CN108845158A - 风速测量装置、风阀以及风量调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风速测量装置、风阀以及风量调节系统，风速测量装置与风管连通时可用于测量风管内的直径为D的圆形通风截面内的风速，风速测量装置包括至少一个风速仪，风速仪为叶轮式风速仪；叶轮式风速仪的叶轮的旋转面可设置为与圆形通风截面的中心轴垂直。本发明提供风速测量装置、风阀以及风量调节系统，利用叶轮式风速仪测量风管内的风速，测得的是通过叶轮旋转面的平均风速，可避免漩涡气流的影响，也不会在短时间内产生较大波动，相对于现有技术的点测量法，具有较强的抗波动、抗腐蚀、抗干扰能力，可取得更高的测量精度。

Description

风速测量装置、风阀以及风量调节系统

技术领域

本发明涉及风速测量领域，尤其涉及一种风速测量装置、风阀以及风量调节系统。

背景技术

风量调节系统广泛应用于建筑、机械等领域，用于调节建筑或机械设备内部的通风量，以将建筑或机械设备内部空间的温度、湿度、气压等调节至有利状态。例如安装在建筑结构中，用以保证室内人员的安全舒适；安装在机械设备中，以保证设备稳定运行，或保证被加工产品的质量等等。其中，在某些场合，对风量调节系统的调节精度有非常高的要求，例如洁净车间、医院手术室等，需要通过风量调节系统对室内通风量进行精确调节，以保证室内环境洁净以及控制其内部气压处于正压状态；又如化学实验室，为保证实验人员的健康以及避免室内的有害气体扩散，需及时排出有害气体以及将室内气压严格控制在负压状态，等等。

风量调节系统与建筑结构或机械设备的通风管道(风管)连通，包括开度可变的风阀，通过调节风阀的开度即可调节风管内的风量，从而调节室内的风量。在利用风阀对风管内的风量进行调节之前，首先对风速进行测量，并将测量结果作为风量调节的依据。现有技术中，测量风管内风速的主要仪器是皮托管、热敏式风速仪等，其共同特点是测得的风速为风管横截面上某一点的风速，即利用上述风速监测装置测量风速的方式为点测量方式，其具体过程为：首先在风管的横截面上设定多个测点，在每个测点上设置一个风速监测装置(例如皮托管等)，对多个测点的风速同时进行测量，最后将各测点测得的风速进行平均，得到风管内的平均风速。但是，由于风管内壁粗糙度的影响，风管内部的气流并不是理想的而是不可避免地存在湍流，即风管内的气流中存在漩涡气流。当测点位于漩涡气流内时，该测点测得的风速值并不能反映风管内的真实风速值。另外，随着漩涡气流的移动，同一测点测得的风速值会在短时间内产生较大的波动，该波动有可能被控制系统认为是噪音从而被滤波器过滤掉。

因此，现有技术的风速测量装置抗波动、抗干扰能力较差，难以稳定地获得风管内的真实风速，进而导致无法准确调节风管内的风量。

发明内容

本发明的一个目的是如何提高风管内风速的测量精度。

为解决上述问题，本发明提供了一种风速测量装置，与风管连通时可用于测量所述风管内的直径为D的圆形通风截面内的风速，所述风速测量装置包括至少一个风速仪，所述风速仪为叶轮式风速仪；所述叶轮式风速仪的叶轮的旋转面可设置为与所述圆形通风截面的中心轴垂直。

可选地，所述圆形通风截面与所述风管的纵轴线垂直。

可选地，多条所述分割线将所述圆形通风截面沿周向分割为多个扇形区域，每条所述分割线上设置有至少一个所述叶轮式风速仪。

可选地，各个所述叶轮式风速仪的中心位于所述分割线上，各个所述扇形区域的面积彼此相等。

可选地，所述风速测量装置包括壳体，所述壳体的至少部分内壁被配置为直径为D的圆柱形内壁，所述圆柱形内壁上设置有多根支撑梁，多根所述支撑梁的位置与多根所述分割线的位置一一对应，每根所述支撑梁上设置有至少一个所述叶轮式风速仪。

可选地，所述支撑梁可拆卸地设置在所述圆柱形内壁上。

可选地，所述叶轮式风速仪的数量为n个，且n≥2，定义第i个所述叶轮式风速仪的中心距所述圆形通风截面的中心轴的距离为R_i，i＝1，…，n，且R_i被限定为从距离所述圆形通风截面的中心轴最近的所述叶轮式风速仪开始按照距离的升序排列，其中，当n＝2时，R₁＝(0.25～0.27)D，R₂＝(0.29～0.31)D；当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.03，0.3]。

可选地，当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.05，0.25]。

可选地，所述圆形通风截面的直径D＝200～350mm，所述叶轮式风速仪的数量为3个，3个所述叶轮式风速仪的中心距所述圆形通风截面的中心轴的距离分别为R₁＝(0.15～0.225)D，R₂＝(0.236～0.268)D，R₃＝(0.325～0.4)D。

可选地，定义所述叶轮的旋转面上的第m个点距所述圆形通风截面边界的最近距离与所述圆形通风截面直径D的比值为a_m，且集合A＝{a₁，a₂，……，a_m，……，a_∞}；定义圆形截面的切贝切夫测点排布法中，位于同一条半径上的第k个测点距所述圆形截面边界的最近距离与所述圆形截面直径的比值为b_k，且集合B＝{b₁，b₂，……，b_k，……，b_p}，p为圆形截面的切贝切夫法中，位于同一条半径上的测点数量；其中，所述集合A和所述集合B满足：B∈A。

