CN105044383A - 一种测量风速的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量风速的装置及方法，所述测量风速的装置包括：探杆，横向贯穿所述探杆并将所述探杆分成探杆上部和探杆下部两段的转动支点以及位于探杆的顶部的力学传感器；所述探杆下部在风力作用下可绕所述转动支点转动并在转动时所述探杆的顶部与所述力学传感器接触，所述力学传感器根据所述探杆相对所述转动支点的力矩和所述转动支点与所述探杆的顶部之间的距离获取所述探杆在风力作用下的作用力；根据所述力学传感器获取的作用力获取气体平均风速。本发明可以根据测量范围灵活调整放大倍数，有效扩展了测量范围和精度；同时本发明中的探杆采用碳纤维材料，防腐蚀、防水、防尘效果好，适应长期恶劣工况气体的测量。

Description

一种测量风速的装置及方法

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，具体为一种测量风速的装置及方法。

背景技术

测量复杂恶劣的气体工况下精确测量风速通常都是工程中较为困难的问题。其条件通常具有以下特点：酸、碱腐蚀性强，对测量装置会产生快速的腐蚀，并且影响其正常工作；待测量气体洁净程度低，甚至可能出现固(灰尘)、液、气多种介质的混合流动；待测量气体处于不稳定的外界条件，例如：温度、气压等。

现有用于管道气体风速、动压及风量的检测装备主要有毕托管压差式、机械扇叶式、热电式和涡街式。其分别有以下特点：1)毕托管(压差)式，现有的毕托管测风速的装置，其原理是测量待测气体内毕托管迎风面及背风面的压差，将其视为动压来反推出风速大小，从原理上该装置在精确性受到毕托管形状及管道扰流情况的影响。另外，由于动压正比于风速的平方，即风速的变化体现为动压的变化较小，此关系会导致低风速情况下毕托管前后压差过于微小，无法精确测量所对应的风速。2)机械扇叶式，该原理的风速测量装置多用于高风速、较洁净的气体介质的测量，因为其原理是通过扇叶的旋转状态转换成电信号，其扇叶转动需要一定较大的启动风压，并且其还存在一定的反应时间；另外，机械扇叶在强腐蚀性气体中机械转动配合位置一旦被腐蚀掉后即会出现转动不畅，甚至卡死等问题。3)热电式，从基本原理上就存在巨大的缺陷，其测量结果受到环境温度、空气洁净度影响非常明显，容易出现老化、偏移等。4)涡街式，其原理是通过测量漩涡发生器产生涡流的频率来测量流量，首先从成本上涡街式流量计是非常高的，并且其加工生产工艺要求较高，生产过程中的细微因素都会直接影响的测量精度；另外，动态气体本身的涡流也会干扰到其漩涡发生器的漩涡频率。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种测量风速的装置及方法，用于解决现有技术中在复杂恶劣的工况下测量风速效果差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种测量风速的装置，所述测量风速的装置包括：探杆，横向贯穿所述探杆并将所述探杆分成探杆上部和探杆下部两段的转动支点以及位于探杆的顶部的力学传感器；所述探杆下部在风力作用下可绕所述转动支点转动并在转动时所述探杆的顶部与所述力学传感器接触，所述力学传感器根据所述探杆相对所述转动支点的力矩和所述转动支点与所述探杆的顶部之间的距离获取所述探杆在风力作用下的作用力；根据所述力学传感器获取的作用力获取气体平均风速。

优选地，所述探杆为板条状探杆；所述探杆的宽度的取值范围为5mm～20cm。

优选地，所述探杆为碳纤维探杆。

为实现上述目的，本发明还提供一种测量风速的方法，所述测量风速的方法包括：提供一探杆，横向贯穿所述探杆并将所述探杆分成探杆上部和探杆下部两段的转动支点以及位于所述探杆顶部的力学传感器；所述探杆下部在风力作用下可绕所述转动支点转动并在转动时所述探杆的顶部与所述力学传感器接触，获取所述探杆相对所述转动支点的力矩；根据所述探杆相对所述转动支点的力矩和所述转动支点与所述探杆的顶部之间的距离获取所述探杆在风力作用下的作用力；根据所述作用力获取气体平均风速。

