CN103869096B - 一种超声波风速仪量程拓宽方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相关法和时差法配合使用的超声波风速仪量程拓宽方法。由时差法测量模块与相关法测量模块两套硬件电路共同实现。当超声波风速仪开机或重启后，默认使用时差法测量模块测量风速。当风速变小时，休眠时差法测量模块，启用相关法测量模块测量风速，确保对微小风速测量的高精度。当风速变大时，休眠相关法测量模块，启用时差法测量模块测量风速，保证风速测量精度的同时，降低风速仪整机测量功耗，延长风速仪内供电电池的持续工作时间。本发明有效地拓宽了超声波风速仪的量程范围，尤其是通过提高超声波风速仪对微小风速的测量精度的方式，拓宽了超声波风速仪的量程下限。本发明可用于任意二维或三维电池供电式超声波风速仪。

Description

一种超声波风速仪量程拓宽方法

技术领域

本发明涉及一种超声波风速仪的量程拓宽方法，特别是涉及一种基于相关法和时差法配合使用的超声波风速仪量程拓宽方法。当风速较高时，由单片机通过时差法方式测量风速，既保证了风速的测量精度，又维持了风速测量的低功耗特点；当风速较低时，由运算能力强大的DSP通过相关法方式测量风速，保证了对小风速测量的高精确度性。

背景技术

超声波风速仪是一种新型的风速测量仪器，拥有测量精度高、测量范围宽、低功耗等突出优势，因此，超声波风速仪最近几年在电力、钢铁、石化、节能等行业受到越来越广泛的应用。

根据测量通道数的不同，超声波风速仪一般可以分为二维超声波风速仪（两个互相垂直的测量通道）和三维超声波风速仪（三个互相垂直的测量通道）。一般而言，每个测量通道内，都安装有相对的两个超声波换能器，利用超声波波速在两个换能器之间的传播时间或频率受风速影响影响的原理，超声波风速仪能够测量出每个测量通道内的风速值，并根据多个测量通道内的风速值进一步推导出所在环境风速的空间矢量值和风向。

在实际的应用现场，往往对超声波风速仪的风速测量范围具有较高的要求：最高风速一般要求可达60米/秒，而最小风速一般要求低至0米/秒。同时，从最高风速到最小风速的测量范围内，超声波风速仪的测量精度一般需要维持低于2%的测量误差。这对于超声波风速仪的设计与生产，是一个极大的挑战，尤其是对微小风速的测量，由于在微小风速下，超声波风速仪接收到的与风速成比例的信号值本身就偏小，因此极易受到各类噪声的干扰，导致对风速的测量误差急剧上升。

为保证超声波风速仪从最高风速到最小风速都能有足够的测量精度，一般采用计算能力较强的信号处理与风速计算方法，如相关法、功率谱法、分层统计法等。尤其是测量微小风速时，上述信号处理与风速计算方法能有效地将与风速成比例的有用信号，从周围的干扰噪声中提取出来，从而保证超声波风速仪对微小风速的高精度测量。但是，上述信号处理与风速计算方法，通常会大幅度提升超声波风速仪的实际功耗，因为上述方法对计算能力的要求比较高，只有主频较高同时功耗也较高的处理器硬件才能实现上述算法。超声波风速仪的功耗上升，将严重缩短超声波风速仪内的电池工作寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相关法和时差法配合使用的超声波风速仪量程拓宽方法，由时差法测量模块、相关法测量模块共同实现。风速较高时，休眠相关法测量模块的硬件电路，启动时差法测量模块的硬件电路，使用时差法测量当前风速；风速较低时，休眠时差法测量模块的硬件电路，启动相关法测量模块的硬件电路，使用相关法测量当前风速，从而既保证了电池供电式超声波风速仪的持续工作时间，又有效地拓宽了超声波风速仪的风速测量范围，尤其是提高了超声波风速仪对微小风速的高精度测量性能。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种超声波风速仪量程拓宽方法，基于相关法和时差法配合使用，其特征在于，由时差法测量模块（4）、相关法测量模块（5）、第一换能器（2A）、第二换能器（3A）、第三换能器（2B）和第四换能器（3B）组成；风速较高时，休眠相关法测量模块（5）的硬件电路，启动时差法测量模块（4）的硬件电路，使用时差法测量当前风速；风速较低时，休眠时差法测量模块（4）的硬件电路，启动相关法测量模块（5）的硬件电路，使用相关法测量当前风速。

