CN109406825A - 一种基于压差的二维风速风向测量装置 - Google Patents

一种基于压差的二维风速风向测量装置 Download PDF

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谢壮宁
段静
何勇
刘慕广
石碧青
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Abstract

本发明公开了一种基于压差的二维风速风向测量装置，包括空心立柱，以及设置在空心立柱上的两个以相差45°叠放的箱体式的二维方柱，并在其四周立面分别开设有一排测压孔；其中，各对立两个立面上的测压孔，分别通过支管汇集至与其相应的测压总管；在各测压总管的管路上设置有压差传感器、第一第二压差校零开关。采用测压的方式测量风速，利用气动平均方法，减少压差传感器数量，降低成本，设置了压差校零开关，提高精度。测压所用的管道以及传感器也可以通过绝缘管路连接而避免雷电等恶劣环境的影响，适用于恶劣环境中超高层建筑物顶部和其它野外长期风速风向测量。

Description

一种基于压差的二维风速风向测量装置
技术领域
本发明涉及二维风速风向测量设备，尤其涉及一种基于压差的二维风速风向测量装置。
背景技术
现场实测是研究结构抗风设计的可靠手段。实测资料的来源往往采用气象站测到的空旷地带10m高度处风速数据。对于超高层建筑，考虑顶部风速时，往往采用气象站数据进行换算。换算数据存在的问题有：1、由于城市地貌变化，气象站地面粗糙度已发生变化，测得数据本身可靠性存疑；2、超高层建筑周围高楼林立，风况复杂，换算风速不可靠。因此，在超高层建筑顶部安装风速仪进行实测就很有必要。
目前用于现场实测的风速仪主要有三类：①机械旋转式风速风向仪；②超声波风速风向仪；③热线风速计。这三类风速仪用于超高层建筑顶部风场户外长期测量各有弊端：机械式风速风向仪轴承易老化，强台风作用下机械构件易损耗，且不稳定；超声波风速风向仪风速价格昂贵，风速过大会影响超声波的传播速度从而影响实测结果，且雷电天气下易损坏；热线风速计，适用于实验室条件下的低风速测量，同时要求散热体方向和气流方向垂直，精度不够高。
已有风速风向仪虽然可以测量风速风向，但是鉴于超高层建筑顶部的特殊状况，风速较大，尤其是台风天气下环境恶劣，上述设备均不适合用来进行风速实测。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于压差的二维风速风向测量装置；本发明结构简单，测试方便，可在恶劣天气下长期稳定工作。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于压差的二维风速风向测量装置，包括空心立柱5，以及设置在空心立柱5上的两个以相差45°叠放的箱体式的二维方柱2；在该两个二维方柱2之间以及顶侧和底侧，分别依次设置上端板1、中端板3和下端板4；
其中，中端板3和下端板4均开设有中心通孔；两个二维方柱2以及空心立柱5通过该中心通孔相互连通；
这两个二维方柱2的结构相同，即每一个二维方柱2的四周立面分别开设有一排测压孔8；其中，各对立两个立面上的测压孔8，分别通过支管9汇集至与其相应的测压总管10；在各测压总管10的管路上设置有压差传感器11、第一压差校零开关12、第二压差校零开关13，其中，压差传感器11与第一压差校零开关12之间为串联，第二压差校零开关13与压差传感器11之间为并联；
各压差传感器11、第一压差校零开关12、第二压差校零开关13分别通过信号线连接PC机14；PC机14控制第一压差校零开关12和第二压差校零开关13的开启与关闭动作；各压差传感器11将压力数据传递给PC机14，由PC机14进行储存和传送。
每一排测压孔8均居中开设在立面上；各排测压孔8的数量、直径相同和位置均相同。
所述中心通孔的面积等于或者小于空心立柱5和二维方柱2四周包围的面积。
