CN103197096A - 一种风电场超声波风速检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种风电场超声波风速检测方法，利用超声脉冲直接时差法实现对风电场三维风速的全方位检测；首先利用三组成120度夹角布置的超声波探头对分时发射和接收超声脉冲信号，然后根据每对超声波探头之间的距离和超声脉冲信号传输的时间计算得到超声波探头对所在方向上的风速，最后计算得到实际三维风速、风向值。使用本发明方法的装置由呈120°张角的三组超声波探头对组成，每组超声波探头对中的两个探头交替发射超声波信号，并接收来自对向布置的超声波探头发射的超声波脉冲信号。

Description

一种风电场超声波风速检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种超声波测量方法，特别涉及一种利用超声波测量风电场风速、风向的检测方法及装置。

背景技术

随着化石能源的逐渐减少，风能作为一种无污染且蕴藏巨大能量的能源，它的开发利用受到人们关注。据统计全世界风能的总量约为1.3*105GW，风能的主要利用形式是风力发电，全球风能产业正以每年20%的增速扩张，2015年风能行业总产值将增至目前水平的5倍。随着大型风力发电场的开发和建设，风电场规划和运行的研究工作越来越重要，要达到系统安全稳定运行且最大化利用风能这个目标，无论是在风电机组选址安装前还是在风电场运行后，都非常有必要对风速温度进行实时监测。

风速、风向、温度等参数检测在风电场的运行中起到关键作用，在欧美和亚洲少数发达国家纷纷建立自动气象参数观测站，建立包括风电站的历史数据、测风数据、温度数据、风电场资源评价数据、风电场参数预报和服务资料的数据库。

目前国内的风能检测站采用的风速风向和温度测量设备基于不同的技术，风速风向检测设备是机械式的,机械式设备存在转动部件，容易产生磨损，可能会受到恶劣天气（沙尘和盐雾等）的损害。同时由于摩擦的存在，风速低于启动值时将不能驱动螺旋桨或者风杯进行旋转。而温度测量则采用热电偶、热电阻等，存在精度不高等问题。采用超声波技术可对风速、风向和温度同时测量，具有测量速度快、精确高、测量范围广等优点，而且利用高精度的气流、温度实时数据可实现三维气流、温度流场图像重建，满足风电场对局部环境风速风向和温度分布的需求。中国专利200810101288.6“超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法”只能测量二维风速。中国专利201010608611.6“一种风力发电机组超声波风速风向测量装置”也仅能测量二维风速、风向；中国专利201110123546.2“超声波三维测风方法和三维超声波风速风向仪”可以简单的获取三维风速风向，但当风向垂直于其中一对水平探头时，导致水平方向上的2对探头支架所受风力相差很大，在一定程度上影响测量精度。

发明内容

本发明目的是克服现有二维超声波风速、风向技术的不足，提出一种新型风电场三维超声波风速、风向测量方法及装置。本发明在环境、能源和气象等领域具有广阔的应用前景。

本发明采用以下技术方案：

一种风电场超声波风速检测方法，该方法利用超声脉冲直接时差法实现对风电场三维风速的全方位检测。首先利用三组成120度夹角的超声波探头对分时发射和接收超声脉冲信号，然后根据每对超声波探头之间的距离和超声脉冲信号传输的时间计算得到超声波探头对所在方向上的风速，最后计算得到实际三维风速、风向值。

本发明利用120度夹角的超声波探头对可以使任何一个方向上来风时安装超声波探头的小支架受力均衡，减小测量误差。

应用本发明测量方法的风电场超声波风速检测装置包括：底座、支撑结构和电路模块。所述的底座固定在测风塔或者风电场任何需要测量风速的固定架上，底座中心位置开有螺孔，通过螺钉连接支撑结构的不锈钢筒。底座形状可以是圆形的也可以是方形的，也可以根据风电场安装环境设计成任意形状。支撑结构固定在底座上，电路模块置于支撑结构的不锈钢筒内。