本发明提供的风速测量装置，用于测量风速的风速仪是叶轮式风速仪，其测量的是一个面(即叶轮式风速仪的通风截面)上的风速，相对于现有技术的点测量法，受到漩涡气流的干扰很小，即漩涡气流基本不会对叶轮式风速仪测得的风速值产生影响，叶轮式风速仪测得的风速可视为通过其通风截面的真实风速。因此，相对于现有技术的点测量法，本发明利用叶轮式风速仪测量风管内的风速和风量，具有更强的抗干扰、抗波动能力，可取得更高的测量和控制精度。

本发明还提供了一种风阀，包括内径为D的圆筒状的阀体、驱动装置以及设置于所述阀体内的至少一片叶片，所述驱动装置可驱动所述叶片转动，以调节所述风阀的开度，所述阀体内还设置有至少一个叶轮式风速仪，所述叶轮式风速仪的叶轮的旋转面与所述阀体的中心轴垂直。

可选地，所述叶轮式风速仪和所述驱动装置可分别与控制器连接，所述控制器可根据所述叶轮式风速仪测量得到的风速控制所述叶片转动，以调节所述风阀的开度。

可选地，所述叶片为多片沿所述阀体的周向分布于所述阀体内的扇面状叶片，多片所述叶片可绕各自的转轴转动。

可选地，所述叶片的转轴与所述阀体的中心轴垂直。

可选地，所述阀体内设置有多根安装梁，多根所述安装梁将所述阀体的一个横截面沿周向分割为多个扇形区域，每根所述安装梁上设置有至少一个所述叶轮式风速仪。

可选地，各个所述扇形区域的面积彼此相等。

可选地，所述安装梁可拆卸地安装于所述阀体内。

可选地，所述叶轮式风速仪的数量为n个，且n≥2，定义第i个所述叶轮式风速仪的中心距所述阀体的中心轴的距离为R_i，i＝1，…，n，且R_i被限定为从距离所述阀体的中心轴最近的所述叶轮式风速仪开始按照距离的升序排列，其中，当n＝2时，R₁＝(0.25～0.27)D，R₂＝(0.29～0.31)D；当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.03，0.3]。

可选地，当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.05，0.25]。

可选地，所述阀体的内径D＝200～350mm，所述叶轮式风速仪的数量为3个，3个所述叶轮式风速仪的中心距所述阀体的中心轴的距离分别为R₁＝(0.15～0.225)D，R₂＝(0.236～0.268)D，R₃＝(0.325～0.4)D。

可选地，定义所述叶轮的旋转面上的第m个点距所述阀体内壁的最近距离与所述阀体内径D的比值为a_m，且集合A＝{a₁，a₂，……，a_m，……，a_∞}；定义圆形截面的切贝切夫测点排布法中，位于同一条半径上的第k个测点距所述圆形截面边界的最近距离与所述圆形截面直径的比值为b_k，且集合B＝{b₁，b₂，……，b_k，……，b_p}，p为圆形截面的切贝切夫法中，位于同一条半径上的测点数量；所述集合A和所述集合B满足：B∈A。

可选地，所述叶轮式风速仪的横截面积之和不大于所述阀体横截面积的30％，所述叶片的数量为2～12片，所述阀体的高度大于或等于10.0cm。

本发明提供的风阀，在风阀的阀体内集成至少一个叶轮式风速仪，并通过该叶轮式风速仪对通过阀体的风速进行测量。由于叶轮式风速仪测量得到的是一个面(即叶轮式风速仪的通风截面)上的风速，相对于现有技术的点测量法，受到漩涡气流的干扰很小，因此漩涡气流不会对风速的测量精度产生影响，叶轮式风速仪测得的风速即可视为通过其通风截面的真实风速。因此相对于现有技术的点测量法，本发明提供的风阀具有较强的抗波动、抗干扰能力，可取得更高的测量精度。另外，本发明提供的风阀将叶轮式风速仪集成在风阀内部，相较于现有技术中多叶片阀与皮托管组合的方式，可使得整体结构更为紧凑。

本发明还提供了一种风量调节系统，用于调节风管内的风速，包括控制器，风速测量装置和风阀，所述风速测量装置和所述风阀可与所述风管连通，所述控制器分别与所述风阀和所述风速测量装置连接，所述控制器可根据所述风速测量装置测得的风速来控制所述风阀的开度；其中，所述风速测量装置为本发明提供的上述的风速测量装置。

可选地，所述风阀安装在所述风速测量装置的沿气流流动方向的下游，所述风阀为单叶片蝶阀或多叶片阀。

本发明提供的风量调节系统，包括风速测量装置和风阀，且风速测量装置和风阀分别与控制器连接。在该风量调节系统中，利用叶轮式风速仪测量风管内的风速，由于叶轮式风速仪测量得到的是一个面(即叶轮式风速仪的通风截面)上的风速，相对于现有技术的点测量法，受到漩涡气流的干扰很小，因此漩涡气流不会对风速的测量精度产生影响，叶轮式风速仪测得的风速可视为通过其通风截面的真实风速。另外，由于叶轮式风速仪测量的是一个面的平均风速，该风速值是一个相对稳定的值，不会在控制过程中产生高频分量，可避免控制系统将有效风速值过滤掉。因此相对于现有技术的点测量法，本发明提供的风量调节系统具有较强的抗波动、抗干扰能力，可取得更高的风速测量精度，从而可更精准地对风管内的风量进行调节。

