CN104991085B - 风速传感器的启动风速现场校准仪器及启动风速获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风速传感器的启动风速现场校准仪器和启动风速获取方法，其中校准仪器包括用于产生气流的给风模块、用于获取风速传感器的风杯启动时所需的标准风速值，并传输至控制模块的测风模块、用于将给风模块产生的气流转换成风速传感器的风杯启动所需的标准风速的标准气流获取模块、用于计算风速传感器的风杯启动需要的实际启动风速值，并根据风杯是否启动控制给风模块工作的控制模块；控制模块根据当前风速计算出实际的启动风速，并根据该启动风速对风杯传感器进行校准。该发明的装置便于携带到各种测风现场进行三杯式风速计启动风速的校验工作。
Description
技术领域
本发明属于校准仪器领域，具体涉及一种风速传感器的启动风速现场校准仪器及启动风速获取方法。
背景技术
风杯式风速传感器是应用极为广泛的测风传感器，但是在其用了一段时间后，风杯组件会老化，启动风速会增大，这时就需要对启动风速进行校准，如果超过一定范围就需要更换风速传感器。现在对风速传感器启动风速的校准办法还基本是将风速传感器送到专门的风洞实验室进行测量，这样做极为费时，费财，而且不便于对风速传感器进行定期的检查和维护。截止到2012年7月，全国已建成3万余自动气象站，有些自动气象站地处偏远；对于这些自动气象站的风杯式风速传感器启动风速的校准，就需要一种便携的可以进行现场校准的设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种风速传感器的启动风速现场校准仪器及启动风速获取方法，解决了现有技术中风杯式风速传感器启动风速现场校准难度大的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
风速传感器的启动风速现场校准仪器，包括给风模块、测风模块、标准气流获取模块、控制模块；其中，给风模块用于产生气流；标准气流获取模块用于将给风模块产生的气流转换成风速传感器的风杯启动所需的标准风速；测风模块用于获取风速传感器的风杯启动时所需的标准风速值，并传输至控制模块；控制模块用于计算风速传感器的风杯启动需要的实际启动风速值，并根据风杯是否启动控制给风模块工作，若风杯未启动，则给风模块的风速持续增加，若风杯启动则保持当前风速施加于风杯，控制模块根据当前风速计算出实际的启动风速，并根据该启动风速对风杯传感器进行校准。
所述控制模块包括中央处理器及风杯启动检测装置，风杯启动检测装置用于检测风杯的启动信息，并将该启动信息发送至中央处理器，中央处理器接收到启动信息后，控制给风模块保持当前风速不变。
所述风杯启动检测装置为红外检测装置。
所述标准气流获取模块包括从气流进口到气流出口依次设置的整流段、收缩段、实验段，其中，整流段用于将给风模块产生的气流梳理均匀，以获得流场稳定均匀的气流；收缩段用于将均匀的气流进行加速；实验段用于将加速后的气流形成流动方向一致、速度均匀的稳定气流，该稳定气流作为标准风施加于风杯上。
所述整流段包括阻尼网和蜂窝器。
根据如下公式计算风速传感器的启动风速v：
其中，C(θ)为整个风杯系统的风压系数，ρ为空气密度，R为风杯回转半径，A为风杯切口面积，Bo为静摩擦力矩，v(π)为系统获取的标准风速，C(π)为180度对应的单个风杯风压系数，θ为风向与风杯中心线的夹角。
整个风杯系统的风压系数C(θ)根据如下公式获取：
C(θ)＝Cn(θ)+Cn(θ+120°)+Cn(θ+240°)，其中，Cn(θ)为风杯系统单个风杯的风压系数。
整个风杯系统的风压系数C(θ)是将单个风杯风压系数曲线进行拟合、平移、相加处理后，得到的一条正弦曲线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、便于携带到各种测风现场进行三杯式风速计启动风速的校验工作。
2、与传统风洞获取启动风速的方法不同，根据JJG(气象)004-2011_自动气象站风向风速传感器检定规程可知，传统方法获取的启动风速的值准确度不高，可以准确计算获取到风杯不同初始位置的启动风速及最大、最小、平均值。
3、本校准设备自动化程度高、方便、快捷，去除了已有风杯风速计启动风速校准仪器及风洞实验获取启动风速人为操作偶然性。
4、本校准仪器原理、结构简单，节约成本，便于推广使用。
附图说明
图1为风杯式风速传感器的俯视图。
图2为静摩擦力矩的测量办法示意图。
图3为获得标准气流结构设计示意图。
图4为本发明的系统结构框图。
图5为整个风杯系统的风压系数曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。
本发明的风速传感器启动风速的获取方法是基于启动风速的数学模型，风杯式风速传感器俯视图如图1所示：
根据如下公式计算风速传感器的启动风速v：
其中，C(θ)为整个风杯系统的风压系数，ρ为空气密度，R为风杯回转半径，A为风杯切口面积，Bo为静摩擦力矩，θ为风向与风杯中心线的夹角。
整个风杯系统的风压系数C(θ)根据如下公式获取：
C(θ)＝Cn(θ)+Cn(θ+120°)+Cn(θ+240°)，其中，Cn(θ)为风杯系统单个风杯的风压系数。
整个风杯系统的风压系数C(θ)是将单个风杯风压系数曲线进行拟合、平移、相加处理后，得到的一条正弦曲线如图5所示：蓝色曲线是对单个风杯风压系数曲线进行拟合、平移、相加处理后的曲线，红色是对此曲线拟合的正弦曲线。
该方法的具体推导过程如下：