所述的支撑结构主要包括保护电路模块的不锈钢筒、6个测量臂、支撑测量臂的支撑架、支撑测量臂的支架和6个超声波探头。

所述的不锈钢筒的底端通过螺钉固定在底座上，不锈钢筒的上端连接支架。不锈钢筒的形状可以为圆柱形，也可以是长方体形或者其它任何柱体形状。所述的支撑架包括第一支撑架和第二支撑架，第一支撑架的下端与支架直接相连，第一支撑架的上端密封；第二支撑架的上端与支架相连，第二支撑架的下端密封。第一支撑架和第二支撑架上下对称分布。所述的支架是由连接第一支撑架和第二支撑架的支撑杆经过弯曲成型而成，支撑杆可以是两次直角弯曲或者是弧形弯曲。所述的支撑杆可以是1根，也可以是2根或者3根，支撑杆为中空结构。采用2根支撑杆时，2根支撑杆位于同一平面；采用3根支撑杆时，则3根支撑杆成120°放置。支架起到固定第一支撑架和第二支撑架的作用。第一支撑架与第二支撑架同轴，且第一支撑架与第二支撑架的轴线与底座垂直。支撑架为中空结构的圆柱状桶体，圆柱状桶体的桶壁上有三个均匀分布的连接测量臂的螺孔。所述的6个测量臂带有螺纹的一端和支撑架相连，6个超声波探头分别安装在6个测量臂的另一端。测量臂为中空结构。测量臂分成2组，一组通过螺纹直接固定在在第一支撑架的三个螺孔中，另一组通过螺纹固定在第二支撑架的三个螺孔中。每一组的3个测量臂都呈立体120°布置，且与第一支撑架与第二支撑架的轴线夹角为60°，6个测量臂的长度相等。6个超声波探头分别安装在所述的6个测量臂上远离支撑架的一端，且超声波探头的发射平面与测量臂成90°角，同时保证安装在第一支撑架上的3个超声波探头与安装在第二支撑架上的3个超声波探头两两相对，两两相对的超声波探头同轴布置，且两两相对的超声波探头之间的距离相等。

所述的电路模块位于不锈钢筒内部，不锈钢筒的底端通过螺钉固定在底座上，不锈钢筒与底座之间完全密封连接，对电路模块起保护作用。电路模块主要由中央处理单元、超声波收发处理电路、超声波收发电路、数据显示和存储电路组成。中央处理单元的控制端分别连接超声波收发处理电路、超声波收发电路以及数据显示和存储电路。所述的中央处理单元用于进行数据处理，并发出控制指令通过信号线控制超声波收发电路和超声波收发处理电路。超声波收发电路用于超声波的发射和接收，主要由匹配发射电路、滤波电路和放大电路组成。匹配发射电路的信号输入端连接中央处理单元，输出端连接超声波探头。滤波电路的输入端连接超声波探头，输出端电路放大电路的输入端，放大电路的输出端连接超声波收发处理电路的信号输入端。首先发射电路发射超声波信号，然后通过相对应的超声波探头进行接收超声波信号，接收到的超声波信号进行滤波电路和放大电路后由超声波收发处理电路进行处理。超声波收发处理电路用于测量超声波在空气中的传播时间。所述的超声波收发处理电路的核心是TDC-GP1芯片，它是ACAM公司基于0.8uCMOS工艺设计的高精度时间数字（Timedigital converter）转换芯片，它利用延时线法可对两个脉冲或多个脉冲之间的时间间隔进行精确测量，单通道测量精度为250ps，双通道耦合精度可达150ps，测量范围从3ns-200ms不等，因此其不但测量精度高，测量范围也很大。

采用本发明风电场超声波风速检测装置测量风速和风向的方法如下：

本发明风电场超声波风速检测装置中的六个超声波探头分成2组，其中第一超声波探头、第二超声波探头和第三超声波探头分别通过第一测量臂、第二测量臂和第三测量臂固定在第一支撑架上，且三个测量臂成120°排列，3个测量臂与中心轴线呈60°夹角。第四超声波探头、第五超声波探头和第六超声波探头分别通过第四测量臂、第五测量臂和第六测量臂固定在第二支撑架上，且三个测量臂成120°排列，3个测量臂与中心轴线呈60°夹角。

本发明中第一超声波探头和第五超声波探头相对布置，分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号，利用超声波收发处理电路分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。

本发明中第二超声波探头和第六超声波探头相对布置，分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号，利用超声波收发处理电路分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。