附图说明

图1a为本发明提供的风速测量装置的一种结构图；

图1b为本发明提供的风速测量装置的另一结构图；

图1c为叶轮式风速仪的一种结构图；

图2a为本发明提供的风速测量装置的一种风速仪排布图；

图2b为本发明提供的风速测量装置的另一种风速仪排布图；

图3为一种圆形截面的切贝切夫法测点排布示意图；

图4为本发明提供的一种风阀结构图；

图5为本发明提供的一种风量调节系统结构图；

图6为本发明提供的另一种风量调节系统结构图；

图7a～图7d分别示出了本发明提供的几种风速测量装置的结构示意图；

图8a～图8b为本发明提供的一种风速测量装置应用于弯管时的示意图。

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，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”，不应理解为对本发明的限制。

如背景技术部分所述，风量调节系统用于调节建筑结构、机械设备内的风量。其具体调节过程为：1.利用风速测量装置测量风管内的风速；2.将测得的风速换算为风管内的风量值(例如，风量＝风速×风管的横截面积)；3.将测得的风量值与实际所需的风量值进行比较，如两者不一致的话，通过调节风阀的开度，将风管内的风量值调整至实际所需的风量值。

现有技术中，测量风管内风速的仪器主要是皮托管、热敏式风速仪等，其共同特点是测得的风速为风管横截面上某一点的风速，当该测点位于漩涡气流内时，有可能测不到风管内的真实风速，从而影响测量精度。另外，当风管是弯管时，风管弯曲处会对管内气流产生影响，增加风管内气流的不均匀程度，现有技术的点测量方法更容易受到不均匀气流的干扰，难以测得精确风速。例如，当使用皮托管测量风管内风速时，直管部分的长度需要达到风速测量装置直径的8～13倍才能达到测量和控制精度要求。

再有，皮托管很容易发生堵塞，热敏式风速仪的探头容易发生腐蚀，这会使得皮托管和热敏式风速仪丧失风速测量功能，进一步降低风速测量装置的测量精度。

本发明采用叶轮式风速仪来测量风管内的风速，测量得到的是一个面上的平均风速，具有较强的抗干扰、抗腐蚀、抗波动能力，因此，本发明提供的技术方案可避免不均匀气流的影响，有利于提高风速和风量的测量和控制精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

参考图1a～图2b，本发明首先提供了一种风速测量装置100，可与风管200连通。当风速测量装置100与风管200连通时，可用于测量风管200内的风速。风管200的内壁可形成直径为D的圆形通风截面S，风速测量装置100用于测量该圆形通风截面S内的风速，根据测得的风速可进一步计算通过该圆形通风截面S的风量(例如风量＝风速×圆形通风截面S的横截面积)。风速测量装置100包括至少一个风速仪，在本发明中，风速仪为叶轮式风速仪110。在图1a中，风速测量装置100包括的叶轮式风速仪110的数量为3个，但本发明不限于此，风速测量装置100包括的叶轮式风速仪110也可是其他数量。

本发明对风速测量装置100与风管200的连通方式不作限定，在一个实施例中，如图1a所示，风速测量装置100具有壳体120，风管200的内径与壳体120的内径相等(都等于圆形通风截面S的直径D)，风速测量装置100通过其壳体120与风管200密封连接，在该实施例中，壳体120可视为风管200的一个组成部分。在另一个实施例中，如图1b所示，风速测量装置100不包括壳体，而是将叶轮式风速仪110通过支架直接安装在风管200的内部。

图1c示出了一个叶轮式风速仪110的结构图。叶轮式风速仪110包括支座111和叶轮112，在叶轮112和支座111之间相对应地设置有感测装置，例如在叶轮112内嵌入多级磁环，在支座111上固定设置霍尔传感器113。当气流通过叶轮112时，推动叶轮112旋转，叶轮112在旋转过程中，设置于其上的多级磁环切割霍尔传感器113，从而在霍尔传感器113中产生电信号，通过对该电信号进行计数可得到叶轮112的转速，根据叶轮112的转速可计算得到气流的速度，即风速。叶轮式风速仪110为现有技术中已有的结构，这里不再赘述。

在本发明中，叶轮112的旋转面可设置为与圆形通风截面S的中心轴垂直，这里指叶轮112的旋转面所在平面与圆形通风截面S的中心轴垂直，但叶轮112的旋转面与圆形通风截面S的中心轴可以是相交的，也可以不相交。当叶轮112在气流的推动下转动时，可根据其转速计算通过叶轮式风速仪110的通风截面的风速，进一步根据该风速，可计算通过叶轮式风速仪110的通风截面的风量(例如，风量＝风速×通风截面面积)。在本发明中，叶轮112的旋转面的定义为：在叶轮112的叶片的外轮廓线上选取距叶轮112的中心轴最远的一点，该点绕叶轮112的中心轴旋转一圈，形成的圆形区域即为叶轮112的旋转面。

需要说明的是，本发明提供的风速测量装置100，虽直接测量得到是风速值，但可通过换算得到风量值。即可认为本发明提供的风速测量装置，同时也可作为风量测量装置，其测得的风量值可作为风量调节系统的调节依据。

如前所述，由于风管内壁表面粗糙度的影响，在风场中会存在漩涡气流，影响现有技术的点测量法的测量精度。本发明提供的风速测量装置，用于测量风速的风速仪是叶轮式风速仪，其测量的是一个面(即叶轮式风速仪110的通风截面)上的风速，相对于现有技术的点测量法，受到漩涡气流的干扰很小，即漩涡气流基本不会对叶轮式风速仪测得的风速值产生影响，叶轮式风速仪测得的风速可视为通过其通风截面的真实风速。综上分析，相对于现有技术的点测量法，本发明利用叶轮式风速仪测量风管内的风速和风量，具有更强的抗干扰、抗腐蚀、抗波动能力，可取得更高的测量和控制精度。