优选地，所述探杆为碳纤维探杆。

优选地，所述探杆下部置于待测风速设备中，所述探杆上部和所述转动支点置于所述待测风速设备外；获取所述探杆相对所述转动支点的力矩的一种表达方式为：

$T={\∫}_{L_0}^{L_1}{p}_{d}wxdx=\frac{p_{d}w}{2}(L_1^2-L_0^2)$

其中，T为力矩，L₀为转动支点与待测风速设备外表面之间的距离，L₁为转动支点与探杆底部之间的距离，p_d为平均气流动压，w为探杆的宽度，x为转动支点与探杆下部之间的距离。

优选地，获取所述探杆在风力作用下的作用力的一种表达方式为：

$F=\frac{T}{L_2}=\frac{p_{d}w}{2L_2}(L_1^2-L_0^2)$

其中，F为作用力，L₂为转动支点与探杆顶部之间的距离。

优选地，根据所述作用力获取气体平均风速的一种表达方式为：

$V=K\sqrt{p_d}=K\sqrt{\frac{2{\mathrm{FL}}_2}{w(L_1^2-L_0^2)}}$

其中，V为气体平均风速，K为特性系数。

优选地，所述测量风速的方法还包括：根据所述气体平均风速获取气体通过指定横截面积的风量。

优选地，获取气体通过指定横截面积的风量的一种表达方式为：

$Q=AV=AK\sqrt{p_d}=AK\sqrt{\frac{2{\mathrm{FL}}_2}{w(L_1^2-L_0^2)}}$

其中，Q为气体通过指定横截面积的风量，A为指定横截面积。

如上所述，本发明的一种测量风速的装置及方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用探杆、转动支点及传感器形成机械力学传导机构，可有效放大微小气体动压的作用力，完全屏蔽了其他类型传感器面临的信号处理干扰问题，同时可以根据测量范围灵活调整放大倍数，有效扩展了测量范围和精度。

2、同时本发明中的探杆采用碳纤维材料，防腐蚀、防水、防尘效果好，适应长期恶劣工况气体的测量，长期运行无漂移老化等问题。

3、此外，本发明采用探杆、转动支点及传感器形成机械力学传导机构，结构简单，易于生产加工，成本可控。

4、本发明可在风管等设备上使用，具有较强的通用性和实用性。

附图说明

图1显示为本发明的一种测量风速的装置的整体结构示意图。

图2显示为本发明的一种测量风速的方法的流程示意图。

元件标号说明

1测量风速的装置

11探杆

12转动支点

13力学传感器

2管道

S11～S14

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明的目的在于提供一种测量风速的装置及方法，用于解决现有技术中在复杂恶劣的工况下测量风速效果差的问题。以下将详细阐述本发明的一种测量风速的装置及方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的一种测量风速的装置及方法。

如图1所示，本实施例提供一种测量风速的装置，采用耐受恶劣工况气流的机械力学传导机构测量气体动压，通过计算可转换为风速、风量等相关测量数据。

具体地，如图1所示，所述测量风速的装置1包括：探杆11，转动支点12和力学传感器13。也就是由探杆11，转动支点12和力学传感器13构成机械力学传导机构，该机械力学传导机构结构简单，易于生产加工，成本可控。通过该机械力学传导结构可有效放大微小气体动压的作用力，完全屏蔽了其他类型传感器面临的信号处理干扰问题，同时可以根据测量范围灵活调整放大倍数，有效扩展了测量范围和精度。

具体地，在本实施例中，所述探杆11为板条状探杆11；所述探杆11的宽度的取值范围为5mm～20cm，所述探杆11的宽度的取值范围为5mm～20cm，所述探杆11的高度的取值范围为5cm～5m。

