CN107290563A - 风向风速仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风向风速仪，包括风向测量装置和风速测量装置；其中，所述风向测量装置包括转动组件以及固定部，所述转动组件用于在风力作用下相对所述固定部转动；所述风向测量装置根据所述转动组件相对所述固定部的转动角度测量风向；所述风速测量装置设置在所述转动组件上并随所述转动组件转动。本发明提供的风向风速仪将风向测量和风速测量功能集成在一个设备上，采用设置在转动组件上并随转动组件转动的风速测量装置测量风速，使得风速测量装置能够根据风向调节位置，获得更准确的风速检测结果，并使风向测量工作和风速测量工作的测量位置相同，相比较现有技术，可以降低成本，并提高风能状况统计分析工作的准确度。

Description

风向风速仪
技术领域
本发明涉及风力检测装置领域，尤其涉及一种风向风速仪。
背景技术
在风力发电系统中，风速、风向的测量精度直接影响着风力发电机组的发电效率。目前，风力发电机组多采用风向标测量风向，采用风速仪来测量风速，其中，常见的风速仪为风杯式风速仪。
在使用上述风向标、风速仪的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
风杯式风速仪测量风速值存在较大的误差，多个风杯在转动时受到的不同方向的作用力使转动轴的实际转速偏小，并且转动轴为机械旋转结构，会产生摩擦力，降低转动轴的转速，这都会降低风速测量的准确性。
此外，多数风速仪和风向标都是仅具有单一测量功能的测量设备，为了更准确地检测风速值和风向值，每台风力发电机组需要配备两个风速仪及两个风向标，导致成本增加，由于风向值和风速值由不同的设备测量得到，测量得到的风速值和风向值在位置上容易存在偏差，影响风能状况分析统计工作的准确度。
发明内容
本发明提供一种风向风速仪，以解决现有技术中风向和风速测量设备成本较高，风能状况分析统计工作准确度较低的问题。
为了达到上述目的，本发明提供一种风向风速仪，包括风向测量装置和风速测量装置；其中，风向测量装置包括转动组件以及固定部，转动组件用于在风力作用下相对固定部转动；风向测量装置根据转动组件相对固定部的转动角度测量风向；风速测量装置设置在转动组件上并随转动组件转动。
进一步地，转动组件包括彼此连接的迎风部和尾翼部；转动组件在风力作用下相对固定部转动时，尾翼部的受风面积大于迎风部的受风面积；转动组件停止转动时，迎风部位于上风向，尾翼部位于下风向；风速测量装置设置在迎风部上。
进一步地，还包括滑环和风速计算部；滑环设置在转动组件和固定部之间；风速计算部设置在固定部上；风速测量装置通过滑环与风速计算部相连接；风速计算部用于根据风速测量装置的输出信息计算风速值。
进一步地，风速测量装置为旋转式风速测量装置、压力式风速测量装置、热力式风速测量装置或超声风速测量装置。
进一步地，压力式风速测量装置包括压力传感器，压力传感器设置在迎风部的远离尾翼部的端部，并通过滑环与风速计算部相连接。
进一步地，压力传感器包括应变片；或者，压力传感器包括弹力膜片和应变片，弹力膜片与应变片贴合，应变片相对于弹力膜片接近或远离尾翼部。
进一步地，迎风部的远离尾翼部的端部设置有开口空腔，弹力膜片固定于开口空腔内或者开口空腔的开口处；或者，迎风部远离尾翼部的端部设置有支架，弹力膜片固定在支架上。
进一步地，转动组件还包括连接在迎风部和尾翼部之间的指向杆；弹力膜片与指向杆的轴线之间的夹角为预定角度；或者/并且，风向风速仪还包括设置在迎风部上并位于弹力膜片周边的加热电阻。
进一步地，风向风速仪还包括控制器和温度传感器，温度传感器与控制器连接，用于检测环境的温度并传送给控制器；控制器与加热电阻连接，用于根据温度传感器感测的温度数据控制加热电阻的加热动作；或者/并且，风向风速仪还包括气压测量装置，用于检测风向风速仪所在位置的大气压并将气压值传送给上位机。
进一步地，风向风速仪还包括输出电路，输出电路与气压测量装置以及风速计算部连接，并通过有线或无线方式向上位机发送数据。
本发明提供的风向风速仪将风向测量和风速测量功能集成在一个设备上，采用设置在转动组件上并随转动组件转动的风速测量装置测量风速，使得风速测量装置能够根据风向调节位置，获得更准确的风速检测结果，并使风向测量工作和风速测量工作的测量位置相同，相比较现有技术，可以降低成本，并提高风能状况统计分析工作的准确度。
进一步地，本发明实施例的风向风速仪采用了压力传感器测量风施加在压力传感器上的压力值，并通过压力值计算得到风速值的方式测量风速，压力传感器具有体积小巧、重量轻、结构简单、成本低、测量结果准确的优点。
