CN103018480A - 自校准超声波风速测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可以精确测量风速、风向的自校准超声波风速测量方法，其特征在于依次按如下步骤进行：初始化；用位于同一维的一对超声波探头收发超声波，获得超声波探头间双向超声波传播时长Tab、Tba；采集超声波环境温度C，按公式Vs=331.3+0.607*C，计算超声波在空气中的传播速度Vs；按公式
计算同一维超声波探头间距D；按公式
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波风速测量方法，尤其是一种可以精确测量风速、风向的自校准超声波风速测量方法。
背景技术
以往，对于风速风向的测量基本上是采用由风杯、风向标、叶片组成的机械式风速风向仪。机械式风速风向仪不仅在使用过程中受低温、沙尘等环境限制，而且其机械部分也极易磨损老化，无法保证长期可靠运行，其测量范围窄（2~40m/s）、误差大（大于2%）且不能测量瞬时风速。为此，目前普遍使用的是超声波风速风向仪。超声波风速风向仪与机械式风速仪相比，不含有运动部件，无机械磨损，可靠性高、使用寿命长；环境适应性好，可满足风沙、高低温（-40~70℃）等恶劣环境的使用且可测量瞬时风速；精度相对较高，测量范围大，已广泛应用于环境监测、风电、气象、隧道、航海、航空等领域。
现有超声波风速风向仪一般采用点对点时差法测量风速。硬件结构是设有MCU控制模块，与MCU控制模块相接有超声发射模块、探头温度传感器、加热模块及通信模块，超声接收模块通过回波处理模块与MCU控制模块相接，与超声发射模块及超声接收模块相接有可安装在一维（X）、两维（X、Y）或三维（X、Y、Z）的同一维A、B两点的多对超声波探头。测试方法是启动后超声波收发模块，获得在同一维（X、Y或Z）超声波传播路径上来回传播时间（Tab、Tba），再根据公式 
计算出矢量风在一维/两维/三维上的分量（D为超声波探头间距），经过矢量合成运算得到标准坐标系下两维/三维风速，并用三角函数方法计算风向θ，通过通信模块输出风速风向。现有风速风向仪安装时，使用指北针调整风向原点与方位南/北对齐，由于安装过程存在测量方位误差，为此需要安装后通过软件调整补偿。所设置的探头温度传感器可适时检测探头温度，通过加热模块控制探头温度。现有超声波风速风向仪存在如下问题：
1．由于公式中的D是恒定不变的设计值（预设值），因此所测风速精度依赖于探头间距的精度，如探头间距在加工、装配或使用过程中发生改变，则所测量风速误差随之呈正比变化；
2．安装后软件调整补偿操作繁琐，费时费力。特别是在如车船、移动平台等运动设备顶部安装风速风向仪，风向角度会随设备基座移动而变换，重新定向不仅麻烦也容易引起误差，影响所测风向精度。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种可以精确测量风速、风向的自校准超声波风速测量方法。
本发明的技术解决方案是：一种自校准超声波风速测量方法，其特征在于依次按如下步骤进行：
a. 初始化；
b. 用位于同一维的一对超声波探头收发超声波，获得超声波探头间双向超声波传播时长Tab、Tba；
c. 采集超声波环境温度C，按公式Vs= 331.3+0.607*C ，计算超声波在空气中的传播速度Vs；
d. 按公式
e. 按公式
计算风速Vw、风向θ；
f. 输出风速风向。
所述f步骤前用电子罗盘校正风向原点指向。
本发明是通过所采集的超声波环境温度参数适时计算超声波传播速度，并通过超声波探头间双向超声波传播时长适时计算超声波探头间距，当发生严重机械形变导致超声波探头间距改变时，仍可以精确测量风速、风向。
具体实施方式
实施例1：
本发明实施例1的硬件部分与现有技术相同。
测量方法，依次按如下步骤进行：
a. 初始化；
b. 用位于同一维的一对超声波探头收发超声波，获得超声波探头间双向超声波传播时长Tab、Tba；多维风速测量时，可同时获得两维或三维超声波探头间双向超声波传播时长Tab、Tba
c. 采集超声波环境温度C，按经验公式Vs= 331.3+0.607*C ，计算超声波在空气中的传播速度Vs；
d.按公式
e. 同现有技术一样，按公式
f. 输出风速风向。
计算过程所用的超声波环境温度参数可以通过通信模块总线联网从云端调用。
实施例2：
本发明实施例1的硬件部分与现有技术基本相同，所不同的是与MCU控制模块相接有环境温度传感器及电子罗盘。
测量方法，基本步骤同实施例1，与实施例1所不同的是：
超声波环境温度C通过所设置的环境温度传感器获得；
所述d步骤后，将计算所得超声波探头间距D与设定探头间距常量相比，判断探头间距是否改变？如差值绝对值小于1mm时，e步骤中的D仍为出厂所设置的探头间距常量；如探头间距差值绝对值大于或等于1mm时，则进行间距校正，即刷新探头间距，用所计算的探头间距替代探头间距常量后，再做e步骤风速运算。
在f步骤前用电子罗盘，通过地磁场自动标定风速仪的风向原点，能够有效的解决现场安装风速仪以及基座系统移动时，重新做方位换算和校正的麻烦。不仅安装过程简单省时，使用时也不必担心位置移动造成的方位误差。
Claims (2)
1.一种自校准超声波风速测量方法，其特征在于依次按如下步骤进行：
a. 初始化；
b. 用位于同一维的一对超声波探头收发超声波，获得超声波探头间双向超声波传播时长Tab、Tba；
c. 采集超声波环境温度C，按公式Vs= 331.3+0.607*C ，计算超声波在空气中的传播速度Vs；
d. 按公式
e. 按公式
f. 输出风速风向。
2.根据权利要求1所述自校准超声波风速测量方法，其特征在于：所述f步骤前用电子罗盘校正风向原点指向。
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| CN201210427764XA CN103018480A (zh) | 2012-10-31 | 2012-10-31 | 自校准超声波风速测量方法 |
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