所述空心立柱5的下端具有一底座7，底座7通过螺栓固定在地面上；所述第一压差校零开关12和第二压差校零开关13均为电磁阀。
所述空心立柱5的下部与底座7之间连接有加强筋6。
该基于压差的二维风速风向测量装置在室外使用前需要进行风洞校准：
基于测量装置在不同条件下阻力系数相同；取多组梯度风速，进行变化的风速和风向角试验；根据压差传感器(11)的x方向压差△Px和y方向压差△Py，以及来流风速的参考动压P0，计算可知C为常量，与来流风速无关；绘制出x方向的阻力系数Cx＝△PX/nP0随风向角的变化规律曲线以及y方向的阻力系数Cy＝△PY/nP0随风向角的变化规律曲线；通过归一化处理，得到两组形状相似的曲线簇，该曲线簇只与风向角有关，而与来流风速无关，并且由于模型对称性，Cx和Cy曲线关于45°风向角对称；
室外运行时，根据压差传感器(11)记录的数据以及风洞试验中确定的常量C，可将来流风速的参考动压P0计算出来，然后根据P0＝1/2ρν2，确定来流风速；计算出x方向的阻力系数Cx和y方向的阻力系数Cy，结合风洞试验中Cx和Cy随风向角的变化规律曲线，确定出风向角。
本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：
本发明整体装置稳定，没有转动部件，通过测压的方式间接测量风速；二维方柱采用高强材料制成(金属或者非金属)，足以抵抗强风和意外撞击的影响，测压系统可以通过有效屏蔽方式保护起来免受雷电等恶劣环境的影响，可长期用于室外风速实测。
采用气动平均的方式测量。在保证精度的前提，利用测压总管(集管器)汇集同平面上的多个测压点管道信号，连入同一压差传感器测定压差值。有效减少了压力传感器的数量，降低造价。
对压差传感器增设校零开关，使传感器长期使用，受温度等因素影响会产生零点漂移，增设校零系统，使用过程中可定期对压力传感器进行调零，提高测量精度。
本发明采用测压的方式测量风速，利用气动平均方法，减少压差传感器数量，降低成本，设置了压差校零开关，提高精度。测压所用的管道以及传感器也可以通过绝缘管路连接而避免雷电等恶劣环境的影响，适用于恶劣环境中超高层建筑物顶部和其它野外长期风速风向测量。
附图说明
图1为本发明基于压差的二维风速风向测量装置结构示意图。
图2为图1所示二维方柱结构示意图。
图3为图1所示空心立柱结构示意图。
图4为图1所示中端板和下端板结构示意图。
图5为本发明基于压差的二维风速风向测量装置整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-5所示。本发明公开了一种基于压差的二维风速风向测量装置，包括空心立柱5，以及设置在空心立柱5上的两个以相差45°叠放的箱体式的二维方柱2；在该两个二维方柱2之间以及顶侧和底侧，分别依次设置上端板1、中端板3和下端板4。相差45°叠放用于模拟测量不同的来风方向。
其中，中端板3和下端板4均开设有中心通孔；两个二维方柱2以及空心立柱5通过该中心通孔相互连通；
这两个二维方柱2的结构相同，即每一个二维方柱2的四周立面分别开设有一排测压孔8；其中，各对立两个立面上的测压孔8，分别通过支管9汇集至与其相应的测压总管10；在各测压总管10的管路上设置有压差传感器11、第一压差校零开关12、第二压差校零开关13，其中，压差传感器11与第一压差校零开关12之间为串联，第二压差校零开关13与压差传感器11之间为并联；
各压差传感器11、第一压差校零开关12、第二压差校零开关13分别通过信号线连接PC机14；PC机14控制第一压差校零开关12和第二压差校零开关13的开启与关闭动作；各压差传感器11将压力数据传递给PC机14，由PC机14进行储存和传送。
第一压差校零开关12、第二压差校零开关13用于调节压差传感器11的零点漂移(因温度等因素影响产生的)；当需要校正时，同时打开第一压差校零开关12和第二压差校零开关13，使得各对立面的测压总管10连通；测量风速风向时，关闭第二压差校零开关13，打开第一压差校零开关12。
每一排测压孔8均居中开设在立面上；各排测压孔8的数量、直径和位置均相同。