可选地，圆形通风截面S与风管200的纵轴线垂直，风管200可以是直管，也可以是弯管。当风管200为直管时，其纵轴线是直线；当风管200为弯管时，其纵轴线为曲线。由于叶轮式风速仪110测得的风速是一个其通风截面上的平均风速，相对于热敏式风速仪和皮托管(其测量的是一个点上的风速，面积非常小，因此无法均衡风管内的气流波动)，可克服由于风管的弯曲产生不均匀气流对测量精度的影响，也就是说，即使风管200是弯管时，利用本发明提供的风速测量装置100依然可以取得高精度的风速和风量测量值。

可选地，如图2a和图2b所示，风速测量装置100包括的叶轮式风速仪110的数量为多个，各叶轮式风速仪110分别位于圆形通风截面S的多条分割线上，多条分割线将圆形通风截面S分割为多个扇形区域。也就是说，各分割线沿圆形通风截面S的径向延伸，每条分割线上设置有至少一个叶轮式风速仪110。在一个实施例中，如图2a所示，叶轮式风速仪110的数量与分割线的数量相等，每条分割线上分别设置一个叶轮式风速仪110；在另一个实施例中，如图2b所示，叶轮式风速仪110的数量大于分割线的数量，一条分割线上可能设置有多个叶轮式风速仪110。将叶轮式风速仪110设置在多条分割线上，可使得多个叶轮式风速仪110尽可能地均布在壳体120内，防止叶轮式风速仪110之间对风速的相互干扰，使得测量结果更为准确；也可以使得各叶轮式风速仪110在周向上尽可能错开布置，避免叶轮式风速仪110之间的相互干涉。在一个实施例中，各叶轮式风速仪110的中心(指叶轮式风速仪110的叶轮的旋转中心)位于上述分割线上。进一步地，多条分割线将圆形通风截面S的面积均匀分割，也就是说，各个扇形区域的面积彼此相等。

可选地，如图1a所示，风速测量装置100包括壳体120，壳体120的至少部分内壁被配置为直径为D的圆柱形内壁，也就是说，沿轴向，壳体120至少包含一段直径为D的圆柱形内壁。壳体120的该圆柱形内壁限定了上文所述的圆形通风截面S，在这种情况下，壳体120可视为风管200管壁的组成部分。在圆柱形内壁上设置有多根用于支撑叶轮式风速仪110的支撑梁，每根支撑梁上设置至少一个叶轮式风速仪110。多根支撑梁的位置与多条分割线的位置一一对应，即支撑梁沿圆柱形内壁的径向延伸，多根支撑梁交汇于圆柱形内壁的中心轴上。在壳体120的两端面上可设置连接法兰，有利于实现风速测量装置100与风管200之间的密封连接。支撑梁可设置为与圆柱形内壁可拆卸连接，以方便叶轮式风速仪110的更换与维护。需要说明的是，在图2a和图2b中，阴影部分可以表示壳体120，也可以表示风管200的管壁。

在圆形通风截面S上，各点处的风速可能是不相同的。合理地设置叶轮式风速仪110的布点位置，有利于提高风速测量装置100的测量精度。可选地，参考图2a和图2b，叶轮式风速仪110的数量为n个，且n≥2，且定义第i个所述叶轮式风速仪110的中心距圆形通风截面S的中心轴的距离为R_i，i＝1，…，n，且R_i被限定为从距离圆形通风截面S的中心轴最近的叶轮式风速仪110开始按照距离的升序排列，即R₁<R₂，R₂<R₃，……，依次类推。其中，当n＝2时，R₁＝(0.25～0.27)D，R₂＝(0.29～0.31)D；当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.03，0.3]。在一个优选实施例中，当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.05，0.25]。当叶轮式风速仪110满足上述排布规律时，可将风速和风量测量误差控制在5％以内。

如果风速测量装置100设置的叶轮式风速仪110的数量过少，会影响测量的精度；如果叶轮式风速仪110的数量过多，会占用过多的通流面积，对气流造成阻碍。可选地，当圆形通风截面S的直径D＝200～350mm时，叶轮式风速仪110的数量为3个，3个叶轮式风速仪110的中心距圆形通风截面S的中心轴的距离分别为R₁＝(0.15～0.225)D，R₂＝(0.236～0.268)D，R₃＝(0.325～0.4)D，当叶轮式风速仪110满足上述排布时，测量得到的风速值与实际风速值的差值在0.3％之内。在一个实施例中，3个叶轮式风速仪110分别设置于圆形通风截面S的3条分割线上，3条分割线将圆心通风截面分割为3个圆心角为120°的扇形区域。

由于风管200内的一个圆形通风截面S上，各点处的风速是不相同的。现有技术在测量圆形截面的风速时，通过在该截面上布置多个测点的方法(例如切贝切夫法)，来得到该圆形截面上的风速平均值。但是，一方面由于点测量方法的抗波动能力较差，单个测点上测得的风速值有可能失真；另一方面由于点测量方法的布点通常比较密集，对叶轮式风速仪110自身的体积要求比较严格。在此情况下，申请人发现，当使用叶轮式风速仪110对圆形通风截面S内的风速进行测量时，如果叶轮式风速仪110的旋转面能覆盖切贝切夫法一条半径上的所有相应测点(即叶轮式风速仪110的叶轮旋转面到圆形通风截面S边界的距离的范围值与圆形通风截面S的直径D的比例值能覆盖切贝切夫法一条半径上的所有测点的相应比例值)，可显著提高风速和风量的测量精度。