本发明中第三超声波探头和第四超声波探头相对布置，分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号，利用超声波收发处理电路分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。

其中第一超声波探头和第五超声波探头之间的距离与第二超声波探头和第六超声波探头之间的距离以及第三超声波探头和第四超声波探头之间的距离相等。

利用直接时差法分别计算得到第一超声波探头和第五超声波探头相对直线方向上的风速为v1，第二超声波探头和第六超声波探头相对直线方向上的风速为v2，第三超声波探头和第四超声波探头相对直线方向上的风速为v3，然后根据该风电场超声波风速检测装置的架设方位，确定v1的风速分量方向在水平方向上的投影与地理坐标系统中正北向的夹角，假设夹角为θ，则可以计算得到地理坐标下平行正北向的水平风速V_x、垂直正北向的水平风速V_y和垂直风速V_z：

其中

为固定测量臂的支撑架与中心垂直轴的夹角，本发明中为60°

已知V_x、V_y、V_z，则可以得到平均风速V以及水平风向角φ：

$V=\sqrt{V_x^2+V_y^2+V_z^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\φ}=\arctan \left(\frac{V_x}{V_y}\right)---\left(5\right)$

从公式（5）中可以看出在超声波风速检测系统中水平风向角等于水平风速比的反正切值，由正切值定义可知，经过反正切得到的风向角在到

之间，并不能完全真实反应水平风向，因此需要根据水平风速值进一步确定风向角。首先利用

求得风向角的绝对值后，再根据水平风速V_x和V_y值最终判断风向角。同时在水平面内，把x方向和y方向坐标系分成四个象限，当V_x＞0,V_y＞0时，则风向角位于第I象限。当V_x＜0,V_y＞0时，风向角位于第II象限，当V_x＜0,V_y＜0时，风向角位于第III象限，当V_x＞0,V_y＞0时，风向角位于第四象限，利用此方法确定具体风向角。

本发明风电场超声波风速检测装置利用呈120°张角的三组超声波探头对交替发射/接收声波信号，每一组超声波探头对中的两个超声波探头交替发射声波信号并接收来自对面的超声波探头发射的脉冲信号。本发明与现有测风方法相比，本发明提出的风电场超声波风速检测装置可以保证在风速测量中支撑架构、涡度相关等其它外界条件对超声波风速检测装置中的超声脉冲信号获取造成的影响降到最小。

附图说明

图1风电场超声波风速检测装置示意图；

图2风电场超声波风速检测装置原理图；

图3风电场超声波风速检测支架；

图4TDC-GP1内部原理框图；

图5坐标系示意图；

图中：1底座，2不锈钢筒，3第一支撑架，4第一测量臂，5第一超声波探头，6第二测量臂，7第二超声波探头，8第四超声波探头，9第四测量臂，10第二支撑架，11第五测量臂，12第五超声波探头，13第六测量臂，14第六超声波探头，15第三超声波探头，16第三测量臂，17支架，18中央处理单元，19超声波收发处理电路，20风速风向计算算法，21数据显示和存储电路，22超声波收发电路，23弧形支架。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种风电场超声波风速检测方法，该方法利用超声脉冲直接时差法实现对风电场三维风速的全方位观测。首先利用三组呈120度夹角的超声波探头对分时发射和接收超声脉冲信号，然后根据每对超声波探头之间的距离和超声脉冲信号传输的时间计算得到超声波探头对所在方向上的风速，最后计算得到实际三维风速、风向值。

本发明利用120度夹角的超声波探头对可以使任何一个方向上来风时安装超声波探头的小支架受力均衡，减小测量误差。

本发明中的所述的三组超声波探头对分别为第一超声波探头5和第五超声波探头12组成的第一组超声波探头对，第二超声波探头7和第六超声波探头14组成的第二组超声波探头对，第三超声波探头15和第四超声波探头8组成的第三组超声波探头对。

本发明风电场超声波风速检测装置如图1所示，主要包括：底座1、支撑结构和电路模块。支撑结构固定在底座1上，电路模块置于支撑结构的不锈钢筒2内。

所述的底座1固定在测风塔或者风电场任何需要测量风速的固定架上，底座1中心位置开有螺孔，通过螺钉连接组成支撑结构的不锈钢筒2。底座1形状可以是圆形的也可以是方形的，也可以根据风电场安装环境设计成任意形状。

