CN105334346B - 一种风速风向的测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风速风向的测量系统，包括表面光滑的球壳，所述球壳上均匀开设有不少于6个测压孔，每个测压孔内侧均设置有一个气压传感器；所述气压传感器与其对应测压孔之间密封式连接，隔绝测压孔与球壳内腔。采用集成式，球面均布式传感系统，通过测试处于空气流场中的球体表面不同点的压强分布的技术，实现对风速和风向的准确判断。

Description

一种风速风向的测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种集成式风速和风向测试的方法，属于高性能元件和设备制造的技术领域。

背景技术

风速和风向的测试或者测量是与气象，交通，农业等领域密切相关的课题。常规的，目前市场上可见的测试风速和风向的方法有很多种，比如热丝法，也即使用一根发热的细丝作为敏感元件，通过感知其在不同风速下散热情况的差别来判断风速的大小。由于其散热情况与环境温度也是相关的，需要考虑环境温度的修正后才能获得比较准确的风速大小，而其对风向的判断能力比较差；旋转测风碗或者测风杯的方法。一般是通过三个测风碗的转动速度判定风速的大小。这种方法一般需要结合风向标来判定风向；另外还有微机电传感器形式的MEMS测风芯片的方法，其也是利用空气流动带走热量的方法来判断风力和风向。

以上的几种方法虽然都可以给出风速和风向，但是，都基于一个前提假设，也即空气的流动方向平行于测试的方向。常规而言，这一方向就是平行于测量处的海平面方向。因此，风速测量系统的安装也需要依据这一标准进行。如果其安装的不正确，通常只能测到风速的分量。另外，对于类似于MEMS测风芯片的方法，由于需要将芯片固定安装在基座上，基座的形状和尺寸也会对空气的流动产生扰动并干扰测量结果。常规的基座一般采用平行的上下盘然后两者之间通过细的圆柱形支柱连接的方式，传感器则置于平行的上下盘之间。这一几何结构可能导致以下几个方面的干扰：1)支柱会对空气流动产生扰动，扰动比较小的时候可以忽略，但是在风速比较大的时候可能带来较大干扰，影响测量结果；2)上下平行盘一般只对严格平行的空气流动形成通道，对于不平行于上下盘的空气流动，测试不能给出完全准确的结果。此时需要在不同方向安装多个测试站进行测试。3)即使是在严格平行的空气流动情况下,上下平行板结构本身是一种集风结构,好比是飞机机翼,其存在会改变风的流动状况,因此可能会对测量结果产生影响.以上三点虽然可以通过软件矫正的方法进行一些改善,但是由于风向变化产生的干扰难以消除.

实际上,目前所使用的众多测试方法均受到风向变化时的干扰,此时单一的测试单元可能给出完全不正确的数据.即使使用了多个测量单元,也会因为风向的准确判断的问题而不能获得良好的结果.特别是有些时候空气流动方向不是与水平面严格平行,比如存在垂直于水平面的风速分量的情况.因为现在普遍使用的风向测试系统也是都默认了空气流动是平行于水平面的.所以实际上缺少对真实的风向的准确反映.因此,总体来说,目前的风速风向测试系统缺少对这一实际情况的系统细致的考量,其获得的结果只能反映部分的实际情况.如果需要获得全面的,细致的信息,就需要构建一种新的不同的系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种测量风速、风向的测量球及其测量方法，采用集成的，球面均布式传感系统，通过测试处于空气流场中的球体表面不同点的压强大小及其分布，实现对风速和风向的准确判断。

本发明的技术方案是：一种风速风向的测量系统，包括表面光滑的球壳，所述球壳上均匀开设有不少于6个测压孔，每个测压孔处设置一个气压传感器；所述气压传感器与其对应测压孔之间密封式连接，隔绝测压孔与球壳内腔。

进一步的，所述球壳表面、与每个测压孔所在的球半径垂直的圆上至少包括4个等间隔的测压孔。

进一步的，所述球壳表面开设有6个测压孔，以球心为圆心两两垂直的3个圆的交点处各开设有1个测压孔。

进一步的，包括一固定式或者可旋转式支撑测量球的支撑杆，所述支撑杆的直径小于球壳的半径。

进一步的，所述球壳表面制备有一层具备自清洁特性的疏水涂层。

本发明还提供利用一种风速风向的测量系统实现的测量方法，具体步骤如下：将测量球固定于需测量风速风向处，通过分布在球体表面不同位置的测压孔测量其表面的压强大小和分布状况判断风速的大小和方向。