进一步的，所述时差法测量模块（4）由低功耗的单片机电路（4A）、第一多路选择器电路（4B）和阈值比较电路（4C）组成；使用时差法测量风速包括如下步骤：

步骤1：单片机电路（4A）通过第一多路选择器电路（4B）向第一换能器（2A）和第二换能器（3A）发送3～7个脉冲信号，使得第一换能器（2A）和第二换能器（3A）向外发送超声波波束，同时，单片机电路（4A）依靠内部或外部晶振开始计时；第三换能器（2B）和第四换能器（3B）接收到超声波波束后，产生的信号经过阈值比较电路（4C）后输入到单片机电路（4A），使得单片机电路（4A）停止计时，并存储时间T1；

步骤2：单片机电路（4A）通过第一多路选择器电路（4B）向第三换能器（2B）和第四换能器（3B）发送3～7个脉冲信号，使得第三换能器（2B）和第四换能器（3B）向外发送超声波波束，同时，单片机电路（4A）依靠内部或外部晶振开始计时；第一换能器（2A）和第二换能器（3A）接收到超声波波束后，产生的信号经过阈值比较电路（4C）后输入到单片机电路（4A），使得单片机电路（4A）停止计时，并存储时间T2；

步骤3：单片机根据时间T1和时间T2之间的差值ΔT，乘上比例系数k_时差，计算得到当前的风速值。比例系数k_时差在超声波风速仪出厂前，通过实流标定方式获得，并存储在超声波风速仪单片机内部。

进一步的，所述相关法测量模块（5）由DSP电路（5A）、第二多路选择器电路（5B）和AD采样电路（5C）组成；使用相关法测量风速包括如下步骤：

步骤1：DSP电路（5A）通过第二多路选择器电路（5B）向第一换能器（2A）和第二换能器（3A）发送3～7个脉冲信号，使得第一换能器（2A）和第二换能器（3A）向外发送超声波波束，同时，AD采样电路（5C）开始采样；第三换能器（2B）和第四换能器（3B）接收到超声波波束后，产生的信号波形曲线S1将被AD采样电路（5C）实时采样并存储在DSP内部；采样时间达到预先设定值后，AD采样电路（5C）停止工作；

步骤2：DSP电路（5A）通过第二多路选择器电路（5B）向第三换能器（2B）和第四换能器（3B）发送3～7个脉冲信号，使得第三换能器（2B）和第四换能器（3B）向外发送超声波波束，同时，AD采样电路（5C）开始采样；第一换能器（2A）和第二换能器（3A）接收到超声波波束后，产生的信号波形曲线S2将被AD采样电路（5C）实时采样并存储在DSP内部；采样时间达到预先设定值后，AD采样电路（5C）停止工作；

步骤3：DSP将采样得到的曲线S1与曲线S2进行卷积运算，并卷积运算的结果乘上比例系数k_相关，计算得到当前的风速值。比例系数k_相关在超声波风速仪出厂前，通过实流标定方式获得，并存储在超声波风速仪DSP内部。

进一步的，超声波风速仪根据当前风速值的不同，自动选择时差法或相关法测量风速；具体选择方法如下：

超声波风速仪开机或重启之后，默认由时差法测量模块（4）测量当前风速，而相关法测量模块（5）保持在休眠状态；

当时差法测量模块（4）测量得到的当前风速值小于预先设定并存储在超声波风速仪内部的超声波风速仪最大可测量风速的3%时，时差法测量模块（4）内的单片机将通过串口或普通IO口向相关法测量模块（5）内的DSP发送一串数据帧，使得相关法测量模块（5）退出休眠状态，然后相关法测量模块（5）内的DSP将向时差法测量模块（4）内的单片机返回一串数据帧，使得时差法测量模块（4）进入休眠状态，同时相关法测量模块（5）开始对当前风速进行测量；

当相关法测量模块（5）测量得到的当前风速值大于预先设定并存储在超声波风速仪内部的超声波风速仪最大可测量风速的5%时，相关法测量模块（5）内的DSP将通过串口或普通IO口向时差法测量模块（4）内的单片机发送一串数据帧，使得时差法测量模块（4）退出休眠状态，然后时差法测量模块（4）内的单片机将向相关法测量模块（5）内的DSP返回一串数据帧，使得相关法测量模块（5）进入休眠状态，同时时差法测量模块（4）开始对当前风速进行测量。