进一步地，本发明实施例的风向风速仪中的压力传感器包括弹力膜片和应变片，弹力膜片在风力的作用下发生弹性变形，应变片根据弹力膜片的弹性变形程度测量压力值。
进一步地，本发明实施例的风向风速仪的弹力膜片与指向杆的轴线之间的夹角为预定角度，保证了在风向变换时弹力膜片与风向之间的夹角为固定值，可据此获得更准确的风速检测结果。
进一步地，本发明实施例的风向风速仪还包括加热电阻，可以在积雪结冰的情况下通电为压力传感器加热，以去除冰雪，获得更准确的风速检测结果。
进一步地，本发明实施例的风向风速仪还包括可以测量大气压的气压测量装置，结合测量到的气压值对测量到的风速值进行修正，可获得更准确的风速检测结果。
附图说明
图1为本发明实施例中一种风向风速仪的结构示意图；
图2为本发明实施例中的压力检测电路结构示意图；
图3为本发明实施例中另一种风向风速仪的结构示意图。
附图标记说明：
101-指向杆；102-尾翼部；103-迎风部；104，204-转动轴；201-底座；202-风速计算部；203-风向计算部；300-压力传感器；301-弹力膜片；302-应变片；400-加热电阻；500-滑环。
具体实施方式
在下文中，将参照附图更加充分地描述各个示例性实施方式，在附图中示出了一些示例性实施方式。但是，发明构思可以体现为多种不同形式，并且不应视为限于本文所描述的示例性实施方式。相反地，这些实施方式被提供以使该说明书是全面且完整的，并将本发明的实施方式的范围充分传递到本领域技术人员。
在附图中，为了清楚起见，层和区域的尺寸或相对尺寸可能被放大。应当理解，当一个元件或层被描述成“位于”、“连接至”或“耦合至”另一元件或层上时，该一个元件或层可以直接位于、直接连接到或直接耦合到另一元件或层上，或者二者之间存在夹置元件或层。而当一个元件或层描述为“直接位于”、“直接连接至”或“直接耦合至”另一元件或层之上时，二者之间不存在夹置元件或层。在全文中，相同的参考标记表示相同的元件。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关项的任意或全部组合。
应当理解，虽然在本文中可能使用术语“第一”、“第二”、“第三”等描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层和/或部分与另一元件、部件、区域、层和/或部分加以区别。因此，在不背离本发明教导的情况下，下面描述的第一元件、部件、区域、层或部分可以称作第二元件、部件、区域、层或部分。
为了便于描述，在本文中可使用诸如“之下”、“下面”、“以下”、“上面”、“以上”等的空间关系术语，以描述如图所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。应当理解，这些空间关系术语旨在包括除图中所示方向之外的设备使用或操作时的不同方向。例如，如果翻转图中的设备，那么在其他元件或特征“下面”或“之下”的元件和特征将位于该其他元件或特征的“上面”。因此，示例性术语“下面”可以包括上面和下面的方向。可以通过其他方式定向(旋转90度或在其他方向处)设备，并相应地解释本文中使用的空间关系术语。
当在本文中使用术语“包括”时，该术语表示存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或增加。
除非另有规定，本文中使用的术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还应当理解，术语(例如在通常使用的字典中定义的术语)应该解释为具有与相关技术背景中的含义相同的含义，不应解释成理想化的或过于形式化的含义，除非这在本文中明确地定义。
下面结合附图对本发明实施例的风向风速仪进行详细描述。
在下文中，对方向的定义如图1中箭头所示，迎风部103位于前方，尾翼部102位于后方。相对于风向方向来说，当转动组件保持在稳定状态时，迎风部103位于风向方向的上游侧，尾翼部102位于风向方向的下游侧。
本发明实施例提供的风向风速仪，包括风向测量装置和风速测量装置；其中，风向测量装置包括转动组件以及固定部，转动组件用于在风力作用下相对固定部转动；风向测量装置根据转动组件相对固定部的转动角度测量风向；风速测量装置设置在转动组件上并随转动组件转动。