进一步的，利用一种风速风向的测量系统实现的测量方法，具体步骤如下：将测量球固定于需测量风速风向处，采集所有气压传感器的压强值，比较并选择出压强相同的气压传感器，以球心为圆心，以选择出的气压传感器中的任意一个作为圆上一点画圆，若有至少4个等间隔的气压传感器在该圆上，则可判定风向为垂直于该圆的方向；因为垂直于该圆的球直径上有2个气压传感器，一个为正压，一个为负压，则风向为正压所对应的气压传感器所对应的测压孔至球心的方向；同时，利用正压所对应的气压传感器的压强计算得到风速，辅助计算其他测压孔处的压强所对应的风速进行验证或者修正以及给出测量误差；若在所有能画的圆上均没有至少4个等间隔的气压传感器，则旋转测量球，实时测量，直至满足至少4个等间隔的气压传感器在圆上。

进一步的，所述利用正压所对应的气压传感器的压强计算得到风速，具体步骤如下：

其中：p为测得的正压所对应的气压传感器的压强,p_∞为正压所对应的气压传感器处没有球体时候的压强，ρ_∞为正压所对应的气压传感器处没有球体时候的空气密度，V_∞为没有球体时候的风速,Cp为压强系数；而Cp＝1-9/4cos²(theta),其中theta是测压孔偏离风向的角度，因为风向为正压所对应的气压传感器所对应的测压孔至球心的方向，则theta＝0°已知，即可求得V_∞。

进一步的，在需测量风速风向处，同时摆设多个不同直径的测量球进行测量。

空气在流经球体表面时会对迎面的球表面施加正压强，而背面的球表面会感受到负压强，并且同样是在迎面或者背面的球表面，其不同位置感受到的压强大小有差别。而同样风向的情况下风速越大，其迎风面感受到的压强越大。本发明就是依据这一原理进行风速和风向的测定。在一个光滑的球体表面均匀制备气压测量测压孔，测压孔与球体内部的气压传感器进行密闭式的连接，避免环境压强的影响。通过测量各个传感器的压强数据与已建立小球表面的压强分布状况，据此通过数据分析最后确定风速、风向等参数。

其中，可以使用多种气压传感器件。传感器件应该具备测试正压和负压的能力，也即以环境气压为参考的正压和负压。球体表面的测压孔在满足压强传感器测试要求的条件下应该取直径尽量小，以避免对被测对象产生干扰。实际使用过程中，如果需要支撑测量球，支撑测量球的支撑杆在保证强度的情况下应该尽量使用更小直径。

本发明的有益效果：

1.能够实现三维情况风速和风向的测量，对于具有垂直于水平面的风速分量的情况，本测试结构和方法也可以给出准确的测量结果，其适用于各种复杂气象环境条件；

2.测量准确度高。由于使用了简洁的测量几何，排除了众多影响测量结果的因素，特别是排除了探测器安装辅助结构对空气流动的扰动的影响，保证了测试的准确度；

3.成本较低。相比于使用多套探测单元构建的三维风速风向测试系统，其具有较好的成本优势；

4.具备一定的防水，防灰尘以及防污、防脏功能。由于本发明使用具有光滑表面的球体，其表面的测压孔具有比较小的直径，水滴不易通过小孔进入球体内部造成器件的损坏。同时球体表面可以制备具备自清洁特性的疏水涂层，其具备一定的防灰尘以及防污、防脏功能。

5.可以同时测试海拔高度信息。海拔高度可以直接通过测试压强得到。通过测量风速，可以推算无风时候的压强，通过压强即可推算海拔高度。也即：假设海平面处压强为P0，现在测得某处压强为P1，则通过两者的压强差可以推算海拔高度。基本原理是海拔越高，气压越底。

6.可以最大程度的排除由于安装部件等带来对测试空气流动状态的干扰,获得准确的测量数据。

附图说明

图1、一种风速和风向测试系统的结构图。其中，A为表面光滑的球壳，为了获得良好的防污、防脏效果，球壳的表面可以涂覆防水涂层或进行防水处理。B1-B6为6个压力传感器件的传感口的位置。