所述的支撑结构主要包括保护电路板的不锈钢筒2、第一测量臂4、第二测量臂6、第三测量臂16、第四测量臂9、第五测量臂11、第六测量臂13、第一支撑架3、第二支撑架10、支撑测量臂的支架17和6个超声波探头。

所述的不锈钢筒2的底端通过螺钉固定在底座1上，不锈钢筒2的上端连接支架17。不锈钢筒2的形状可以为圆柱形，也可以是长方体形或者其它任何柱体形状。第一支撑架3和第二支撑架10为中空结构的圆柱状桶体，圆柱状桶体的桶壁上有三个均匀分布的连接测量臂的螺孔。第一支撑架3的下端与支架17直接相连，第一支撑架3的上端密封；第二支撑架10的上端与支架17相连，第二支撑架10的下端密封。第一支撑架3和第二支撑架10上下对称分布。所述的支架17是由连接第一支撑架3和第二支撑架10的支撑杆经过弯曲成型而成，支撑杆可以是两次直角弯曲或者是弧形弯曲，分别如图1中所述的支架17和图2中的弧形支架23所示。所述的支撑杆可以是1根，也可以是2根或者3根，支撑杆为中空结构。采用2根支撑杆时，2根支撑杆位于同一平面；采用3根支撑杆时，则3根支撑杆成120°放置。支架17起到固定第一支撑架3和第二支撑架10的作用。第一支撑架3与第二支撑架10同轴，且第一支撑架3与第二支撑架10的轴线与底座垂直。

所述的6个测量臂一端带有螺纹，另一端连接超声波探头，测量臂为中空结构。测量臂分成2组，其中第一测量臂4、第二测量臂6和第三测量臂16为一组，固定在第一支撑架3的三个螺孔中，三个测量臂之间的立体夹角为120°，与第一支撑架3和第二支撑架10的轴线夹角为60°。第四测量臂9、第五测量臂11和第六测量臂13为另一组，固定在第二支撑架10上，同样三个测量臂之间的立体夹角为120°，与第一支撑架3和第二支撑架10的轴线夹角为60°。6个测量臂的长度相等。第一支撑架3和第二支撑架10的轴线与不锈钢筒2的中心轴线平行。6个超声波探头分别安装在所述的6个测量臂远离支撑架的一端，且超声波探头的发射平面与测量臂成90°角。6个超声波探头中，第一超声波探头5和第五超声波探头12相对，第二超声波探头7和第六超声波探头14相对，第三超声波探头15和第四超声波探头8相对，且每对超声波探头之间的直线距离相等。所述的支撑架17、第一支撑架3、第二支撑架10、第一测量臂4、第二测量臂6、第三测量臂16、第四测量臂9、第五测量臂11以及第六测量臂13均采用中空结构，超声波探头与电路板之间通过导线连接。所述的6个超声波探头既可以作为发射也可以作为接收使用。

所述的电路模块位于不锈钢筒2内部，并由底座1进行支撑。电路模块主要由中央处理单元18、超声波收发处理电路19、超声波收发电路22、数据显示和存储电路21组成。中央处理单元18的控制端分别连接超声波收发处理电路19、超声波收发电路22以及数据显示和存储电路21。首先中央处理单元18发出控制指令同时给超声波收发电路22和超声波收发处理电路19的控制信号，使其中的一对超声波探头分别开始发射和接收超声波信号，同时超声波收发处理电路19根据中央处理单元18发出的控制信号和接收到的超声波信号计算发射超声波信号与接收波脉冲信号之间的时间间隔，然后中央处理单元18根据计算的时间通过风速风向计算算法20计算得到风速风向值，计算的风速、风向值通过串口输送到数据显示和存储电路21中对数据进行显示和存储。

所述的中央处理单元18用于进行数据处理，并发出控制指令通过信号线控制超声波收发电路22和超声波收发处理电路19.