有益效果：

（1）本发明可根据当前风速测量的实际需要，自动选择风速测量方法及其相应的硬件电路，有效地保证中高风速测量的低功耗特点，同时保证微小风速测量的高精度特点。

（2）本发明应用简单，硬件电路易实现且可靠性高，软件方法可调用现成程序。

（3）本发明特别适用于电池供电式二维超声波风速仪、电池供电式三维超声波风速仪。

附图说明

图1是本发明所述方法的实施系统方案示意图。

图2是时差法测量模块、换能器、相关法测量模块之间的连接关系图。

图3是时差法测量模块对当前风速的测量原理示意图。

图4是相关法测量模块对当前风速的测量原理示意图。

图5是时差法测量风速与相关法测量风速的切换原理示意图。

图中：1、超声波风速仪，2A，第一换能器，2B、第三换能器，3A、第二换能器，3B、第四换能器，4、时差法测量模块，4A、低功耗单片机电路，4B、第一多路选择器电路，4C、阈值比较电路，5、相关法测量模块，5A、DSP电路，5B、第二多路选择器电路，5C、AD采样电路。

具体实施方式

以下结合附图及一优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例：

如图1所示，表示了本发明实施方案的基于相关法和时差法配合使用的超声波风速仪1量程拓宽方法，本方法由时差法测量模块4、相关法测量模块5共同组成实现。时差法测量模块4、相关法测量模块5分别独立地与超声波风速仪1内各个测量通道内的换能器相连接，同时时差法测量模块4内的单片机与相关法测量模块5内的DSP又通过串口或普通IO口相连接，以实现单片机与DSP之间的协同工作。

如图2所示，时差法测量模块4内包含低功耗单片机电路4A、第一多路选择器电路4B、阈值比较电路4C，相关法测量模块5内包含DSP电路5A、第二多路选择器电路5B、AD采样电路5C。如图3、图4所示，无论是时差法测量模块4，还是相关法测量模块5，都是通过其内部相应的的多路选择器电路与换能器连接，在单片机或DSP的控制下，多路选择器电路可实现开关式的切换功能：当第一多路选择器电路4B连通第一换能器2A或第二换能器3A换能器时，单片机发出的激发信号将通过第一多路选择器4B施加到第一换能器2A或第二换能器3A，此时，第一换能器2A或第二换能器3A作为发射换能器，而第三换能器2B或第四换能器3B作为接收换能器，第三换能器2B或第四换能器3B换能器产生的信号，将经过阈值比较电路4C后输入到单片机内部，以计算风速值；反之，当第一多路选择器4B电路连通第三换能器2B或第四换能器3B时，第三换能器2B或第四换能器3B换能器则作为发射换能器，而第一换能器2A或第二换能器3A换能器就作为接收换能器。

如图3所示，当超声波风速仪1将相关法测量模块5休眠，并启用时差法测量模块4测量风速时，时差法测量模块4将按照以下三个步骤完成对风速的测量：

首先，在单片机的控制下，第一多路选择器4B将连通第一换能器2A或第二换能器3A，这样，单片机发送的若干个激励脉冲信号（通常是3个到7个脉冲，依据实际的换能器参数而定）将通过第一多路选择器4B施加到第一换能器2A或第二换能器3A，并激励第一换能器2A或第二换能器3A向外发射超声波波束，与此同时，单片机依靠其内部或外部晶振开始计时。上述超声波波束在空气中传播，经过一段时间后到达第三换能器2B或第四换能器3B，此时第三换能器2B或第四换能器3B作为接收换能器，在超声波波束的作用下，将产生相应的正弦信号，该正弦信号通过阈值比较电路4C的滤波和放大作用后，与阈值比较电路4C的预设电压值作比较，当正弦信号的值大于阈值比较电路4C的预设电压值时，阈值比较电路4C将向单片机发送一个高电平，单片机接收到上述高电平后将停止计时，并将存储时间值T1；

其次，第一多路选择器4B将连通第三换能器2B或第四换能器3B换能器，重复上述步骤后，作为接收换能器的第一换能器2A或第二换能器3A所产生的信号，将使得单片机再次存储时间值T2。

最后，单片机将根据时差法的基本原理（即超声波波束的传播方向与风向相同时，超声波波束的传播速度将加快，传播时间将变短，反之，超声波波束的传播方向与风向相反时，超声波波束的传播速度将减慢，传播时间将变长，因此，风速与超声波波束的顺风传播时间与逆风传播时间之间的差值成正比）计算时间T1和时间T2之间的时间差值ΔT，然后将时间差值ΔT乘上比例系数k_时差，计算得到当前的风速值。