具体地，定义叶轮的旋转面(指风速测量装置100包括的所有的叶轮式风速仪100的旋转面之和)上的第m个点距圆形通风截面S边界的最近距离与圆形通风截面S的直径D的比值为a_m，且集合A＝{a₁，a₂，……，a_m，……，a_∞}，即集合A包括了所有的叶轮式风速仪110的叶轮旋转面上所有点的相应比值。同时，定义圆形截面的切贝切夫测点排布法中，位于同一条半径上的第k个测点距圆形截面边界的最近距离与圆形截面直径的比值为b_k，且集合B＝{b₁，b₂，……，b_k，……，b_p}，其中，p为圆形截面的切贝切夫法中，位于同一条半径上的测点数量，即集合B包括了切贝切夫法位于同一条半径上的所有测点的相应比值。当集合A和集合B的关系满足B∈A时，可显著提高风速测量装置100的测量精度。

为便于理解，以某一风速测量装置100为例，对集合A和集合B的关系进行解释。在该风速测量装置100中，圆形通风截面S的直径D＝252mm。该风速测量装置100包括3个叶轮式风速仪110，3个叶轮式风速仪110的中心距离圆柱形内壁的最近距离依次为41.5mm、63mm、74mm，每个叶轮式风速仪110的旋转面的直径为67mm，由上述数据可计算得到，集合A＝[0.032，0.427]。对于直径为252mm的圆形截面，切贝切夫法的布点要求是(如图3所示)：利用3条直径(6条半径)将圆形截面的面积等分为6等份，在每条半径上按照一定的规律排布3个测点——最外围测点、中间测点、最靠近中心的测点距离圆形截面边界的最近距离与圆形截面直径D的比值分别为0.032、0.135、0.321，即集合B＝{0.032，0.135，0.321}。因此，本示例提供的风速测量装置100，满足B∈A。但叶轮式风速仪110的排布方式不限于此，任何满足B∈A的排布方式均在本发明的保护范围之内。

参考图4，本发明还提供了一种风阀300，风阀300包括内径为D的圆筒状的阀体310，驱动装置320以及设置阀体310内的至少一片叶片330，驱动装置320可驱动叶片330转动，以调节风阀300的开度。

阀体310内设置有至少一个叶轮式风速仪110，叶轮式风速仪110的叶轮112的旋转面与阀体310的中心轴垂直这里指叶轮112的旋转面所在平面与阀体310的中心轴垂直，但叶轮112的旋转面与阀体310的中心轴可以是相交的，也可以不相交。当叶轮112在气流的推动下转动时，可根据其转速计算通过叶轮式风速仪110的通风截面的风速。叶轮112的旋转面的定义如前文所述，不再赘述。

本发明用于测量风速的风速仪为叶轮式风速仪，且将叶轮式风速仪集成在风阀内部，相较于现有技术中多叶片阀与皮托管组合形成风量调节系统的方式，不仅可以提高风速和风量的测量和控制精度，还可以使得整体结构更为紧凑，安装更为方便。

可选地，叶轮式风速仪110和驱动装置320分别与控制器连接，控制器可读取叶轮式风速仪110测得的风速信息，并根据该风速信息控制叶片330的转动，从而控制风阀300的开闭程度。在本实施例中，控制器可以是风阀300的组成部分，也可以是独立于风阀300的装置。由于叶轮式风速仪110测量的是一个面的平均风速，该风速值是一个相对稳定的值，不会在控制过程中产生高频分量，可避免控制器将有效风速值过滤掉。因此相对于现有技术的点测量法，本发明提供的风阀具有较强的抗波动、抗干扰能力。

继续参考图4，本实施例中，叶片330为多片沿阀体310的周向分布于阀体310内的扇面状叶片，多片叶片330可绕各自的转轴330a转动。即本实施例的风阀300为多叶片风阀，与单叶片阀不同的是，多叶片阀包括多片沿阀体的周向排布的叶片，气流可同时从多个叶片之间通过，因此，与单叶片风阀相比，多叶片风阀可减少对风管200中气流的干扰，使得风管200中的流场更为均匀。将叶轮式风速仪100集成在多叶片风阀内，可取得很高的测量与调节精度。

可选地，叶片330的转轴与阀体310的中心轴垂直，以使得阀后气流更为均匀。

可选地，叶片330的数量可选为2～12片。

可选地，阀体310的一个横截面上沿其周向分布有多根安装梁340，每根安装梁340上设置至少一个叶轮式风速仪110，阀体310的该横截面沿周向被多根安装梁340分割为多个扇形区域。也就是说，安装梁340沿阀体310的径向延伸。在本发明提供的风阀300中，叶轮式风速仪110的数量为多个，且设置在多根安装梁340上，可使得多个叶轮式风速仪110尽可能地均布在阀体310内，防止叶轮式风速仪110之间对风速的相互干扰，使得测量结果更为准确；也可以使得各叶轮式风速仪110在周向上尽可能错开布置，避免叶轮式风速仪110之间的相互干涉。可选地，多根安装梁340将阀体310的横截面均匀分割，也就是说，各个扇形区域的面积彼此相等。

可选地，安装梁340可拆卸地安装在阀体310内，以方便叶轮式风速仪110的更换和维护。可选地，阀体310的高度大于或等于10cm，从而可为安装梁340提供更多的安装空间，进一步方便安装梁340的安装和拆卸。