图2、对应于图一的剖面结构图。其中，A为球壳，C为球壳内的压力传感器，其传感口与球壳上的测压孔D做密封连接，D的位置对应于图1中的B1-B6。

图3、为了获得更好的测试精度，可以增加压强传感器的个数，对应的其在球壳表面的传感口的位置应该作如图所示意的对称分布。

图4、在风速比较小的情况下(或者雷诺数比较小)，空气流经球体表面形成的流线分布状态。图上迎风面为正压，背风面为负压。

图5、在风速比较小的情况下(或者雷诺数比较小)，空气流经球体表面的压强分布。可以看到，在有空气流动的时候，球表面不同位置的压强是不同的。通过分布在球体表面不同位置的压力测量孔测量其表面的压强大小和分布状况就可以判断风速的大小和方向。

图6、在风速比较大的时候(或者雷诺数比较大)，空气流经球体表面形成的流线分布状态。

图7、在风速比较大的时候(或者雷诺数比较大)，空气流经球体表面的压强分布。流体力学结论给出球体表面的压强呈现不同的分布，通过检测球体表面压强的大小和分布状况，可以获得风速和风向。

图8、一个较完整的测量系统的框图。A为测量球体,E为支撑杆,其用于支撑球体，其可以是固定或者是可动的,F为数据线和控制线,功能是数据和控制信号传输，连接球体和计算，模拟，存储和控制单元。G为计算，模拟，存储和控制单元，功能是存储数据库，存储测量数据；模拟和计算各个参数，获得风速风向数值；控制球体的运动和位置。

图9、球体表面有一个压力传感器时，风速取向分布图；

图10、球体表面有一多个压力传感器时，风速取向分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种测量风速风向的测量球，包括表面光滑的球壳，所述球壳上均匀开设有6个测压孔，所述球壳的直径为100mm，测压孔直径为1mm。以球心为圆心两两垂直的3个圆的交点处各开设有1个测压孔，每个测压孔内侧均设置有一个气压传感器；所述气压传感器与其对应测压孔之间密封式连接，隔绝测压孔与球壳内腔，如图2所示。

当空气流动的方向是沿着B5-B6的连线方向并且是由B5指向B6时，B1-B4给出同样的压强，且压强为正。B5给出相对更大的正压强，而B6给出负压强。风速可以根据B5测量得到的压强来推算，具体步骤如下：

其中：p为测得的正压所对应的气压传感器的压强,p_∞为正压所对应的气压传感器处没有球体时候的压强，ρ_∞为正压所对应的气压传感器处没有球体时候的空气密度，V_∞为没有球体时候的风速,Cp为压强系数；而Cp＝1-9/4cos²(theta),其中theta是测压孔偏离风向的角度，因为风向为沿着B5-B6的连线方向并且是由B5指向B6，则theta＝0°已知，即可求得V_∞。

测量球在使用时，不能准确的判断风向，则旋转测量球，反复测量，直至满足B1-B4给出同样的压强。需要说明的是，6个测压孔的测量球虽然制造方便，对于一些风向简单易判断的情况下能够一次性判断出风向和风速，使用也较为方便快捷，节约成本，但是对于某些风向，比如当风向垂直于B1-B2-B6或者B3-B4-B6围成的三角形时，图一中的六个传感器可能无法快速的给出非常准确的结果。为了获得更快更高精度的测量结果，可以使用更多的压力传感器件分布于球体表面的不同位置来进行测量(比如图3的形式)，保证球壳表面、与每个测压孔所在的球半径垂直的圆上至少包括4个等间隔的测压孔，该测量球能够满足更多风向的测量，往往安装固定后，即能一次性判断出风向和风速，方便快捷。

如图9所示，假设球体表面有一个压力传感器，假定风速为V,根据公式计算出的风向会分布在以球心O和传感器位置B1连线OB1为中线的圆锥面上(C1所示为两个圆锥的底面，虚线是圆锥的边线)，以及以垂直于OB1的OB1’为中线的圆锥面上(C1’所示为两个圆锥的底面，虚线是圆锥的边线)。