所述的超声波收发电路22主要用于超声波的发射和接收，超声波收发电路22主要由匹配发射电路和接收电路组成，接收电路又分为滤波电路和放大电路。匹配发射电路的信号输入端连接中央处理单元，输出端连接超声波探头。滤波电路的输入端连接超声波探头，输出端电路放大电路的输入端，放大电路的输出端连接超声波收发处理电路的信号输入端。

超声波收发处理电路19用于测量超声波在空气中的传播时间。

图2为风电场超声波风速检测装置的原理示意图。如图2所示，风电场超声波检测装置包括中央处理单元18、超声波收发处理电路19、超声波收发电路22、风速风向计算算法20、数据显示和存储电路21。所述的中央处理单元18采用STM32F103RBT6，STM32F103是基于Cortex-M3内核的32位嵌入式微处理器，它是不需操作系统的ARM，与同类单片机相比，STM32F103具有业界领先架构的Cortex-M3内核、出众的功耗效率、丰富的外设、完善的固件库和丰富的例子程序，另外STM32F103RBT6单片机自带16个外部通道的12位AD，转换速度快，精度高，正好满足本装置要求，该单片机可以发出各种控制指令，风速、风向计算方法也是通过本单片机实现的。

所述的超声波收发电路22主要由匹配发射电路和接收电路组成，匹配发射电路连接超声波探头的发射端与接收电路连接超声波探头的接收端之间采用2个二极管进行隔离发射的高压信号和接收的小信号之间的干扰问题。匹配发射电路实现超声波探头的谐振和阻抗匹配，并实现超声波发射功率的输出。匹配发射电路的的信号输入端通过导线连接中央处理单元18，由中央处理单元18发射脉冲控制信号给匹配电路的信号输入端。匹配发射电路的发射端直接连接超声波探头。匹配电路主要由匹配变压器和匹配电感组成，匹配电压器和匹配电感直接相连。在谐振匹配状态下，超声波探头呈现纯组态，可实现电功率输出的最大化。本发明共有6个超声波探头，因此采用6路发射匹配电路来实现对超声波探头的精确匹配。接收电路主要由前置放大电路和滤波电路组成，前置放大电路的信号输入端通过二极管后连接超声波探头，输出端连接滤波电路。前置放大电路实现接收信号的放大，滤波电路实现接收超声波信号的抗混滤波，并滤除噪声，提高信号的信噪比。超声波探头接收到来自对面超声波探头的超声波脉冲信号后首先经过滤波电路进行滤波，滤波处理后的超声波信号经过导线连接到超声波收发处理电路19。本发明采用的滤波电路为Butterworth FIR滤波器，为避免6只探头分时工作模拟开关间信号的串扰，采用6组Butterworth FIR滤波器分别为每只超声波探头接收到的信号进行滤波处理。超声波收发处理电路19的目的是测量超声波在空气中的传播时间，本发明采用专用芯片TDC-GPI实现，TDC-GP1是ACAM公司基于0.8uCMOS工艺设计的高精度时间数字（Time digital converter）转换芯片，它利用延时线法可对两个脉冲或多个脉冲之间的时间间隔进行精确测量，单通道测量精度为250ps，双通道耦合精度可达150ps，每个通道能响应4个脉冲信号，测量范围从3ns-200ms不等，因此其不但测量精度高，测量范围也很大。如图4所示，芯片TDC-GP1主要是由延时线测量单元，前置运算器，主运算器和22个控制、状态与数据寄存器，及RLC测量单元和微控制器接口等构成。TDC-GP1的测量按距离分有两种模式，为测量范围1和测量范围2。测量范围1可测3ns-7.6us之间的时间间隔，其测量任务主要是由延时线测量单元负责；而测量范围2是为大量程设置的，其测量时间间隔为60ns-200ms，完成其测量则必须把延时线测量单元和范围2计数器配合起来使用。范围2计数器是一个16bit的计数器，其计数时钟跟外部参考时钟有关。本发明中采用测量范围2的计数方法，同时TDC-GP1还提供分辨率调整模式，在这种调整模式下，TDC-GP1两个通道的分辨率是通过对核心电压的调整来得到稳定的分辨率值的，该频率值通过编写软件设置寄存器来实现，其核心电压通过锁相环来调节，这样可保证TDC-GP1的分辨率就不受外部温度和电压的影响而保持稳定，TDC-GP1通过STM32F103RBT6来控制，可精确计算出超声波信号在空气中的传播时间。

