风速计的纵向截面。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的风速计的第一实施方式包括刚性支座10，支座10包括容纳相对于支座10运动安装的称重板或传感器板12的内部凹陷11。传感器板具有围绕第一轴线13大体对称的平坦、圆形外表面。空气偏转装置15通过三个支柱14靠近传感器板12连接至支座10。支柱14围绕支座的外围等距离周向隔开，在传感器板12的外面，并且是细长形式的，以便偏转装置15和传感器板12通向相邻的支柱14之间的周围空气通孔16。偏转装置15大体覆盖并遮蔽传感器板12。

如图2所示，弯曲杆测压元件17形式的载荷传感器支撑传感器板12，以感测传感器板12上的风力。偏转装置15具有围绕轴线13对称并对准的锥形表面18，使得锥形表面18向着传感器板12向内逐渐变细。以这种方式，通过一个通孔16的迎面气流(在垂直于轴线13的入射面中沿任何方向)由偏转装置15偏向传感器板12。撞击在传感器板12上的合成流由载荷传感器测量，根据这种测量可以推理地确定风速。

在示出的实施方式中，偏转装置15大体上形成为凹入式截头圆锥形，具有位于横平面20中的环形外围部19。偏转装置的平坦、圆形内部21位于在屏幕20之内的横平面22中。将外围部19连接至内部21的凹入锥形面18包括辐射式部分23，以提供平滑外形。间隙24设置在偏转装置15和传感器板12的相对平行面之间。

偏转装置15为一壳体，互补盖25固定到其上，以在其中封闭一腔27。盖25具有围绕轴线13大致对称的凸形外表面26。支座10、偏转装置15、板12和盖25由相对刚性的材料制成，如金属或塑料，并且如通过纵向延伸通过支柱14的螺钉紧固件29固定在一起。

环形外围部19与支座10的围绕凹陷11延伸的环形缘30相对设置。在该实施方式中，环形缘30与偏转装置15的内面21大致共面。其中容纳测压元件17的凹陷11具有面向偏转装置15并且基本上由传感器板12封闭的开口。传感器板12位于凹陷11中，在从缘30的平面向内偏移的平面中，使得传感器板12的任何部分都不突出到刚性支座的边界之外。传感器板12可以由固定至盖板31的基板32形成。

测压元件17可以包括两个平行的弯曲杆33、34，彼此在对方的顶部，由刚性端块35、36分开。测压元件17从支撑一个端块的固定架42如悬臂似地伸展，另一个端块支撑载荷板12。轴向定向应变计(未示出)靠近与端块35、36的接头结合至每个杆。当载荷作用在板12上时，刚性端块促使两个弯曲杆弯曲。每个弯曲杆上的一个应变计将相应地感测张力，而第二个应变计将感测压缩。四个应变计可以连接成桥接电路(未示出)，以提供用来测量载荷的输出信号。优选的是，独立于冲击在板12上的空气流的压力中心位置和该空气流的方向，测压元件17被优化，使得来自桥接电路的输出信号为所述载荷的垂直分量的真实量度，或者尽可能接近该真实量度。

处理电路可以设置在安装在凹陷11内的电路板40上。处理电路可以被包装，以密封风速计。可选地，测压元件也可以被密封，优选由软波纹管或对测压元件的测量敏感度没有实质影响的包封密封。处理电路基于由测压元件17进行的应变测量推断风速。应变计桥接电路连接至处理电路，处理电路又可以连接至输出端，以便传递表示测量的空气速度的输出信号，如通过将风速计接合至计算机或单机电子显示器。电子显示器可以以数值形式数字显示风速，或者通过其它模拟显示器、光阵列等。处理电路可以包括滤波电路，用于过滤来自测压元件的输出，以提取测量区间内的峰值。设置其中存储与对应于测压元件输出的风速测量相关的数据集的存储器。例如，一旦已经进行测压元件测量，则在处理器输出表示确定的风速的信号之前，可以对峰值进行平均，由通过存储在存储器中的两个数据点之间的插值获得的这个平均值可以确定对应的风速。可选地，每个风速计都可以设置有通过单独校正每个风速计导出的唯一的数据集。

处理电路还包括倾角传感器52，其响应于风速计的倾斜，并用来为轴线13离实际垂直方向的倾斜变化补偿风速测量。例如，半导体MEMS(微电子机械半导体)装置可以用来提供校正结构。