如图4所示，当超声波风速仪1将时差法测量模块4休眠，并启用相关法测量模块5测量风速时，相关法测量模块5将按照以下三个步骤完成对风速的测量：

首先，在DSP的控制下，第二多路选择器5B将连通第一换能器2A或第二换能器3A，此时第一换能器2A或第二换能器3A将作为发射换能器。DSP通过多路选择器5B向第一换能器2A或第二换能器3A发送若干个激励脉冲信号（通常也是3到7个）后，连接在第三换能器2B或第四换能器3B上的AD采样电路5C将开始采样。第一换能器2A或第二换能器3A所发射的超声波波束，同样将引起第三换能器2B或第四换能器3B产生相应的正弦信号，该正弦信号将被AD采样电路5C采样并输入到DSP内部。当设定的采样时间到达以后，AD采样电路5C将停止采样，同时DSP将存储采样所得到的信号波形曲线S1。

其次，多路选择器5B将连通第三换能器2B或第四换能器3B，重复上述步骤后，作为接收换能器的2A或3A换能器所产生的信号波形曲线S2，也将被存储在DSP内部。

最后，DSP将按照下述公式，对曲线S1和曲线S2进行卷积运算：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}.$

上式中，x(t)表示曲线S1，y(t)表示曲线S2。卷积计算完毕之后，DSP将计算得到的卷积结果值，乘上一个比例系数k_相关，就可以计算得到当前的风速值。

如图5所示，相关法测量模块5和时差法测量模块4，两套硬件电路不会同时工作，当其中一个模块工作时，另外一个模块将进入休眠状态。在本发明所述方法的设定中，超声波风速仪1将根据当前风速值的大小，自动地挑选并切换相关法测量模块5和时差法测量模块4。

当超声波风速仪1刚开机启动时，或者超声波风速仪1在运行过程中遇到故障需要重新启动时，默认状态下，超声波风速仪1将启用时差法测量模块4，而将相关法测量模块5休眠。

当时差法测量模块4测量得到的当前风速值小于超声波风速仪1最大可测量风速的3%时，时差法测量模块4内的单片机将通过串口或普通IO口向相关法测量模块5内的DSP发送一串数据帧，使得相关法测量模块5退出休眠状态，然后相关法测量模块内的DSP将向时差法测量模块4内的单片机返回一串数据帧，使得时差法测量模块4进入休眠状态，同时相关法测量模块5开始对当前风速进行测量。

当相关法测量模块5测量得到的当前风速值大于超声波风速仪1最大可测量风速的5%时，相关法测量模块5内的DSP将通过串口或普通IO口向时差法测量模块4内的单片机发送一串数据帧，使得时差法测量模块4退出休眠状态，然后时差法测量模块4内的单片机将向相关法测量模块5内的DSP返回一串数据帧，使得相关法测量模块5进入休眠状态，同时时差法测量模块4开始对当前风速进行测量。

按照上述切换顺序，相关法测量模块5和时差法测量模块4，将根据风速测量的实际需要，做到有序的时序切换和测量配合，并将本发明所述方法的优势充分发挥出来：时差法测量模块4虽然对微小风速的测量精度角度，但对中高风速的测量精度还是能满足超声波风速仪1的精度要求的，同时，时差法测量模块4由于采用了电路十分简单的低功耗单片机，其测量功耗很低，有效地保证了超声波风速仪1内的电池工作寿命；相关法测量模块5对中高风速和微小风速都有较高的测量精度，但相关法测量模块5由于采用了计算能力强大的DSP，其测量功耗很高，而本发明所述的方法，只用相关法测量模块5测量微小风速，这样既弥补了时差法对微小风速测量精度低的缺点，确保了超声波风速仪1整机对微小风速的测量精度，又使得超声波风速仪1的整机功耗不至于太高。

本发明所述的方法，可以使用在任意电池供电式二维超声波风速仪和电池供电式三维超声波风速仪上。

需要指出的是，以上所述者仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图据以对本发明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护之范畴。

Claims (4)

1.一种超声波风速仪量程拓宽方法，基于相关法和时差法配合使用，其特征在于，由时差法测量模块(4)、相关法测量模块(5)、第一换能器(2A)、第二换能器(3A)、第三换能器(2B)和第四换能器(3B)组成；风速较高时，休眠相关法测量模块(5)的硬件电路，启动时差法测量模块(4)的硬件电路，使用时差法测量当前风速；风速较低时，休眠时差法测量模块(4)的硬件电路，启动相关法测量模块(5)的硬件电路，使用相关法测量当前风速；

