CN104764901B - 列车车载全向固态测风的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种风速风向测量装置，具体是一种列车车载全向固态测风的装置。解决了现有传感器不能克服其外形造成的扰流的影响，不具有耐风沙、耐高低温、防冰冻、抗雨淋等抗恶劣环境的能力的问题，本发明研制的固态测风装置及其使用的方法从测量原理上改变了传统固态测风传感器的压差式测量方法，克服了由于结构外形造成的扰流影响，由于增加了内部的空间可以增加必要的抗恶劣环境影响的组件，增加了产品的耐风沙、抗雨淋性能。
Description
技术领域
本发明属于一种风速风向测量装置，具体是一种列车车载全向固态测风的装置。
背景技术
高速列车已成为铁路运输的主要工具，且运行速度越来越快，环境自然风尤其是列车运行过程中车身感受的横向风严重影响了列车运行的安全。
目前，类似的固态测风传感器直接采用圆柱体为压力受感体，压力受感孔正交方向开孔，前后压力受压孔直接对应连接差压传感器正负向，采用正交矢量算法解算风速风向的大小。为保证测量精度其受感圆柱体直径较小，不具有抗结冰、防沙尘、防雨水等恶劣环境的能力。
发明内容
本发明为了解决现有传感器不能克服其外形造成的扰流的影响，不具有耐风沙、耐高低温、防冰冻、抗雨淋等抗恶劣环境的能力的问题，提供一种列车车载全向固态测风的装置。
本发明采取以下技术方案：一种列车车载全向固态测风的装置，包括安装板、底部机架、受感单元和顶盖，底部机架通过安装板安设在列车上，底部机架上部设有受感单元，受感单元顶部设有顶盖。
所述的受感单元为8个沿周侧均匀分布的受感盘，受感盘的前缘在十字正交和45°正交处的同一截面分别开一组孔，每组孔内设置5个压力受感孔，压力受感孔前侧设有防尘网，5个压力受感孔后端合成一个压力腔。
受感盘后侧的压力腔通过受感管路与差压传感器连接，受感盘其后端的腔体顶端接向上斜的受感管路，受感管路的最高点弯曲布置，受感盘上的压力受感孔位于整个受感管路的最低点；
所述的受感管路包括与压力腔连接的带角度弯曲管路和与带角度弯曲管路连接的专用三通阀，专用三通阀分别与气泵和差压传感器连接。
所述的受感单元还包括设置在其内部的静压传感器和温度传感器。
顶盖为椭球流线体。
受感盘后侧的压力腔下侧设有PTC陶瓷加热器。
本装置使用的具体方法如下：
1) 在风洞中进行吹风试验，采集固定风速V、不同风向x来风情况下各传感器对应的压力值记为P实，该风速下压力理论值为P理=0.5ρV2，得出修正系数k=P实/P理，只要吹风得出0～45的k值即可，公式为：k = -0.0007x2 + 0.019x + 1.97，其中x为角度；
2) 当固态测风装置周围有风或列车运行时，8个受压孔感受到8个方向的压力,此压力加上腔体内压力PS得到的压力值记为Pi（i=1～8），取其中两个最大的压力值记为P1、P2，记z=P1/P2，则z与风向角度θ有如下关系：
θ=(1.85-z)/0.04，θ为角度，z为P1、P2的比值；
3) 装置内的静压传感器测得腔体内压力PS，装置内温度传感器测得空气温度记为T，由此两个参数可计算出空气密度记为：
ρ=Ps/RT，R为气体常数取2.8704；
4) 根据伯努利方程
P=0.5ρV2
其中，由上述测量参数即可解算出综合风速记为V综，再根据V综和风向θ分解出纵向分量（即列车行进方向分量）V综y以及横向分量V综X；
5) 通过连接车上车速传感器可测得动车行车速度记为V车，我们认为行车本身造成的车体风与车速大小相等、方向相反，记为V车风，则有
Vy= V综y-V车风
6) V综X与Vy进行矢量合成，即可得到最终的外界自然风速V。
与现有技术相比，传统固态传感器采用对称压差式测量，这种传感器为了克服外形造成的扰流影响，设计的外形结构必须足够小，但是小直径的传感器内部无法安装抗干扰的各种装置，因此这种传感器不具备抗风沙、抗雨淋环境，不能直接应运在列车车载动态测风的场合。
本发明研制的固态测风装置及其使用的方法从测量原理上改变了传统固态测风传感器的压差式测量方法，克服了由于结构外形造成的扰流影响，由于增加了内部的空间可以增加必要的抗恶劣环境影响的组件，增加了产品的耐风沙、抗雨淋性能，选用满足-45~70℃的电子元器件，满足了固态测风装置的高低温使用环境。在测量范围和测量精度方面不低于现有的固态传感器指标，是一款为列车车载动态测风专用装置。
附图说明
图1是本发明装置外型图；
图2是受压孔方位示意图；
图3是受感单元布置图；
图4是受感单元内部构型图；
图5是压力采集孔示意图；
图6是受感管路组件感压气流流向示意图；
图7是受感管路组件反向吹风气流流向示意图；
