CN103217548A - 一种涡街风速计 - Google Patents

Abstract

一种涡街风速计，其特征在于：包括钝体，钝体竖向设置，钝体两端分别设置有上端板和下端板，钝体上设置有压力感应器。该装置最大的优点是没有任何旋转部件，没有任何裸漏的带电部件，系统更加稳定可靠。

Description

一种涡街风速计

技术领域

本发明涉及一种风速计，具体涉及涡街风速计。 

背景技术

风速仪表属于安全防护、环境监测类的计量仪表，是我国计量法规定的强制性检定计量器具。目前，气象台站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。 

但是，这类旋转型风速计存在很多问题以及弊端，由于可能高速旋转而不允许在可燃性气体环境中使用，风速计探头置于可燃性气体中可能导致火灾甚至爆炸；在使用中，如遇风速计散发出异常气味、声音或冒烟，或有液体流入风速计内部，很容易造成电击、火灾和损坏风速计的危险；将探头和风速计本体暴露在雨中，极容易产生电击、火灾和伤及人身等的危险；将风速计放置在高温、高湿、多尘和阳光直射的地方，容易导致内部器件的损坏或风速仪性能变坏。 

因此，研究一种新型的涡街风速计成为亟待解决的问题。 

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种涡街风速计，该装置最大的优点是没有任何旋转部件，没有任何裸漏的带电部件，系统更加稳定可靠。 

本发明的技术方案是：一种涡街风速计，其特征在于：包括钝体，钝体竖向设置，钝体两端分别设置有上端板和下端板，钝体上设置有 压力感应器。 

当流体流过任何钝体（相对于流线体而言，例如圆柱，方柱，三棱柱等都属于常见钝体）时，钝体的下游都会出现交替脱离的涡团，这种现象称之为Karman涡街。 

Karman涡街中涡团脱离的频率与三个因素有关，流体的性质（水、空气）、钝体本身的性质（圆柱、方柱、直径的大小等等）、来流的速度。当流体性质确定，钝体形式也确定时，涡团脱离的频率就只和来流的速度有关了。可以通过检测涡团脱离的频率来确定来流的速度。 

因为自然界风的方向是不确定的，如果采用圆柱作为涡街发生的钝体，虽然可以通过涡团频率来确定风的速度，但是风的方向是不能知道的。我们采用三个面以上类似于三角形棱柱（至少存在有三个面感受风的方向）来解决这一问题。当三角形棱柱固定后，如果风的方向发生变化，棱柱三个面上的平均压力也会随之变化，可以利用三个面上平均压力关系来确定风的方向。对于三角形棱柱这种非轴对称钝体，前面所说的涡团频率与风速的关系还与钝体和风向的相对角度有关。因此，必须要首先通过至少三个面上的压力来去定风的方向，然后利用这个方向下的涡团频率与风速的关系，才可进一步确定风速。 