所述的风速风向计算算法20主要通过中央处理器STM32F103RBT6来实现的，具体计算方法描述如下：

本发明中第一超声波探头5和第五超声波探头12相对，分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号，利用超声波收发处理电路TDC-GPI分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。

本发明中第二超声波探头7和第六超声波探头14相对，分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号，利用超声波收发处理电路TDC-GPI分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。

本发明中第三超声波探头15和第四超声波探头8相对，分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号，利用超声波收发处理电路TDC-GPI分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。

如图5所示，利用时差法分别计算得到第一超声波探头5和第五超声波探头12相对直线方向上的风速为v1，第二超声波探头7和第六超声波探头14相对直线方向上的风速为v2，第三超声波探头15和第四超声波探头8相对直线方向上的风速为v3，然后根据超声波风速仪的架设方位，确定v1方向在水平方向上的投影与地理坐标系统的夹角，假设夹角为θ，则可以计算得到地理坐标下平行正北向的水平风速V_x、垂直正北向的水平风速V_y和垂直风速V_z：

其中

为探头支撑架与中心垂直轴的夹角。

已知V_x、V_y、V_z，则可以得到平均风速V以及水平风向角φ：

$V=\sqrt{V_x^2+V_y^2+V_z^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\φ}=\arctan \left(\frac{V_x}{V_y}\right)---\left(5\right)$

从公式（5）中可以看出在超声波风速检测系统中水平风向角等于水平风速比的反正切值，由正切值定义可知，经过反正切得到的风向角在

到

之间，并不能完全真实反应水平风向，因此需要根据水平风速值进一步确定风向角。首先利用

求的风向角的绝对值后，再根据水平风速V_x和V_y值最终判断风向角。同时在水平面内，把x方向和y方向坐标系分成四个象限，当V_x＞0,V_y＞0时，则风向角位于第I象限。当V_x＜0,V_y＞0时，风向角位于第II象限，当V_x＜0,V_y＜0时，风向角位于第III象限，当V_x＞0,V_y＞0时，风向角位于第四象限，利用此方法确定具体风向角。

Claims (9)

1.一种风电场超声波风速检测方法，其特征在于，所述的风电场超声波风速检测方法利用超声脉冲直接时差法实现对风电场三维风速的全方位检测；首先利用三组成120度夹角布置的超声波探头对分时发射和接收超声脉冲信号，然后根据每对超声波探头之间的距离和超声脉冲信号传输的时间计算得到超声波探头对所在方向上的风速，最后计算得到实际三维风速、风向值。

2.根据权利要求1所述的风电场超声波风速检测方法，其特征在于，所述的超声脉冲直接时差法步骤如下：

利用时差法分别计算得到第一超声波探头（5）和第五超声波探头（12）相对直线方向上的风速v1，第二超声波探头（7）和第六超声波探头（14）相对直线方向上的风速v2，第三超声波探头（15）和第四超声波探头（8）相对直线方向上的风速v3，然后根据超声波风速仪的架设方位，确定第一超声波探头（5）和第五超声波探头（12）相对直线方向上的风速v1方向在水平方向上的投影与地理坐标系统的夹角，假设该夹角为θ，则计算得到地理坐标下平行正北向的水平风速V_x、垂直正北向的水平风速V_y和垂直风速V_z：

其中

为探头支撑架与中心垂直轴的夹角；

已知V_x、V_y、V_z，则可以得到平均风速V以及水平风向角φ：

$V=\sqrt{V_x^2+V_y^2+V_z^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\φ}=\arctan \left(\frac{V_x}{V_y}\right)---\left(5\right)$

根据水平风速值进一步确定风向角：首先利用

求得风向角的绝对值后，再根据水平风速V_x和V_y值最终判断风向角；同时在水平面内，把x方向和y方向坐标系分成四个象限，当V_x＞0,V_y＞0时，则风向角位于第I象限。当V_x＜0,V_y＞0时，风向角位于第II象限，当V_x＜0,V_y＜0时，风向角位于第III象限，当V_x＞0,V_y＞0时，风向角位于第四象限，利用此方法确定具体风向角。

3.根据权利要求1所述的风电场超声波风速检测方法，其特征在于，所述的三组成120度夹角布置的超声波探头为：第一超声波探头（5）和第五超声波探头（12）相对，第二超声波探头（7）和第六超声波探头（14）相对，第三超声波探头（15）和第四超声波探头（8）相对；每对超声波探头之间的直线距离相等；三组超声波探头分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号。