风速较高时指当前风速值大于预先设定并存储在超声波风速仪内部的超声波风速仪最大可测量风速的5％；

风速较低时指当前风速值小于预先设定并存储在超声波风速仪内部的超声波风速仪最大可测量风速的3％。

2.根据权利要求1所述的超声波风速仪量程拓宽方法，其特征在于，所述时差法测量模块(4)由低功耗的单片机电路(4A)、第一多路选择器电路(4B)和阈值比较电路(4C)组成；使用时差法测量风速包括如下步骤：

步骤1：单片机电路(4A)通过第一多路选择器电路(4B)向第一换能器(2A)和第二换能器(3A)发送3～7个脉冲信号，使得第一换能器(2A)和第二换能器(3A)向外发送超声波波束，同时，单片机电路(4A)依靠内部或外部晶振开始计时；第三换能器(2B)和第四换能器(3B)接收到超声波波束后，产生的信号经过阈值比较电路(4C)后输入到单片机电路(4A)，使得单片机电路(4A)停止计时，并存储时间T1；

步骤2：单片机电路(4A)通过第一多路选择器电路(4B)向第三换能器(2B)和第四换能器(3B)发送3～7个脉冲信号，使得第三换能器(2B)和第四换能器(3B)向外发送超声波波束，同时，单片机电路(4A)依靠内部或外部晶振开始计时；第一换能器(2A)和第二换能器(3A)接收到超声波波束后，产生的信号经过阈值比较电路(4C)后输入到单片机电路(4A)，使得单片机电路(4A)停止计时，并存储时间T2；

步骤3：单片机根据时间T1和时间T2之间的差值ΔT，乘上比例系数k_时差，计算得到当前的风速值。

3.根据权利要求1所述的超声波风速仪量程拓宽方法，其特征在于，所述相关法测量模块(5)由DSP电路(5A)、第二多路选择器电路(5B)和AD采样电路(5C)组成；使用相关法测量风速包括如下步骤：

步骤1：DSP电路(5A)通过第二多路选择器电路(5B)向第一换能器(2A)和第二换能器(3A)发送3～7个脉冲信号，使得第一换能器(2A)和第二换能器(3A)向外发送超声波波束，同时，AD采样电路(5C)开始采样；第三换能器(2B)和第四换能器(3B)接收到超声波波束后，产生的信号波形曲线S1将被AD采样电路(5C)实时采样并存储在DSP电路(5A)内部；采样时间达到预先设定值后，AD采样电路(5C)停止工作；

步骤2：DSP电路(5A)通过第二多路选择器电路(5B)向第三换能器(2B)和第四换能器(3B)发送3～7个脉冲信号，使得第三换能器(2B)和第四换能器(3B)向外发送超声波波束，同时，AD采样电路(5C)开始采样；第一换能器(2A)和第二换能器(3A)接收到超声波波束后，产生的信号波形曲线S2将被AD采样电路(5C)实时采样并存储在DSP电路(5A)内部；采样时间达到预先设定值后，AD采样电路(5C)停止工作；

步骤3：DSP电路(5A)将采样得到的曲线S1与曲线S2进行卷积运算，并卷积运算的结果乘上比例系数k_相关，计算得到当前的风速值。

4.根据权利要求1所述的超声波风速仪量程拓宽方法，其特征在于，其特征在于，超声波风速仪根据当前风速值的不同，自动选择时差法或相关法测量风速；具体选择方法如下：

超声波风速仪开机或重启之后，默认由时差法测量模块(4)测量当前风速，而相关法测量模块(5)保持在休眠状态；

当时差法测量模块(4)测量得到的当前风速值小于预先设定并存储在超声波风速仪内部的超声波风速仪最大可测量风速的3％时，时差法测量模块(4)内的单片机将通过串口或普通IO口向相关法测量模块(5)内的DSP电路发送一串数据帧，使得相关法测量模块(5)退出休眠状态，然后相关法测量模块(5)内的DSP电路将向时差法测量模块(4)内的单片机返回一串数据帧，使得时差法测量模块(4)进入休眠状态，同时相关法测量模块(5)开始对当前风速进行测量；

当相关法测量模块(5)测量得到的当前风速值大于预先设定并存储在超声波风速仪内部的超声波风速仪最大可测量风速的5％时，相关法测量模块(5)内的DSP电路将通过串口或普通IO口向时差法测量模块(4)内的单片机发送一串数据帧，使得时差法测量模块(4)退出休眠状态，然后时差法测量模块(4)内的单片机将向相关法测量模块(5)内的DSP电路返回一串数据帧，使得相关法测量模块(5)进入休眠状态，同时时差法测量模块(4)开始对当前风速进行测量。