由于测量复杂恶劣的气体工况下精确测量风速通常都是在以下恶劣条件下进行：

地表酸、碱腐蚀性强，对测量装置会产生快速的腐蚀，并且影响其正常工作；待测量气体洁净程度低，甚至可能出现固(灰尘)、液、气多种介质的混合流动；待测量气体处于不稳定的外界条件，例如：温度、气压等。所以在本实施例中，所述探杆11采用碳纤维探杆，即暴露在恶劣工况下的机械力学传导机构主要由耐腐蚀耐积尘结露的碳纤维材质探杆组成。探杆11采用碳纤维材料，防腐蚀、防水、防尘效果好，适应长期恶劣工况气体的测量，长期运行无漂移老化等问题。

转动支点12横向贯穿所述探杆11并将所述探杆11分成探杆上部和探杆下部两段，具体地，所述转动支点12为一个圆柱轴，所述圆柱轴贯穿所述探杆11并将所述探杆11分成探杆上部和探杆下部两段，所述探杆11可绕所述圆柱轴转动，这样，在风力的作用下，所述探杆上部和所述探杆下部便会相对转动，若风力作用在所述探杆下部，则所述探杆上部相应会向一侧转动。

所述力学传感器13位于探杆11的顶部；具体地，所述力学传感器13可固定于距离探杆11的顶部两侧的一段距离处，例如可固定于探杆11的顶部的风来的方向，因为风来的方向与风力吹的方向相反，风向吹向探杆下部，探杆上部自然便会向风来的方向倾斜，这样把所述力学传感器13设置在所述探杆上部倾斜的方向，以便获取探杆11在风力作用下的作用力。

所述探杆下部在风力作用下可绕所述转动支点12转动并在转动时所述探杆11的顶部与所述力学传感器13接触，所述力学传感器13根据所述探杆11相对所述转动支点12的力矩和所述转动支点12与所述探杆11的顶部之间的距离获取所述探杆11在风力作用下的作用力；根据所述力学传感器13获取的作用力获取气体平均风速。

为使本领域技术人员进一步理解本发明的测量风速的装置1，以下将详细说明本发明的测量风速的装置1的测量原理。

具体地，如图1所示，所述探杆11下部置于待测风速设备中，所述探杆上部和所述转动支点12置于所述待测风速设备外，然后获取所述探杆相对所述转动支点12的力矩，获取所述探杆11相对所述转动支点12的力矩的一种表达方式为：

$T={\∫}_{L_0}^{L_1}{p}_{d}wxdx=\frac{p_{d}w}{2}(L_1^2-L_0^2)$

其中，T为力矩，L₀为转动支点与待测风速设备外表面之间的距离，L₁为转动支点与探杆底部之间的距离，p_d为平均气流动压，w为探杆的宽度，x为转动支点与探杆下部之间的距离。

然后根据所述探杆11相对所述转动支点的力矩和所述转动支点12与所述探杆11的顶部之间的距离获取所述探杆11在风力作用下的作用力；具体地，获取所述探杆11在风力作用下的作用力的一种表达方式为：

$F=\frac{T}{L_2}=\frac{p_{d}w}{2L_2}(L_1^2-L_0^2)$

其中，F为作用力，L₂为转动支点与探杆顶部之间的距离。

之后根据所述作用力获取气体平均风速，具体地，根据所述作用力获取气体平均风速的一种表达方式为：

$V=K\sqrt{p_d}=K\sqrt{\frac{2{\mathrm{FL}}_2}{w(L_1^2-L_0^2)}}$

其中，V为气体平均风速，K为特性系数。

最后，可以根据所述气体平均风速获取气体通过指定横截面积的风量。

具体地，在本实施例中，获取气体通过指定横截面积的风量的一种表达方式为：

$Q=AV=AK\sqrt{p_d}=AK\sqrt{\frac{2{\mathrm{FL}}_2}{w(L_1^2-L_0^2)}}$

其中，Q为气体通过指定横截面积的风量，A为指定横截面积。

为实现上述目的，本实施例还提供一种测量风速的方法，如图2所示，所述测量风速的方法包括以下步骤。

步骤S11，提供一个如图1中所示的测量风速的装置，具体地：提供一探杆11，横向贯穿所述探杆11并将所述探杆11分成探杆上部和探杆下部两段的转动支点12以及位于所述探杆顶部的力学传感器13。也就是由探杆11，转动支点12和力学传感器13构成机械力学传导机构，该机械力学传导机构结构简单，易于生产加工，成本可控。通过该机械力学传导结构可有效放大微小气体动压的作用力，完全屏蔽了其他类型传感器面临的信号处理干扰问题，同时可以根据测量范围灵活调整放大倍数，有效扩展了测量范围和精度。