1-顶盖，2-受感单元，3-底部机架，4-安装板，5-受感盘，6-受感管路，7-专用三通阀,8-差压传感器，9-气泵,10-PTC陶瓷加热器。
具体实施方式
如图4,5所示，一种列车车载全向固态测风的装置，包括安装板4、底部机架3、受感单元2和顶盖1，底部机架3通过安装板4安设在列车上，底部机架3上部设有受感单元2，受感单元2顶部设有顶盖1。
所述的受感单元2为8个沿周侧均匀分布的受感盘5，受感盘（5）的前缘在十字正交和45°正交处的同一截面分别开一组孔，每组孔内设置5个压力受感孔，压力受感孔前侧设有防尘网，5个压力受感孔后端合成一个压力腔。
受感盘5后侧的压力腔通过受感管路6与差压传感器8连接，受感盘5其后端的腔体顶端接向上斜的受感管路6，受感管路6的最高点弯曲布置，受感盘5上的压力受感孔位于整个受感管路的最低点。
所述的受感管路6包括与压力腔连接的带角度弯曲管路和与带角度弯曲管路连接的专用三通阀，专用三通阀7分别与气泵9和差压传感器8连接。如图6所以，专用三通阀断电时，其阀芯处于图示位置，此时压力受感孔与差压传感器相通（如图箭头所示为通路），其连接气泵的一侧为常闭状态。
如图7所示，专用三通阀通电时，其阀芯向上动作，处于图示位置，此时压力受感孔与气泵相通（如图箭头所示为通路），其连接差压传感器一侧为封闭状态，防止对传感器的损坏。通过反向吹风清除管路及压力受感孔处残留的沙尘，保证气路畅通。
所述的受感单元2还包括设置在其内部的静压传感器和温度传感器。
顶盖1为椭球流线体。
受感盘5后侧的压力腔下侧设有PTC陶瓷加热器10。加装PTC陶瓷加热器，装置检测外界温度低于零度时启动加热装置，加热装置通过结构的热转导作用，将热量传递到受压孔周围，使装置能够除去受压孔附近的结冰或防冰。
为减少风阻和噪音装置受感体设计为流线型，受感单元与受感体融为一体。装置外型图见附图1、受压孔方位见附图2、受感单元布置图见附图3。
该装置受感单元由风压受感体、防结冰加热组件、正向隔离逆向吹尘组件、雨水隔离组件8个差压传感器、1个静压传感器等组成。受感部分内部构型见附图4。
雨水隔离组件：
装置压力采集孔为整个测压管路的最低点，在测压孔后置腔体顶端接向上斜斜导管，管路的最高点弯曲布置，阻止水的进入。通过向上弯曲的管路设计使受压孔始终处于整个管路的最低处，使进入到管路的液体靠自重自行流出装置。防水结构设计示意图见附图5。
正向防尘逆向吹尘组件：
a) 余度设计
受感单元的受感孔采用多余度设计,受感盘前缘在十字正交和45°正交处的同一截面分别开一组孔，每组在φ10的区间内设置5个φ1.5压力受感孔，5个φ1.5压力孔后端合成一压力腔，5个压力采集孔互为备份，有一孔通即可正常采集压力。
b) 隔离设计
受感管路组件（单路）由一个测压单元、带角度弯曲管路、专用三通阀、一个差压传感器组成。在受感部件的受感孔处和专用三通阀入口处加装防尘网，阻止沙尘进入。
c) 逆向吹气
受感孔隔离网外侧残留的沙尘通过逆向吹气的方式清理。受感孔与气压源和传感器之间气路连接专用三通阀，专用三通阀连接气泵的一侧为常闭状态，此时受感孔与差压传感器相通；当气泵向受感孔逆向吹气时三通阀通电，气压源与受感孔管路导通，传感器与管路关断，防止对传感器的损坏。通过逆向吹气清理掉受感孔隔离网外侧残留的沙尘，保证气路畅通。
防结冰加热组件：
在分压受感体上加装PTC陶瓷加热器，装置检测外界温度低于零度时启动加热装置，加热装置通过结构的热转导作用，将热量传递到受压孔周围，使装置能够除去受压孔附近的结冰或防冰。
Claims (1)
1.一种列车车载全向固态测风的装置，其特征在于：包括安装板（4）、底部机架（3）、受感单元（2）和顶盖（1），底部机架（3）通过安装板（4）安设在列车上，底部机架（3）上部设有受感单元（2），受感单元（2）顶部设有顶盖（1）；
所述的受感单元（2）为8个沿周侧均匀分布的受感盘（5），受感盘（5）的前缘在十字正交和45°正交处的同一截面分别开一组孔，每组孔内设置5个压力受感孔，压力受感孔前侧设有防尘网，5个压力受感孔后端合成一个压力腔；
受感盘（5）后侧的压力腔通过受感管路（6）与差压传感器（8）连接，受感盘（5）其后端的腔体顶端接向上斜的受感管路（6），受感管路（6）的最高点弯曲布置，受感盘（5）上的压力受感孔位于整个受感管路的最低点；
所述的受感管路（6）包括与压力腔连接的带角度弯曲管路和与带角度弯曲管路连接的专用三通阀，专用三通阀（7）分别与气泵（9）和差压传感器（8）连接；
所述的受感单元（2）还包括设置在其内部的静压传感器和温度传感器。
顶盖（1）为椭球流线体；
受感盘（5）后侧的压力腔下侧设有PTC陶瓷加热器（10）。
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