本发明还在于，钝体为多边形棱柱或者圆柱。 

本发明还在于，多边形棱柱的每一个面上均设置有一个压力感应器。 

本发明还在于，多边形棱柱的每一个面上均设置有多个压力感应器。 

本发明还在于，圆柱每一个固定角度区域设置有一个压力感应器。 

本发明还在于，钝体为三棱柱或者四棱柱。 

本发明还在于，钝体为正三棱柱体。 

本发明还在于，钝体两端分别嵌入上端板和下端板内，或者钝体两端分别穿过上端板和下端板。 

本发明还在于，上端板或/和下端板为圆形端板。 

本发明还在于，上端板的下表面或/和下端板的上表面截面形状呈维多辛斯基曲线布置。 

本发明还在于，上端板的下表面或/和下端板的上表面靠近钝体的部位呈维多辛斯基曲线布置，远离钝体的边缘部分呈椭圆弧线布 置。 

本发明还在于，上端板或/和下端板的直径大于钝体宽度的5倍。 

本发明还在于，上端板或/和下端板在钝体上的位置可以调整，可改变上端板与下端板间有效钝体的长度。 

本发明还在于，钝体由刚性支柱和柔性壁体组合而成，刚性支柱设置在柔性壁体之间的转角部位，柔性壁体整体为压力感应器。 

本发明还在于，钝体的外表面竖向成弧形设置。 

本发明还在于，弧形外表面向外呈弧形或者向内呈弧形。 

本发明还在于，压力感应器在钝体内部呈星点状布置或者呈环形分布或者呈螺旋形分布。 

本发明还在于，压力感应器在钝体外部呈星点状布置或者呈环形分布或者呈螺旋形分布。 

本发明还在于，钝体为中空体或者实心体。 

本发明还在于，中空体或者实心体的钝体的外表面还设置有一层包裹流体的薄膜，包裹流体的薄膜整体为压力感应器。 

本发明还在于，钝体内设置有蓄电设备。 

本发明还在于，钝体内设置有信息记录设备、信息处理设备和无线发送接收设备。 

本发明还在于，涡街风速计上设置有故障报警装置。 

本发明还在于，压力感应器镶嵌在钝体内。 

本发明还在于，压力感应器伸出钝体外表面。 

本发明还在于，压力感应器外设置有防水罩。 

本发明还在于，压力感应器设置在钝体的中部位置。 

基本原理： 

当流体流过钝体（相对于流线体而言。例如：圆柱，方柱，三棱柱等都属于常见钝体）时，钝体的下游都会出现交替脱离的涡团，这种现象称之为Karman涡街。 

(1)风速的测量： 

Karman涡街中涡团脱离的频率与三个因素有关，流体的性质（水或空气）、钝体本身的性质（圆柱、方柱、直径的大小等等）、来流的速度。当流体性质确定，钝体形式也确定时，涡团脱离的频率就只和来流的速度有关了。可以通过监测涡团脱离的频率来确定来流的速度。 