具体地，在本实施例中，所述探杆11为板条状探杆；所述探杆11的宽度的取值范围为5mm～20cm，所述探杆11的宽度的取值范围为5mm～20cm，所述探杆11的高度的取值范围为5cm～5m。

由于测量复杂恶劣的气体工况下精确测量风速通常都是在以下恶劣条件下进行：

地表酸、碱腐蚀性强，对测量装置会产生快速的腐蚀，并且影响其正常工作；待测量气体洁净程度低，甚至可能出现固(灰尘)、液、气多种介质的混合流动；待测量气体处于不稳定的外界条件，例如：温度、气压等。所以在本实施例中，所述探杆11采用碳纤维探杆，即暴露在恶劣工况下的机械力学传导机构主要由耐腐蚀耐积尘结露的碳纤维材质探杆组成。探杆11采用碳纤维材料，防腐蚀、防水、防尘效果好，适应长期恶劣工况气体的测量，长期运行无漂移老化等问题。

转动支点12横向贯穿所述探杆11并将所述探杆11分成探杆上部和探杆下部两段，具体地，所述转动支点12为一个圆柱轴，所述圆柱轴贯穿所述探杆11并将所述探杆11分成探杆上部和探杆下部两段，所述探杆可绕所述圆柱轴转动，这样，在风力的作用下，所述探杆上部和所述探杆下部便会相对转动，若风力作用在所述探杆下部，则所述探杆上部相应会向一侧转动。

步骤S12，所述探杆下部在风力作用下可绕所述转动支点12转动并在转动时所述探杆11的顶部与所述力学传感器13接触，获取所述探杆11相对所述转动支点12的力矩。

具体地，在本实施例中，所述探杆下部置于待测风速设备中，待测风速设备例如为管道2、隧道，风机等。在本实施例中，待测风速设备选为管道2。所述探杆上部和所述转动支点12置于所述待测风速设备外，然后获取所述探杆11相对所述转动支点12的力矩，获取所述探杆11相对所述转动支点12的力矩的一种表达方式为：

$T={\∫}_{L_0}^{L_1}{p}_{d}wxdx=\frac{p_{d}w}{2}(L_1^2-L_0^2)$

其中，T为力矩，L₀为转动支点与待测风速设备外表面之间的距离，L₁为转动支点与探杆底部之间的距离，p_d为平均气流动压，w为探杆的宽度，x为转动支点与探杆下部之间的距离。

步骤S3，根据所述探杆11相对所述转动支点12的力矩和所述转动支点12与所述探杆11的顶部之间的距离获取所述探杆11在风力作用下的作用力。具体地，获取所述探杆11在风力作用下的作用力的一种表达方式为：