如图2所示，据动压定义，风杯静止，风相对于风杯的速度为v，作用在风杯上的流动空气的动压为则作用在风杯截口有效面积的压力即是乘上截口面积A和风杯结构形状相关的风压系数C(θ)，即压力：则风作用在风杯风速计上产生的扭力矩就是是再乘上回转半径R，即为：然后由启动瞬间整个风杯系统的力矩平衡，即风杯风速计的静摩擦力矩和空气扭力矩平衡条件有：直接解此等式即可得到的启动风速为:要注意的是此处风压系数C(θ)是整个风杯系统的风压系数，即是3个风杯的单个风压系数的叠加；要得到启动风速v，需要知道的参数有：空气密度(已知，通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3)，风杯回转半径R和风杯切口面积A据实际风杯风速计得到，主要需要解决的就是风压系数C(θ)的处理及静摩擦力矩Bo的测量；对于风压系数的处理，现已知单个风杯风压系数的实验曲线，整个风杯系统的风压系数是由三个风杯各自风压系数的叠加，因为风杯每转120°就会回到原来的位置，所以已知单个风杯的风压系数的曲线，分别平移120°、240°后即是第二、三个风杯的风压系数曲线，实际的风压系数为C(θ)＝Cn(θ)+Cn(θ+120°)+Cn(θ+240°)；风杯组件所受到的风压随风杯所处的θ角不同而不同；利用MATLAB对单个风压系数曲线做平移相加的处理，得到的整个风杯系统的风压系数曲线和正弦曲线十分接近，如图5所示，因此，对于不同初始位置的风杯传感器，如果测出摩擦力矩，即可以根据这个风压系数的正弦曲线计算出启动风速。
现在需要解决的就是静摩擦力矩的问题，对于静摩擦力矩的测量，采取不同于传统测力矩的办法，因为对于风杯式传感器的特殊结构，采用传统的测量力矩的办法如：力矩平衡法，吊码法等，考虑到测量精度的需要和风杯风速计实际的模型，这些测量办法都不能获得很好的测量效果，而且从现场校验的方便快捷简单的使用考虑，这些测量方法都不是很好的解决办法；
本设备测量静摩擦力矩的办法思路是，我们利用启动风速的数学模型公式获得启动风速的方法是，测出静摩擦力矩Bo的值来获得启动风速V，那么我们也可以反过来思考：给单个风杯一定风速的标准流动空气作用，即在单个风杯上产生的扭力矩和整个风杯系统的静摩擦力矩平衡来计算出静摩擦力矩的值，如图2所示：
由力矩平衡条件，管子给正对着的风杯一定速度空气，产生的扭力矩和风杯系统的静摩擦力矩Bo相等；v(π)为系统获取的标准风速，C(π)为180度对应的单个风杯风压系数，此时C(π)值、管子所给的风速v、风杯截口面积A、风杯回转半R、空气密度ρ都为已知量，则由可以算出静摩擦力矩Bo的值，得到静摩擦力矩的值之后，由整个风杯系统的启动瞬间的力矩平衡有：C(θ)＝Cn(θ)+Cn(θ+120°)+Cn(θ+240°)，整个系统的风压系数为一正弦曲线，则启动风速可以很容易算出。
风速传感器的启动风速现场校准仪器，如图4所示，包括给风模块、测风模块、标准气流获取模块、控制模块；其中，给风模块用于产生气流；标准气流获取模块用于将给风模块产生的气流转换成风速传感器的风杯启动所需的标准风速；测风模块用于获取风速传感器的风杯启动时所需的标准风速值，并传输至控制模块；控制模块用于计算风速传感器的风杯启动需要的实际启动风速值，并根据风杯是否启动控制给风模块工作，若风杯未启动，则给风模块的风速持续增加，若风杯启动则保持当前风速施加于风杯，控制模块根据当前风速计算出实际的启动风速，并根据该启动风速对风杯传感器进行校准。
所述控制模块包括中央处理器及风杯启动检测装置，风杯启动检测装置用于检测风杯的启动信息，并将该启动信息发送至中央处理器，中央处理器接收到启动信息后，控制给风模块保持当前风速不变。
所述风杯启动检测装置为红外检测装置。
所述标准气流获取模块如图3所示，包括从气流进口到气流出口依次设置的整流段、收缩段、实验段，其中，整流段用于将给风模块产生的气流梳理均匀，以获得流场稳定均匀的气流；收缩段用于将均匀的气流进行加速；实验段用于将加速后的气流形成流动方向一致、速度均匀的稳定气流，该稳定气流作为标准风施加于风杯上。
所述整流段包括阻尼网和蜂窝器。
Claims (3)
1.风速传感器启动风速的获取方法，其特征在于：根据如下公式计算风速传感器的启动风速v：
<mrow>
<mi>v</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>B</mi>
<mi>o</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>&rho;</mi>
<mi>C</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&theta;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>A</mi>
<mi>R</mi>
</mrow>
</mfrac>
</msqrt>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，C(θ)为整个风杯系统的风压系数，ρ为空气密度，R为风杯回转半径，A为风杯切口面积，Bo为静摩擦力矩，v(π)为系统获取的标准风速，C(π)为180度对应的单个风杯风压系数，θ为风向与风杯中心线的夹角。
2.根据权利要求1所述的风速传感器启动风速的获取方法，其特征在于：整个风杯系统的风压系数C(θ)根据如下公式获取：
C(θ)＝Cn(θ)+Cn(θ+120°)+Cn(θ+240°)，其中，Cn(θ)为风杯系统单个风杯的风压系数。
3.根据权利要求2所述的风速传感器启动风速的获取方法，其特征在于：整个风杯系统的风压系数C(θ)是将单个风杯风压系数曲线进行拟合、平移、相加处理后，得到的一条正弦曲线。
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