进一步地，叶轮式风速仪110的数量为n个，且n≥2；定义第i个所述叶轮式风速仪110的中心距阀体310的中心轴的距离为R_i，i＝1，…，n，且R_i被限定为从距离阀体310的中心轴最近的叶轮式风速仪110开始按照距离的升序排列，即R₁<R₂，R₂<R₃，……。其中，当n＝2时，R₁＝(0.25～0.27)D，R₂＝(0.29～0.31)D；当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.03，0.3]。在一个实施例中，当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.05，0.25]。当叶轮式风速仪110满足上述排布规律时，可将风速和风量测量误差控制在5％以内。

如果风阀300设置的叶轮式风速仪110的数量过少，会影响测量的精度；如果叶轮式风速仪110的数量过多，会占用过多的通流面积，对气流造成阻碍。在可选地，阀体310的内径D＝200～350mm，叶轮式风速仪110的数量为3个，3个叶轮式风速仪110的中心距阀体310的中心轴的距离分别为R₁＝(0.15～0.225)D，R₂＝(0.236～0.268)D，R₃＝(0.325～0.4)D。在一个实施例中，3个叶轮式风速仪110分别设置于阀体310内的3根安装梁340上，3根安装梁340将阀体310的横截面分割为3个圆心角为120°的扇形区域。

进一步地，定义叶轮的旋转面(指风速测量装置100包括的所有的叶轮式风速仪100的旋转面之和)上的第m个点距阀体310内壁的最近距离与阀体310内径D的比值为a_m，且集合A＝{a₁，a₂，……，a_m，……，a_∞}；定义圆形截面的切贝切夫测点排布法中，位于同一条半径上的第k个测点距圆形截面边界的最近距离与圆形截面直径的比值为b_k，且集合B＝{b₁，b₂，……，b_k，……，b_p}，其中，p为圆形截面的切贝切夫法中，位于同一条半径上的测点数量；其中，当集合A和所述集合B满足B∈A时，可显著提高风阀300的测量精度。也就是说，当叶轮式风速仪110的旋转面能覆盖切贝切夫法一条半径上的所有相应测点(即叶轮式风速仪110的叶轮旋转面到阀体310内壁的距离的范围值与阀体200内径的比例值能覆盖切贝切夫法一条半径上的所有测点的相应比例值)，可显著提高风速和风量的测量精度。

可选地，叶轮式风速仪110的横截面积之和不大于阀体310横截面积的30％。例如，在图4所示的风阀300中，阀体310的直径为252mm，其中布置有3个叶轮式风速仪110，每个叶轮式风速仪110的直径为67mm，叶轮式风速时110的横截面积之和与阀体310横截面积的比值为21.2％。由于叶轮式风速仪100本身需占用一定的通流面积，当叶轮式风速仪100自身的横截面积较大时，会对气流产生较为明显的阻碍作用，为补偿该阻碍作用，驱动装置需要对风阀300提供更大的转矩，因此会消耗更多的功率。在本实施例中，通过对叶轮式风速仪110外形尺寸的合理设置，将叶轮式风速仪110占用的通流面积限制在合理的范围之内。

参考图5和图6，本发明还提供了一种风量调节系统400，可用于调节风管200内的风速。风量调节系统400包括控制器、风阀430以及本发明提供的风速测量装置100。其中，风速测量装置100和风阀430可与风管200连通，具体地，风速测量装置100和风阀430可设置在风管200的内部，也可如图5和图6所示，风速测量装置100通过其壳体120与风管200密封连接，风阀430通过其阀体431与风管200密封连接。在本发明中，控制器的安装位置不作限定。控制器分别与风速测量装置100和风阀430连接，控制器可读取风速测量装置100测得的风速，并根据该风速调节风阀430的开度。当风速测量装置100和风阀430可与风管200连通时，控制器可根据风速测量装置100测得的风速，调节风阀430的开度，从而调节风管200内的风量。

本发明提供的风量调节系统400，利用叶轮式风速仪测量风管内的风速，由于叶轮式风速仪测量得到的是一个面(即叶轮式风速仪的通风截面)上的风速，相对于现有技术的点测量法，受到漩涡气流的干扰很小，因此漩涡气流不会对风速的测量精度产生影响，叶轮式风速仪测得的风速可视为通过其通风截面的真实风速。另外，由于叶轮式风速仪测量的是一个面的平均风速，该风速值是一个相对稳定的值，不会在控制过程中产生高频分量，可避免控制系统将有效风速值过滤掉。因此相对于现有技术的点测量法，本发明提供的风量调节系统具有较强的抗波动、抗干扰能力，可取得更高的风速测量精度，从而可更精准地对风管内的风量进行调节。

进一步地，沿圆形风管200中气流的流动方向，风速测量装置100安装在风阀430的上游。由于风速测量装置100处的气流尚未通过风阀，因此，风速测量装置100所在位置的风场可视为均匀风场，利用本发明提供的风速测量装置100对风速和风量进行测量，可得到非常精确的测量结果，从而可更精准地对风管内的风量进行调节。本实施例中，风阀430可以是单叶片蝶阀(如图5所示)、也可以是多叶片阀(如图6所示)。

以下列举本发明的几个具体实施例。在以下实施例中，叶轮式风速仪100的旋转面的直径为67mm，风管200内的实际风速为5m/s。需要说明的是，上述设置对本发明并不构成限定，仅仅是为了突出本发明的创新点而进行的简化设置。