如图10所示，增加至两个传感器时，根据新增的传感器B2测得的压强并通过公式计算得到其风向会具有类似的分布。根据B1和B2两个传感器测得的压强以及两个传感器的安装位置可以利用公式求解得到”传感器-球心”连线和风向的夹角theta以及风力的大小两个位置参量。则，实际风向处于以B1-O以及B2-O为轴的两个圆锥面的交线方向上(图上的箭头所示)。在逐渐增加传感器的个数后，通过类似的方法可以进一步准确判断风向。所以，当传感器的个数适当多的时候可以准确的判断出风向。同时计算出风力大小。

如图4-7所示，给出测量原理的进一步解释。测试原理图a、在风速比较小的情况下(或者雷诺数比较小)，空气流经球体表面形成的流线分布状态(图4)以及球体表面的压强分布(图5)。图上迎风面为正压，背风面为负压。可以看到，在有空气流动的时候，球表面不同位置的压强是不同的。通过分布在球体表面不同位置的压力测压孔测量其表面的压强大小和分布状况就可以判断风速的大小和方向。

测试原理图b、在风速比较大的时候(或者雷诺数比较大)，流体力学结论给出球体表面的压强呈现不同的分布(图6、7)，通过检测球体表面压强的大小和分布状况，可以获得风速和风向。

图8则给出一个较完整的测量系统的框图。A为测量球体,E为支撑杆,其用于支撑球体，其可以是固定或者是可动的,F为数据线和控制线,功能是数据和控制信号传输，连接球体和计算，模拟，存储和控制单元。G为计算，模拟，存储和控制单元，功能是存储数据库，存储测量数据；模拟和计算各个参数，获得风速风向数值；控制球体的运动和位置。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种风速风向的测量系统实现的测量方法，其特征在于：采用一种风速风向的测量系统进行测量，所述风速风向的测量系统包括表面光滑的球壳，所述球壳表面以球心为圆心两两垂直的3个圆的交点处各开设有1个测压孔，均匀开设有6个测压孔，每个测压孔处设置一个气压传感器；所述气压传感器与其对应测压孔之间密封式连接，隔绝测压孔与球壳内腔，所述球壳表面、与每个测压孔所在的球半径垂直的圆上至少包括4个等间隔的测压孔，所述风速风向的测量系统还包括一固定式或者可旋转式支撑测量球的支撑杆，所述支撑杆的直径小于球壳的半径，所述球壳表面制备有一层具备自清洁特性的疏水涂层，将测量球固定于需测量风速风向处，通过分布在球体表面不同位置的测压孔测量其表面的压强大小和分布状况判断风速的大小和方向；利用一种风速风向的测量系统实现的测量方法，所述测量方法的具体步骤如下：将测量球固定于需测量风速风向处，采集所有气压传感器的压强值，比较并选择出压强相同的气压传感器，以球心为圆心，以选择出的气压传感器中的任意一个作为圆上一点画圆，若有至少4个等间隔的气压传感器在该圆上，则可判定风向为垂直于该圆的方向；因为垂直于该圆的球直径上有2个气压传感器，一个为正压，一个为负压，则风向为正压所对应的气压传感器所对应的测压孔至球心的方向；同时，利用正压所对应的气压传感器的压强计算得到风速，辅助计算其他测压孔处的压强所对应的风速进行验证或者修正以及给出测量误差；若在所有能画的圆上均没有至少4个等间隔的气压传感器，则旋转测量球，实时测量，直至满足至少4个等间隔的气压传感器在圆上。

2.根据权利要求1所述 的一种风速风向的测量系统实现的测量方法，其特征在于：所述利用正压所对应的气压传感器的压强计算得到风速，具体步骤如下：

其中：p为测得的正压所对应的气压传感器的压强,p_∞为正压所对应的气压传感器处没有球体时候的压强，ρ_∞为正压所对应的气压传感器处没有球体时候的空气密度，V_∞为没有球体时候的风速,Cp为压强系数；而Cp＝1-9/4cos²(theta),其中theta是测压孔偏离风向的角度，因为风向为正压所对应的气压传感器所对应的测压孔至球心的方向，则theta＝0°已知，即可求得V_∞。

3.根据权利要求1所述 的一种风速风向的测量系统实现的测量方法，其特征在于：在需测量风速风向处，同时摆设多个不同直径的测量球进行测量。