图4和5图示了风速计的第二实施方式，并且就提供相似的元件来说，它们由相似的附图标记表示。在该风速计中，支柱114包括细长通道45，其沿着其长度在内部延伸，并在支座10中的凹陷11和偏转装置15与盖25之间的腔27之间连通。用于测量紫外线强度的日光传感器(未示出)可以设置在由盖25包围的腔27中，盖25可以是透明的或者其中包括窗户。通道45设置为容纳用于连接至日光(sunlight)传感器的电缆(未示出)。通道45与形成在支座10中电缆端口46交叉，电力/信号导体47通过该电缆端口46离开支座。

支座10由靠近偏转装置15的固定至内部构件210的外部构件110形成，构件110、210与传感器板12协作，以封住测压元件17和处理电路40。围绕其中容纳传感器板12的凹陷的开口延伸的凸缘30形成在外部构件110上，外部构件110围绕传感器板12的外围延伸。外部构件10a和传感器板12的外围之间的环形空间允许水落在板12上，以排走。为了帮助脱水，径向凸缘48紧靠该环形空间形成在构件10a中，凸缘48的外端容纳在传感器板12的互补部分中。

还为了脱水，传感器板12的盖板131的外表面是凸形的。由于其对称性，该凸形面的顶点50位于轴线13上，但该顶点50大致与缘30的平面平齐。以这种方式，在该第二实施方式种，间隙24大致位于缘30之上，而在第一实施方式中，间隙在缘30的平面之下延伸。

在使用中，风速计可以安装在自由气流中，并且可以有线或无线连接至显示器或监控计算机。偏转装置15靠近传感器板设置，并对准，使得锥形表面向着传感器板12向内逐渐变细。偏转装置15可以安装至刚性支座10，或独立安装。沿垂直于第一轴线的入射面中的任何方向的迎面气流由偏转装置15偏向传感器板，使得入射面中的流动的一部分冲击传感器板12。

已经仅以举例的方式描述了本发明的多个方面，并且应当认识到，在不偏离本发明的保护范围的前提下可以对本发明进行多种修改和添加。

Claims (12)

1.一种风速计，包括：

刚性支座；

传感器板，安装为相对于刚性支座运动，该传感器板具有围绕第一轴线大致对称的外表面；

载荷传感器，用于感测传感器板上的风力载荷；

偏转装置，具有锥形表面，该锥形表面具有与第一轴线大致同轴的对称轴线，该偏转装置靠近传感器板设置并对准，使得锥形表面向着传感器板向内逐渐变细，从而沿垂直于第一轴线的入射面中的任何方向的迎面气流被偏向传感器板，以便入射面中的流动的一部分冲击在传感器板上；和

接收和传输装置，构造为接收来自载荷传感器的信号，并传输表示风速的输出信号。

2.根据权利要求1所述的风速计，其中，在传感器板的外表面和偏转装置之间设置有间隙。

3.根据权利要求1所述的风速计，其中，偏转装置是圆锥形的，或者是凹入截头圆锥。

4.根据权利要求3所述的风速计，其中，偏转装置的表面包括分别位于垂直于第一轴线的对应平面中的环形外围部和圆形内部。

5.根据权利要求4所述的风速计，其中，环形外围部和圆形内部由凹入锥形面连接，凹入锥形面和圆形内部之间的交叉是辐射式的，以提供平滑外形。

6.根据权利要求1所述的风速计，其中，刚性支座包括其中容纳载荷传感器的凹陷和基本上由传感器板封闭的开口。

7.根据权利要求6所述的风速计，其中，传感器板完全位于所述凹陷中使得传感器板的任何部分都不突出到刚性支座的边界之外。

8.根据权利要求7所述的风速计，其中，传感器板的外表面是凸形的。

9.根据权利要求1至5，7和8中任一项所述的风速计，其中，偏转装置连接至刚性支座。

10.根据权利要求9所述的风速计，其中，偏转装置由多个支柱固定地连接至刚性支座，所述多个支柱围绕第一轴线等角距地隔开，并固定在偏转装置的外围。

11.根据前述权利要求1至5，7，8和10中任一项所述的风速计，其中，偏转装置包括壳体，该风速计还包括固定至该壳体以在其中封闭一个腔的盖。

12.根据权利要求11所述的风速计，其中，所述盖具有围绕第一轴线大体对称的凸起外表面。