(2)风向的测量： 

当流体流过钝体时，钝体表面压力会形成一定的分布规律，这一分布规律与来流的方向有确定的关系。可以通过监测钝体表面上压力的分布情况来反推出来流的方向。 

综合上述（1）和（2）中的步骤，即可实现对风速与风向的测量。 

本发明的有益技术效果是： 

(1)无需任何转动部件，大大提升了系统的可靠性和使用寿命。 

(2)无运动部件，可运用于一些特设环境中，安全性高。 

(3)结构简单，成本低。 

(4)钝体可以是空心或实心的，可以承受一定的荷载。风速计本身可以成为结构的一部分，例如可以做为避雷针杆件的一部分。 

(5)便于小型化，可制成手持式移动设备。 

(6)可以选择不同形式的端盖与钝体的组合形式，适应不同情况下的需求。 

附图说明

图1是本发明实施例涡街风速计的结构示意图之一。 

图2是本发明实施例涡街风速计感受不同方向的风的结构示意图。 

图3是本发明实施例涡街风速计的正多边形钝体的截面结构示意图。 

图4是本发明实施例涡街风速计的弧面多边形钝体的截面结构示意图。 

图5是本发明实施例涡街风速计的钝体上分布压力感应器的结构示意图。 

图6是本发明实施例涡街风速计的钝体的上端板或/和下端板的结构示意图。 

图7是本发明实施例涡街风速计的结构示意图之二。 

图8是本发明实施例涡街风速计的结构示意图之三。 

图9是图7中A-A剖面图。 

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。 

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

一种涡街风速计包括钝体1，钝体1竖向设置，钝体1两端分别设置有上端板2和下端板3，钝体1上设置有压力感应器4。 

本发明还在于，钝体1为多边形棱柱或者圆柱。 

本发明还在于，多边形棱柱的每一个面上均设置有一个压力感应器4。 

本发明还在于，多边形棱柱的每一个面上均设置有多个压力感应器4。 

本发明还在于，圆柱每一个固定角度区域设置有一个压力感应器4。 

本发明还在于，钝体1为三棱柱或者四棱柱。 

本发明还在于，钝体1为正三棱柱体。 

本发明还在于，钝体1两端分别嵌入上端板2和下端板3内，或者钝体1两端分别穿过上端板2和下端板3。 

本发明还在于，上端板2或/和下端板3为圆形端板。 

本发明还在于，上端板2的下表面或/和下端板3的上表面截面形状呈维多辛斯基曲线布置。 

本发明还在于，上端板2的下表面或/和下端板3的上表面靠近钝体1的部位呈维多辛斯基曲线布置，远离钝体1的边缘部分呈椭圆弧线布置。 

本发明还在于，上端板2或/和下端板3的直径大于钝体1宽度的5倍。 

本发明还在于，上端板2或/和下端板3在钝体1上的位置可以调整，可改变上端板2与下端板3间有效钝体1的长度。 

本发明还在于，钝体1由刚性支柱和柔性壁体组合而成，刚性支柱设置在柔性壁体之间的转角部位，柔性壁体整体为压力感应器4。 

本发明还在于，钝体1的外表面竖向成弧形设置。 

本发明还在于，弧形外表面向外呈弧形或者向内呈弧形。 

本发明还在于，压力感应器4在钝体1内部呈星点状布置或者呈环形分布或者呈螺旋形分布。 

本发明还在于，压力感应器4在钝体1外部呈星点状布置或者呈环形分布或者呈螺旋形分布。 

本发明还在于，钝体1为中空体或者实心体。 

本发明还在于，中空体或者实心体的钝体1的外表面还设置有一层包裹流体的薄膜，包裹流体的薄膜整体为压力感应器4。 

本发明还在于，钝体1内设置有蓄电设备。 

本发明还在于，钝体1内设置有信息记录设备、信息处理设备和无线发送接收设备。 

本发明还在于，涡街风速计上设置有故障报警装置。 

本发明还在于，压力感应器4镶嵌在钝体1内。 

本发明还在于，压力感应器4伸出钝体1外表面。 

本发明还在于，压力感应器4设置有防水罩。 

本发明还在于，压力感应器4设置在钝体的中部位置。 

图1是本发明实施例涡街风速计的结构示意图之一，如图1所示，钝体1主体为一个正三角形棱柱，长宽比为10左右，两端是圆形端板分别作为上端板2和下端板3，圆形端板的直径是三角形棱柱宽度的5倍左右，三角形棱柱每个面的中部安装有压力传感器4。涡街风速计可用来检测风速与风向。相对于常见的风杯加风向标式传统风速 仪，涡街风速计最大的优点是没有任何旋转部件，系统更加稳定可靠。 

涡街风速计的基本构造： 

基本结构如图1所示。两端的圆形端板用于去掉钝体的端部效应，使钝体上的涡街更强烈，提高测量精度。 

钝体可以是三棱柱、四棱柱或圆柱等任何正多边形或圆形形式。可以依据实际工程需要任意选取。 

图2是本发明实施例涡街风速计感受不同方向的风的结构示意图，涡街风速计的工作原理如图2所示。 

风向的测量：当风从某一方向吹来时，棱柱三个面上的压力会有所区别。当风向改变时，三个面上的压力会随之变化。利用安装在棱柱内的三个压力传感器可以测量出三个面上的平均风压，即可以由此反过来推算出风的方向。 

风速的测量：当风吹过棱柱时，棱柱后会形成交替的Karman涡街。Kaman涡街的频率和风速间有确定的关系。利用三个压力传感器中信号最强烈的一个，通过快速FFT算法可计算出Karman涡街的频率，由此可计算出对应的风速。对于三角形棱柱，Karman涡街的频率除了与风速成正比外，还和风与三棱柱间的相对方向有关，即在不同的方向下，Karman涡街频率和风速的关系是不一样的。实际的测量步骤先确定风向，再通过该风向下涡街频率与风速的关系确定风速。 

图3是本发明实施例涡街风速计的正多边形钝体的截面结构示意图，如图3所示，钝体的截面形状可以为三角形、四边形、五边形、六边形、七边形或者八边形，钝体的截面形状甚至可以为无限多边形或者圆形。 

图4是本发明实施例涡街风速计的弧面多边形钝体的截面结构示意图，如图4所示，钝体的截面形状可以是表面竖向成弧形设置的多边形，钝体的截面形状可以为三角形、四边形、五边形、六边形、七边形或者八边形，钝体的截面形状甚至可以为无限多边形或者圆形， 这些多边形表面竖向均成弧形设置。 

图5是本发明实施例涡街风速计的钝体上分布压力感应器的结构示意图，如图5所示，三角形截面的钝体的每个边上均设置有一个压力感应器，压力感应器设置在每个截面边的中心位置；或者三角形截面的钝体的每个边上均设置有三个压力感应器，压力感应器均匀分布在每个截面边上。 

对于圆形柱体，可以沿圆周均匀布置若干压力传感器，这样也可起到风速、风向监测的效果。 

图6是本发明实施例涡街风速计的钝体的上端板或/和下端板的结构示意图。 

上端板或/和下端板可以是圆形薄片，这样结构最为简单。 

上端板或/和下端板可以采用一定厚度的形式，如图6所示，如：维多辛斯基曲线与椭圆弧线的组合形式。边缘采用椭圆弧面可以避免流动分离对测量带来的影响，中心部分采用维多辛斯基曲线可以提高流经钝体的风的稳定性，提高测量精度。[注意：维多辛斯基曲线本来是用于风洞设计中的曲线，图4所示端板是维多辛斯基曲线与椭圆曲线旋转而生成的轴对称弧面] 

上端板或/和下端板边缘也可采用其他类型曲线，如：抛物线、机翼形等流线型曲线，同样可起到避免流动分离的效果。 

上端板或/和下端板直径应大于钝体宽度的5倍，以保证效果。 

上端板或/和下端板在钝体上的位置可以调整，可改变两端板间有效钝体的长度。 

对于风速较大的场合，上端板或/和下端板的可以采用薄片形式，两端板间距可适当加大，例如大于10倍钝体宽度。 

对于风速较小的场合，应采用图5所示上端板或/和下端板，并可尽量减小端板间距。这样上端板和下端板会对其中间的气流有加速作用，从而提高测量的精度，能够拓展本涡街风速计在低风速领域的应用。 