$F=\frac{T}{L_2}=\frac{p_{d}w}{2L_2}(L_1^2-L_0^2)$

其中，F为作用力，L₂为转动支点与探杆顶部之间的距离。

步骤S14，根据所述作用力获取气体平均风速。具体地，根据所述作用力获取气体平均风速的一种表达方式为：

$V=K\sqrt{p_d}=K\sqrt{\frac{2{\mathrm{FL}}_2}{w(L_1^2-L_0^2)}}$

其中，V为气体平均风速，K为特性系数。

此外，本实施例中还包括以下步骤：根据所述气体平均风速获取气体通过指定横截面积的风量。具体地，在本实施例中，获取气体通过指定横截面积的风量的一种表达方式为：

$Q=AV=AK\sqrt{p_d}=AK\sqrt{\frac{2{\mathrm{FL}}_2}{w(L_1^2-L_0^2)}}$

其中，Q为气体通过指定横截面积的风量，A为指定横截面积。

综上所述，本发明采用探杆、转动支点及传感器形成机械力学传导机构，可有效放大微小气体动压的作用力，完全屏蔽了其他类型传感器面临的信号处理干扰问题，同时可以根据测量范围灵活调整放大倍数，有效扩展了测量范围和精度；同时本发明中的探杆采用碳纤维材料，防腐蚀、防水、防尘效果好，适应长期恶劣工况气体的测量，长期运行无漂移老化等问题；此外，本发明采用探杆、转动支点及传感器形成机械力学传导机构，结构简单，易于生产加工，成本可控；本发明可在风管等设备上使用，具有较强的通用性和实用性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种测量风速的装置，其特征在于，所述测量风速的装置包括：探杆，横向贯穿所述探杆并将所述探杆分成探杆上部和探杆下部两段的转动支点以及位于探杆的顶部的力学传感器；所述探杆下部在风力作用下可绕所述转动支点转动并在转动时所述探杆的顶部与所述力学传感器接触，所述力学传感器根据所述探杆相对所述转动支点的力矩和所述转动支点与所述探杆的顶部之间的距离获取所述探杆在风力作用下的作用力；根据所述力学传感器获取的作用力获取气体平均风速。

2.根据权利要求1所述的测量风速的装置，其特征在于，所述探杆为板条状探杆；所述探杆的宽度的取值范围为5mm～20cm。

3.根据权利要求1所述的测量风速的装置，其特征在于，所述探杆为碳纤维探杆。

4.一种测量风速的方法，其特征在于，所述测量风速的方法包括：

提供一探杆，横向贯穿所述探杆并将所述探杆分成探杆上部和探杆下部两段的转动支点以及位于所述探杆顶部的力学传感器；

所述探杆下部在风力作用下可绕所述转动支点转动并在转动时所述探杆的顶部与所述力学传感器接触，获取所述探杆相对所述转动支点的力矩；

根据所述探杆相对所述转动支点的力矩和所述转动支点与所述探杆的顶部之间的距离获取所述探杆在风力作用下的作用力；

根据所述作用力获取气体平均风速。

5.根据权利要求4所述的测量风速的方法，其特征在于，所述探杆为碳纤维探杆。

6.根据权利要求4所述的测量风速的方法，其特征在于，所述探杆下部置于待测风速设备中，所述探杆上部和所述转动支点置于所述待测风速设备外；获取所述探杆相对所述转动支点的力矩的一种表达方式为：

$T={\∫}_{L_0}^{L_1}{p}_{d}wxdx=\frac{p_{d}w}{2}(L_1^2-L_0^2)$

其中，T为力矩，L₀为转动支点与待测风速设备外表面之间的距离，L₁为转动支点与探杆底部之间的距离，p_d为平均气流动压，w为探杆的宽度，x为转动支点与探杆下部之间的距离。

7.根据权利要求6所述的测量风速的方法，其特征在于，获取所述探杆在风力作用下的作用力的一种表达方式为：

$F=\frac{T}{L_2}=\frac{p_{d}w}{2L_2}(L_1^2-L_0^2)$

其中，F为作用力，L₂为转动支点与探杆顶部之间的距离。

8.根据权利要求7所述的测量风速的方法，其特征在于，根据所述作用力获取气体平均风速的一种表达方式为：

$V=K\sqrt{p_d}=K\sqrt{\frac{2{\mathrm{FL}}_2}{w(L_1^2-L_0^2)}}$

其中，V为气体平均风速，K为特性系数。

9.根据权利要求8所述的测量风速的方法，其特征在于，所述测量风速的方法还包括：根据所述气体平均风速获取气体通过指定横截面积的风量。

10.根据权利要求9所述的测量风速的方法，其特征在于，获取气体通过指定横截面积的风量的一种表达方式为：

$Q=AV=AK\sqrt{p_d}=AK\sqrt{\frac{2{\mathrm{FL}}_2}{w(L_1^2-L_0^2)}}$

其中，Q为气体通过指定横截面积的风量，A为指定横截面积。