【实施例1】

请参考图7a，在本实施例中，风速测量装置100与风管200连通，风速测量装置100具有壳体120，壳体120具有圆柱形内壁，该圆柱形内壁限定了一个直径D＝200mm的圆形通风截面S。壳体120内设置有2个叶轮式风速仪110，各叶轮式风速仪110的中心距壳体120的中心轴的距离分别为：风速仪1为R₁＝52mm，风速仪2为R₂＝59.5mm。

设定风管内的实际风速为5m/s(在对风速测量装置100进行测试时，风管内的实际风速可通过造风装置进行设定)，各叶轮式风速仪110测量得到的风速值依次为4.9669m/s，5.0327m/s，取上述风速值的平均值，最终得到的风速测量值为4.9998m/s。即利用本实施例提供的风速测量装置100，测得的风速值与实际风速值(5m/s)的差值为0.00％，满足使用要求。

【实施例2】

请参考图7b，在本实施例中，风速测量装置100与风管200连通，风速测量装置100壳体120，壳体120具有圆柱形内壁，该圆柱形内壁限定了一个直径D＝250mm的圆形通风截面S。壳体120内设置有3个叶轮式风速仪110，各叶轮式风速仪110的中心距风管200中心轴的距离分别为：风速仪1为R₁＝52mm，风速仪2为R₂＝63mm，风速仪3为R₃＝84.5mm。

设定风管内的实际风速为5m/s，各叶轮式风速仪110测量得到的风速值依次为4.86m/s，4.97m/s，5.12m/s，取上述风速值的平均值，最终得到的风速测量值为4.98m/s。即利用本实施例提供的风速测量装置100，测得的风速值与实际风速值(5m/s)的差值为0.04％，满足使用要求。

【实施例3】

请参考图7c，在本实施例中，风速测量装置100与风管200连通，风速测量装置100壳体120，壳体120具有圆柱形内壁，该圆柱形内壁限定了一个直径D＝500mm的圆形通风截面S。壳体120内设置有5个叶轮式风速仪110，各叶轮式风速仪110的中心距壳体120的中心轴的距离分别为：风速仪1为R₁＝52mm，风速仪2为R₂＝85mm，风速仪3为R₃＝130mm，风速仪4为R₄＝169mm，风速仪5为R₅＝208mm。

设定风管内的实际风速为5m/s，各叶轮式风速仪110测量得到的风速值依次为4.67m/s，4.91m/s，5.05m/s，5.15m/s，5.19m/s，取上述风速值的平均值，最终得到的风速测量值为4.99m/s。即利用本实施例提供的风速测量装置100，测得的风速值与实际风速值(5m/s)的差值为0.10％，满足使用要求。

【实施例4】

请参考图7d，在本实施例中，风速测量装置100与风管200连通，风速测量装置100壳体120，壳体120具有圆柱形内壁，该圆柱形内壁限定了一个直径D＝750mm的圆形通风截面S。壳体120内设置有7个叶轮式风速仪110，各叶轮式风速仪110的中心距壳体120的中心轴的距离分别为：风速仪1为R₁＝75mm，风速仪2为R₂＝115mm，风速仪3为R₃＝161mm，风速仪4为R₄＝204mm，风速仪5为R₅＝245mm，风速仪6为R₆＝310mm，风速仪7为R₇＝333mm。

设定风管内的实际风速为5m/s，各叶轮式风速仪110测量得到的风速值依次为4.93m/s，5.15m/s，5.25m/s，5.28m/s，5.3m/s，5.34m/s，5.42m/s，取上述风速值的平均值，最终得到的风速测量值为5.18m/s。即利用本实施例提供的风速测量装置100，测得的风速值与实际风速值(5m/s)的差值为3.60％，满足使用要求。

【实施例5】

请参考图8a和图8b，在本实施例中采用的风速测量装置100与实施例2中采用的风速测量装置相同，但本实施例中，风管200为弯管。具体地，风管200包括直线段201和曲线段202，风速测量装置100设置在直线段201靠近曲线段202的一端。图8b示出了风管200内的气流速度分布图，其中，颜色越深的地方气流速度越大。

利用实施例2中提供的风速测量装置100对风管200内的风速进行测量，各叶轮式风速仪110测量得到的风速值依次为4.865m/s，5.248m/s，4.818m/s，取上述风速值的平均值，最终得到的风速测量值为4.977m/s，即测得的风速值与实际风速值(5m/s)的差值为0.04％，满足使用要求。

本发明提供的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 (24)

1.一种风速测量装置，与风管连通时可用于测量所述风管内的直径为D的圆形通风截面内的风速，其特征在于，所述风速测量装置包括至少一个风速仪，所述风速仪为叶轮式风速仪；

所述叶轮式风速仪的叶轮的旋转面可设置为与所述圆形通风截面的中心轴垂直。

2.根据权利要求1所述的风速测量装置，其特征在于，所述圆形通风截面与所述风管的纵轴线垂直。

3.根据权利要求1所述的风速测量装置，其特征在于，多条分割线将所述圆形通风截面沿周向分割为多个扇形区域，每条所述分割线上设置有至少一个所述叶轮式风速仪。

4.根据权利要求3所述的风速测量装置，其特征在于，各个所述叶轮式风速仪的中心位于所述分割线上，各个所述扇形区域的面积彼此相等。

5.根据权利要求3所述的风速测量装置，其特征在于，所述风速测量装置包括壳体，所述壳体的至少部分内壁被配置为直径为D的圆柱形内壁，所述圆柱形内壁上设置有多根支撑梁，多根所述支撑梁的位置与多根所述分割线的位置一一对应，每根所述支撑梁上设置有至少一个所述叶轮式风速仪。