图7是本发明实施例涡街风速计的结构示意图之二，如图7所示，上端板2的下表面和下端板3的上表面靠近钝体1的部位呈维多辛斯基曲线布置，远离钝体1的边缘部分呈椭圆弧线布置，图7是风速较大的情况，上端板2和下端板3均调整到钝体1的端部。 

图8是本发明实施例涡街风速计的结构示意图之三，如图8所示， 上端板2的下表面和下端板3的上表面靠近钝体1的部位呈维多辛斯基曲线布置，远离钝体1的边缘部分呈椭圆弧线布置，图8是风速较小的情况，上端板2和下端板3均调整到钝体1的中部。端板对风起到加速的作用，更有利于提高测量精度。 

图9是图7中A-A剖面图，如图9所示，图9中，5是A-D转换模块，6是FFT变换模块，7是平均风压计算模块，8是标定数据存储模块，9是记录模块。 

本涡街风速计主要由图6所示部件构成，主要包括：压力传感器（安装在钝体表面）、A-D转化模块5、FFT变换模块6、计算风压平均值模块、标定数据存储模块8、记录与输出模块9等。 

压力传感器4输出的压力信号经A-D转换模块5转化后成为数字信号，经FFT变换模块6变换后，可由能谱支配频率确定涡街脱落频率，同时可通过简单的累加获得各压力传感器4的平均风压；利用平均风压计算模块7将所获得的涡街脱落频率与平均风压分布和标定数据存储模块8中的标定数据进行比较，就可获得风速和风向信息，可以由记录模块9存储，也可由输出模块输出到外部。 

涡街风速计可内置电池对整个系统供电，可内置存储芯片保存测量信息以供取用。 

涡街风速计各组成部分可以安装在钝体内，或布置在端板内部。 

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。 

Claims (10)

1.一种涡街风速计，其特征在于：包括钝体，钝体竖向设置，钝体两端分别设置有上端板和下端板，钝体上设置有压力感应器。

2.根据权利要求1所述的涡街风速计，其特征在于：钝体为多边形棱柱或者圆柱。

3.根据权利要求2所述的涡街风速计，其特征在于：多边形棱柱的每一个面上均设置有一个压力感应器。

4.根据权利要求2所述的涡街风速计，其特征在于：多边形棱柱的每一个面上均设置有多个压力感应器。

5.根据权利要求2所述的涡街风速计，其特征在于：圆柱每一个固定角度区域设置有一个压力感应器。

6.根据权利要求1所述的涡街风速计，其特征在于：钝体为三棱柱或者四棱柱。

7.根据权利要求1所述的涡街风速计，其特征在于：钝体为正三棱柱体。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的涡街风速计，其特征在于：钝体两端分别嵌入上端板和下端板内，或者钝体两端分别穿过上端板和下端板。

9.根据权利要求8所述的涡街风速计，其特征在于：上端板或/和下端板为圆形端板；或者上端板的下表面或/和下端板的上表面截面形状呈维多辛斯基曲线布置；或者上端板的下表面或/和下端板的上表面靠近钝体的部位呈维多辛斯基曲线布置，远离钝体的边缘部分呈椭圆弧线布置；或者上端板或/和下端板的直径大于钝体宽度的5倍；或者上端板或/和下端板在钝体上的位置可以调整，可改变上端板与下端板间有效钝体的长度。

10.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的涡街风速计，其特征在于：钝体由刚性支柱和柔性壁体组合而成，刚性支柱设置在柔性壁体之间的转角部位，柔性壁体整体为压力感应器；或者钝体的外表面竖向成弧形设置；或者弧形外表面向外呈弧形或者向内呈弧形；或者压力感应器在钝体内部呈星点状布置或者呈环形分布或者呈螺旋形分布；或者压力感应器在钝体外部呈星点状布置或者呈环形分布或者呈螺旋形分布；或者钝体为中空体或者实心体；或者中空体或者实心体的钝体的外表面还设置有一层包裹流体的薄膜，包裹流体的薄膜整体为压力感应器；或者钝体内设置有蓄电设备；或者钝体内设置有信息记录设备、信息处理设备和无线发送接收设备；或者涡街风速计上设置有故障报警装置；或者压力感应器镶嵌在钝体内；或者压力感应器伸出钝体外表面；或者压力感应器外设置有防水罩；或者压力感应器设置在钝体的中部位置。

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