如图1所示，转动组件包括彼此连接的迎风部103和尾翼部102；转动组件在风力作用下相对固定部转动时，尾翼部102的受风面积大于迎风部103的受风面积；转动组件停止转动时，迎风部103位于上风向，尾翼部102位于下风向；风速测量装置设置在迎风部103上。
本发明实施例中的风向风速仪在工作时，尾翼部102迎风面积较迎风部103迎风面积大，因此尾翼部102受到的风力大于迎风部103受到的风力，在尾翼部102受力的作用下转动组件整体将跟随风向转动，并使迎风部103指向迎风方向，当风向不再改变时，由于尾翼部102两侧受力均衡，转动组件将保持在稳定的状态。在稳定状态下，沿风的运动方向，迎风部103位于上游侧，尾翼部102位于下游侧。风向测量装置优选采用角度传感器，角度传感器检测转动组件相对固定部转过的角度，与参考位置对比，就可以得到当时的风向值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，如图1所示，固定部可包括底座201以及与底座201固定连接的转动轴204，转动组件可转动地与转动轴204相连接。底座201上设有风向计算部203，风向计算部203与风向测量装置连接，根据风向测量装置测量到的数据计算风向值。底座201上还设置有风速计算部202，风速计算部202与风速测量装置连接，根据风速测量装置测量到的数据计算风速值。但风向计算部203和风速计算部202不限于设置在底座上，还可以设置在转动组件中跟随转动组件一起转动。
此外，在本发明实施例中，迎风部103可以采用平衡锤，转动组件还可包括连接在迎风部103和尾翼部102之间的指向杆101。指向杆101的中部与转动轴204可转动连接，使得转动组件可绕转动轴204转动。
此外，如图1所示，风向风速仪还可包括滑环500和风速计算部202，滑环500设置在转动组件和固定部之间，风速计算部202设置在固定部上；风速测量装置通过滑环500与风速计算部202相连接；风速计算部202用于根据风速测量装置的输出信息计算风速值。具体的，在本发明实施例中，滑环500设置在指向杆101和转动轴204之间，用于在转动组件和固定部之间传输电信号，当转动组件转动时，风速测量装置可以将测量结果通过滑环500传递给位于固定部上的风速计算部202。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，如图3所示，固定部包括底座201，转动组件包括迎风部103、尾翼部102以及位于迎风部103和尾翼部102之间的指向杆101，还包括与指向杆101中部固定连接的转动轴104，转动轴104可转动地与底座201连接，滑环500设置在转动轴104和底座201之间。
转动组件的作用是跟随风向转动，以测量风向，并且使风速测量装置与风向方向保持固定夹角，确保风速测量的准确性。固定部的作用是将风向风速仪固定，并提供固定风向测量装置和风速测量装置的载体。滑环500的作用是实现电信号在固定部和转动组件之间的传递。
在实际应用中，风速测量装置的类型可采用旋转式风速测量装置、压力式风速测量装置、热力式风速测量装置和超声风速测量装置。
具体的，旋转式风速测量装置可包括风杯风速表和桨叶式风速表，其中，风杯式风速表包括一组(三个或四个)半球形或抛物形空杯，都顺时针或者逆时针均匀分布在一水平支架上，水平支架与转轴相连。在风力作用下，风杯绕转轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录。
桨叶式风速表由若干桨叶按一定角度间隔地装置在一铅直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速，桨叶包括平板叶片的风车式和旋桨式两种。
热力式风速表将被电流加热的细金属丝或微型球体电阻放置在气流中，利用散热率与风速的平方根之间的线性关系，在加热电流不变的情况下，测出被加热物体的温度，就能推算出风速。热力式风速表感应速度快，在小风速时灵敏度较高，宜应用于室内和野外的大气湍流实验。
超声波风速测量装置利用超声波沿空气流动方向作双向传播，从而测量自然风速。
本发明实施例的风速测量装置并不限于上述的四种测量装置类型，任何能实现风速测量的装置均在本发明实施例的限制范围内。
在此基础上，在本发明实施例中，风速测量装置采用的是压力式风速测量装置。具体的，压力式风速测量装置包括压力传感器300，压力传感器300设置在迎风部103的远离尾翼部102的端部，并通过滑环与风速计算部202相连接，风速计算部202用于根据压力传感器300测量到的压力值计算风速值；转动组件使压力传感器300保持正对风向的状态。