4.应用权利要求1所述的风电场超声波风速检测方法的装置，其特征在于，所述的装置主要包括：底座（1）、支撑结构和电路模块；所述的底座（1）固定在测风塔或者风电场任何需要测量风速的固定架上，底座（1）的中心位置开有螺孔，通过螺钉连接支撑结构的不锈钢筒（2）；所述的支撑结构固定在底座（1）上，所述的电路模块置于支撑结构的不锈钢筒（2）内。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的支撑结构包括保护电路板的不锈钢筒（2）、6个测量臂（4、6、16、9、11、13）、第一支撑架（3）、第二支撑架（10）、支撑测量臂的支架（17）和6个超声波探头；不锈钢筒（2）的上端连接支架（17）；第一支撑架（3）的下端与支架（17）相连，第一支撑架（3）的上端密封；第二支撑架（10）的上端与支架（17）相连，第二支撑架（10）的下端密封；第一支撑架（3）和第二支撑架（10）上下对称布置，第一支撑架（3）和第二支撑架（10）的轴线与不锈钢筒（2）的中心轴线平行；支架（17）固定第一支撑架（3）和第二支撑架（10）；第一支撑架（3）与第二支撑架（10）同轴，且第一支撑架（3）与第二支撑架（10）的轴线与底座垂直；支撑架为中空结构的圆柱状桶体，圆柱状桶体的桶壁上有三个均匀分布的连接测量臂的螺孔；所述的6个测量臂带有螺纹的一端连接支撑架，6个超声波探头分别安装在6个测量臂远离支撑架的另一端，所述的超声波探头的发射平面与测量臂成90°角。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的测量臂为中空结构；6个测量臂分成2组，其中第一测量臂（4）、第二测量臂（6）和第三测量臂（16）为一组，固定在第一支撑架（3）的三个螺孔中，第一测量臂（4）、第二测量臂（6）和第三测量臂（16）之间的立体夹角为120°，三个测量臂与第一支撑架（3）和第二支撑架（10）的轴线夹角为60°；第四测量臂（9）、第五测量臂（11）和第六测量臂（13）为另一组，固定在第二支撑架（10）上，第四测量臂（9）、第五测量臂（11）和第六测量臂（13）之间的立体夹角为120°，三个测量臂与第一支撑架（3）和第二支撑架（10）的轴线夹角为60°；6个测量臂的长度相等。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的支撑测量臂的支架（17）由连接第一支撑架（3）和第二支撑架（10）的支撑杆弯曲成型而成；所述的支撑杆为1根或多根；采用2根支撑杆时，2根支撑杆位于同一平面；采用3根支撑杆时，则3根支撑杆成120°布置；所述的支架（17）、支撑杆、第一支撑架（3）和第二支撑架（10）均采用中空结构。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的电路模块由中央处理单元（18）、超声波收发处理电路（19）、超声波收发电路（22）、数据显示和存储电路（21）组成；中央处理单元（18）的控制端分别连接超声波收发处理电路（19）、超声波收发电路（22）以及数据显示和存储电路（21）；所述的中央处理单元（18）进行数据处理，并通过信号线发出控制指令控制超声波收发电路（22）和超声波收发处理电路（19）；所述的超声波收发电路（22）用于超声波的发射和接收，超声波收发电路（22）主要由匹配发射电路和接收电路组成；接收电路由滤波电路和放大电路组成；所述的匹配发射电路的输入端连接中央处理单元（18），匹配发射电路的输出端连接超声波探头；滤波电路的输入端连接超声波探头，滤波电路的输出端电路放大电路的输入端，放大电路的输出端连接超声波收发处理电路（19）的信号输入端；超声波收发处理电路（19）用于测量超声波在空气中的传播时间；数据显示和存储电路（21）接收中央处理单元（18）传送的风速风向值进行显示和存储。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的超声波收发处理电路（19）采用芯片TDC-GPI；所述的超声波收发处理电路（19）采用测量范围（2）的计数方法和分辨率调整模式，并通过中央处理单元（18）的芯片STM32F103RBT6控制。

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