6.根据权利要求5所述的风速测量装置，其特征在于，所述支撑梁可拆卸地设置在所述圆柱形内壁上。

7.根据权利要求3所述的风速测量装置，其特征在于，所述叶轮式风速仪的数量为n个，且n≥2，定义第i个所述叶轮式风速仪的中心距所述圆形通风截面的中心轴的距离为R_i，i＝1，…，n，且R_i被限定为从距离所述圆形通风截面的中心轴最近的所述叶轮式风速仪开始按照距离的升序排列，其中，

当n＝2时，R₁＝(0.25～0.27)D，R₂＝(0.29～0.31)D；

当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.03，0.3]。

8.根据权利要求7所述的风速测量装置，其特征在于，当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.05，0.25]。

9.根据权利要求7所述的风速测量装置，其特征在于，所述圆形通风截面的直径D＝200～350mm，所述叶轮式风速仪的数量为3个，3个所述叶轮式风速仪的中心距所述圆形通风截面的中心轴的距离分别为R₁＝(0.15～0.225)D，R₂＝(0.236～0.268)D，R₃＝(0.325～0.4)D。

10.根据权利要求1所述的风速测量装置，其特征在于，

定义所述叶轮的旋转面上的第m个点距所述圆形通风截面边界的最近距离与所述圆形通风截面直径D的比值为a_m，且集合A＝{a₁，a₂，……，a_m，……，a_∞}；

定义圆形截面的切贝切夫测点排布法中，位于同一条半径上的第k个测点距所述圆形截面边界的最近距离与所述圆形截面直径的比值为b_k，且集合B＝{b₁，b₂，……，b_k，……，b_p}，p为圆形截面的切贝切夫法中，位于同一条半径上的测点数量；

其中，所述集合A和所述集合B满足：B∈A。

11.一种风阀，包括内径为D的圆筒状的阀体、驱动装置以及设置于所述阀体内的至少一片叶片，所述驱动装置可驱动所述叶片转动，以调节所述风阀的开度，其特征在于，

所述阀体内还设置有至少一个叶轮式风速仪，所述叶轮式风速仪的叶轮的旋转面与所述阀体的中心轴垂直。

12.根据权利要求11所述的风阀，其特征在于，所述叶轮式风速仪和所述驱动装置分别与控制器连接，所述控制器可根据所述叶轮式风速仪测量得到的风速控制所述叶片转动，以调节所述风阀的开度。

13.根据权利要求11所述的风阀，其特征在于，所述叶片为多片沿所述阀体的周向分布于所述阀体内的扇面状叶片，多片所述叶片可绕各自的转轴转动。

14.根据权利要求13所述的风阀，其特征在于，所述叶片的转轴与所述阀体的中心轴垂直。

15.根据权利要求13所述的风阀，其特征在于，所述阀体内设置有多根安装梁，多根所述安装梁将所述阀体的一个横截面沿周向分割为多个扇形区域，每根所述安装梁上设置有至少一个所述叶轮式风速仪。

16.根据权利要求15所述的风阀，其特征在于，各个所述扇形区域的面积彼此相等。

17.根据权利要求15所述的风阀，其特征在于，所述安装梁可拆卸地安装于所述阀体内。

18.根据权利要求15所述的风阀，其特征在于，所述叶轮式风速仪的数量为n个，且n≥2，定义第i个所述叶轮式风速仪的中心距所述阀体的中心轴的距离为R_i，i＝1，…，n，且R_i被限定为从距离所述阀体的中心轴最近的所述叶轮式风速仪开始按照距离的升序排列，其中，

当n＝2时，R₁＝(0.25～0.27)D，R₂＝(0.29～0.31)D；

当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.03，0.3]。

19.根据权利要求18所述的风阀，其特征在于，当n＝3～7时，R_i<D/2；|R_i/R_i-1－R_i-1/R_i-2|∈[0.05，0.25]。

20.根据权利要求18所述的风阀，其特征在于，所述阀体的内径D＝200～350mm，所述叶轮式风速仪的数量为3个，3个所述叶轮式风速仪的中心距所述阀体的中心轴的距离分别为R₁＝(0.15～0.225)D，R₂＝(0.236～0.268)D，R₃＝(0.325～0.4)D。

21.根据权利要求11所述的风阀，其特征在于，

定义所述叶轮的旋转面上的第m个点距所述阀体内壁的最近距离与所述阀体内径D的比值为a_m，且集合A＝{a₁，a₂，……，a_m，……，a_∞}；

定义圆形截面的切贝切夫测点排布法中，位于同一条半径上的第k个测点距所述圆形截面边界的最近距离与所述圆形截面直径的比值为b_k，且集合B＝{b₁，b₂，……，b_k，……，b_p}，p为圆形截面的切贝切夫法中，位于同一条半径上的测点数量；

所述集合A和所述集合B满足：B∈A。

22.根据权利要求11～21任一所述的风阀，其特征在于，所述叶轮式风速仪的横截面积之和不大于所述阀体横截面积的30％，所述叶片的数量为2～12片，所述阀体的高度大于或等于10.0cm。

23.一种风量调节系统，用于调节风管内的风量，包括控制器，风速测量装置和风阀，所述风速测量装置和所述风阀可与所述风管连通，其特征在于，所述控制器分别与所述风阀和所述风速测量装置连接，所述控制器可根据所述风速测量装置测得的风速来控制所述风阀的开度；

其中，所述风速测量装置为权利要求1～10任一所述的风速测量装置。

24.根据权利要求23所述的风量调节系统，其特征在于，所述风阀安装在所述风速测量装置的沿气流流动方向的下游，所述风阀为单叶片蝶阀或多叶片阀。