与其他几种风速测量装置相比，压力式风速测量装置结构简单，体积较小。采用设置在迎风部103远离尾翼部102的端部上的压力传感器300来进行风速测量，在转动组件的作用下，可使得压力传感器300始终正对风向，并且前方不会有任何遮挡物以阻碍气流运动，可以获得更准确的测量数值。
此外，迎风部103可以设计为具有前端开口的空腔型。在本发明实施例的技术方案中，迎风部103的远离尾翼部102的端部设置有开口空腔，弹力膜片301固定于开口空腔内或者开口空腔的开口处。
迎风部103的远离尾翼部102的端部设置有开口空腔，相应的，指向杆101也具有空腔结构并可与迎风部上的开口空腔相连通，与压力传感器300连接的线路可以穿过上述指向杆101的空腔结构与滑环500连接，避免了在迎风部103和指向杆101的外表面走线，具有美观并且简化风向风速仪布线设计的效果。
或者，还可以采用在迎风部103上设置支架的方式固定压力传感器300，具体的，迎风部103的远离尾翼部102的端部设置有支架，弹力膜片301固定在支架上。
压力传感器300可以单独采用应变片302，也可以采用弹力膜片301加应变片302的形式。压力传感器300采用应变片302，具有体积小、成本低的优点，可有效降低风向风速仪成本。
在本发明实施例中，具体的，压力传感器300包括弹力膜片301和应变片302，弹力膜片301与应变片302贴合，应变片302相对于弹力膜片301接近或远离尾翼部102。在本实施例中，如图1中所示，应变片302贴附于弹力膜片301的接近尾翼部102的一侧。
应变片302贴附于弹力膜片301的接近尾翼部102的一侧，可以减少应变片302因暴露在外界环境中造成的腐蚀氧化风险。
在本发明实施例中，弹力膜片301与指向杆101的轴线之间的夹角为预定角度，即应变片302与指向杆101的轴线之间的夹角为预定角度。
风速与风力之间的换算关系可以通过计算公式(1)得出：
F＝ρ*S*(ν*sinθ)2 (1)
其中，F是作用在应变片302上的风的压力值，ρ是空气密度，S是应变片302的面积，θ是应变片302与风向的夹角，v是风速值。
从公式(1)可以得出，风速值v和应变片302上的压力值F成一定的比例关系，所以计算出应变片302检测到的压力值F，就能计算出实际的风速值v。
优选地，应变片302与指向杆101的轴线相垂直。此时，应变片302与风向的夹角θ值为90度，sinθ值为1，可减少测量风向和应变片302夹角过程中的测量误差，进而提高风速的测量精度。
在本发明实施例中，采用惠更斯电桥作为压力检测电路，其电路结构如图2所示，惠更斯电桥包括四个首尾相连的电阻R1，R2，R3，R4，每个电阻连接于电桥的一条边，电桥的一组对角上连接电源，另一组对角连接输出端。
应变片302检测到的压力数据通过惠更斯电桥测量得出，应变片上的电压值U0为：
其中，ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4分别为电阻R1，R2，R3，R4的变化量，U0为应变片上的电压值，即输出端电压值，UAC为电源电压。
在本发明实施例中，采用四个桥臂电阻值相等的电阻，此时，公式可以写为：
在只有一个桥臂AB接入应变片，即仅R1有一增量ΔR，其他桥臂均为固定电阻的情况下，由公式(3)得到输出电压为：
其中，K为灵敏系数，ε为应变值，相对于同一种类的应变片来说，K和ε均为固定值，应变片的应力计算公式为
结合以上公式(1)、(4)和(5)可以得出，最终要测量的风速值为：
由公式(6)可以看出，风速值的测量与所选用的应变片的面积大小无关，因此可提高系统的测量精度。
测量后的风向值和风速值可以上传到上位机进行数据统计，由于风速值和风向值的测量为同一设备测量，风向变化后，指向杆101的指向会立即随之变化，因此，风速值和风向值的采集位置相同，由上位机绘制出的风玫瑰图会更为准确。
其中，上位机可以集成于风机控制系统，也可以是独立的计算机组或者云端平台。
此外，风向风速仪在使用过程中，弹力膜片301的感应面上的结冰、积雪等情况会影响到压力测量结果的准确性，为了消除冰、雪对测量结果的影响，如图1所示，在本发明实施例中，风向风速仪还包括设置在迎风部103上并位于弹力膜片301周边的加热电阻400，加热电阻400以电阻丝的形式围绕弹力膜片301，在需要时可为弹力膜片301提供均匀热源。
在此基础上，本发明实施例中的风向风速仪还包括控制器和温度传感器，温度传感器与控制器连接，用于检测环境的温度并传送给控制器，控制器与加热电阻400连接，用于根据温度传感器感测的温度数据控制加热电阻400的加热动作。加热电阻可由控制器控制加热电路的开通和关断，因此，控制器需要获取弹力膜片301周边的温度情况。
此外，在本发明实施例的技术方案中，风向风速仪还包括气压测量装置，用于检测风向风速仪所在位置的大气压并将气压值发送给上位机。根据大气压环境中空气密度对标准风速值的影响情况，上位机将测量到的风速值转换为标准风速值，提高了系统的测量精度。
此外，风向风速仪还可包括输出电路，输出电路与气压测量装置、风向计算部203以及风速计算部202连接，并通过有线或无线方式向上位机发送。
本发明提供的风向风速仪将风向测量和风速测量功能集成在一个设备上，采用设置在转动组件上并随转动组件转动的风速测量装置测量风速，使得风速测量装置能够根据风向调节位置，获得更准确的风速检测结果，并使风向测量工作和风速测量工作的测量位置相同，相比较现有技术，可以降低成本，并提高风能状况统计分析工作的准确度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种风向风速仪，其特征在于，包括风向测量装置和风速测量装置；其中，
所述风向测量装置包括转动组件以及固定部，所述转动组件用于在风力作用下相对所述固定部转动；所述风向测量装置根据所述转动组件相对所述固定部的转动角度测量风向；
所述风速测量装置设置在所述转动组件上并随所述转动组件转动。
2.根据权利要求1所述的风向风速仪，其特征在于，所述转动组件包括彼此连接的迎风部(103)和尾翼部(102)；所述转动组件在风力作用下相对所述固定部转动时，所述尾翼部(102)的受风面积大于所述迎风部(103)的受风面积；所述转动组件停止转动时，所述迎风部(103)位于上风向，所述尾翼部(102)位于下风向；所述风速测量装置设置在所述迎风部(103)上。
3.根据权利要求2所述的风向风速仪，其特征在于，还包括滑环(500)和风速计算部(202)；
所述滑环(500)设置在所述转动组件和所述固定部之间；
所述风速计算部(202)设置在所述固定部上；
所述风速测量装置通过所述滑环(500)与所述风速计算部(202)相连接；所述风速计算部(202)用于根据所述风速测量装置的输出信息计算风速值。
4.根据权利要求3所述的风向风速仪，其特征在于，所述风速测量装置为旋转式风速测量装置、压力式风速测量装置、热力式风速测量装置或超声风速测量装置。
5.根据权利要求4所述的风向风速仪，其特征在于，所述压力式风速测量装置包括压力传感器(300)，所述压力传感器(300)设置在所述迎风部(103)的远离所述尾翼部(102)的端部，并通过所述滑环(500)与所述风速计算部(202)相连接。
6.根据权利要求5所述的风向风速仪，其特征在于，所述压力传感器(300)包括应变片(302)；或者，
所述压力传感器(300)包括弹力膜片(301)和应变片(302)，所述弹力膜片(301)与所述应变片(302)贴合，所述应变片(302)相对于所述弹力膜片(301)接近或远离所述尾翼部(102)。
7.根据权利要求6所述的风向风速仪，其特征在于，所述迎风部(103)的远离所述尾翼部(102)的端部设置有开口空腔，所述弹力膜片(301)固定于所述开口空腔内或者所述开口空腔的开口处；或者，
所述迎风部(103)远离所述尾翼部(102)的端部设置有支架，所述弹力膜片(301)固定在所述支架上。
8.根据权利要求6所述的风向风速仪，其特征在于，所述转动组件还包括连接在所述迎风部(103)和所述尾翼部(102)之间的指向杆(101)；所述弹力膜片(301)与所述指向杆(101)的轴线之间的夹角为预定角度；或者/并且，所述风向风速仪还包括设置在所述迎风部(103)上并位于所述弹力膜片(301)周边的加热电阻(400)。
9.根据权利要求8所述的风向风速仪，其特征在于，所述风向风速仪还包括控制器和温度传感器，所述温度传感器与所述控制器连接，用于检测环境的温度并传送给所述控制器；所述控制器与所述加热电阻(400)连接，用于根据所述温度传感器感测的温度数据控制所述加热电阻(400)的加热动作；或者/并且，所述风向风速仪还包括气压测量装置，用于检测所述风向风速仪所在位置的大气压并将气压值传送给上位机。
10.根据权利要求9所述的风向风速仪，其特征在于，所述风向风速仪还包括输出电路，所述输出电路与所述气压测量装置以及所述风速计算部(202)连接，并通过有线或无线方式向所述上位机发送数据。
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