所述中心通孔的面积等于或者小于空心立柱5和二维方柱2四周包围的面积，以保证空气在封闭的空间流通。
所述空心立柱5(金属材质)的下端具有一底座7，底座7通过螺栓固定在地面上；所述第一压差校零开关12和第二压差校零开关13均为电磁阀。
所述空心立柱5的下部与底座7之间连接有加强筋。
二维方柱2(金属材质)的高度100mm，外边长72mm，内边长68mm，壁厚度2mm。
空心立柱5的高度341mm，外边长72mm，内边长68mm，壁厚度2mm。
上端板1、中端板3和下端板4均为圆形(金属材质)，直径均为216mm。
中心通孔的直径50mm。
底座7(金属材质)边长200mm×200mm，厚度5mm，其中间开有68mm×68mm的方孔。
加劲肋6(三角形)底边长度50mm，高度100mm，厚度4mm。
二维方柱2立面(即四个侧面)上的一排三个测压孔8，孔距为24mm，边孔距离侧边缘12mm。
该基于压差的二维风速风向测量装置在室外使用前需要进行风洞校准：
基于测量装置在不同条件下阻力系数相同；取多组梯度风速，进行变化的风速和风向角试验；根据压差传感器11的x方向压差△Px和y方向压差△Py，以及来流风速的参考动压P0，计算可知C为常量，与来流风速无关；绘制出x方向的阻力系数Cx＝△PX/nP0随风向角的变化规律曲线以及y方向的阻力系数Cy＝△PY/nP0随风向角的变化规律曲线；通过归一化处理，得到两组形状相似的曲线簇，该曲线簇只与风向角有关，而与来流风速无关，并且由于模型对称性，Cx和Cy曲线关于45°风向角对称；
室外运行时，根据压差传感器11记录的数据以及风洞试验中确定的常量C，可将来流风速的参考动压P0计算出来，然后根据P0＝1/2ρν2，确定来流风速；计算出x方向的阻力系数Cx和y方向的阻力系数Cy，结合风洞试验中Cx和Cy随风向角的变化规律曲线，确定出风向角。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于压差的二维风速风向测量装置，其特征在于：包括空心立柱(5)，以及设置在空心立柱(5)上的两个以相差45°叠放的箱体式的二维方柱(2)；在该两个二维方柱(2)之间以及顶侧和底侧，分别依次设置上端板(1)、中端板(3)和下端板(4)；
其中，中端板(3)和下端板(4)均开设有中心通孔；两个二维方柱(2)以及空心立柱(5)通过该中心通孔相互连通；
这两个二维方柱(2)的结构相同，即每一个二维方柱(2)的四周立面分别开设有一排测压孔(8)；其中，各对立两个立面上的测压孔(8)，分别通过支管(9)汇集至与其相应的测压总管(10)；在各测压总管(10)的管路上设置有压差传感器(11)、第一压差校零开关(12)、第二压差校零开关(13)，其中，压差传感器(11)与第一压差校零开关(12)之间为串联，第二压差校零开关(13)与压差传感器(11)之间为并联；
各压差传感器(11)、第一压差校零开关(12)、第二压差校零开关(13)分别通过信号线连接PC机(14)；PC机(14)控制第一压差校零开关(12)和第二压差校零开关(13)的开启与关闭动作；各压差传感器(11)将压力数据传递给PC机(14)，由PC机(14)进行储存和传送。
2.根据权利要求1所述基于压差的二维风速风向测量装置，其特征在于：每一排测压孔(8)均居中开设在立面上；各排测压孔(8)的数量、直径和位置均相同。
3.根据权利要求2所述基于压差的二维风速风向测量装置，其特征在于：所述中心通孔的面积等于或者小于空心立柱(5)和二维方柱(2)四周包围的面积。
4.根据权利要求3所述基于压差的二维风速风向测量装置，其特征在于：所述空心立柱(5)的下端具有一底座(7)，底座(7)通过螺栓固定在地面上；所述第一压差校零开关(12)和第二压差校零开关(13)均为电磁阀。
5.根据权利要求4所述基于压差的二维风速风向测量装置，其特征在于：所述空心立柱(5)的下部与底座(7)之间连接有加强筋(6)。
6.根据权利要求3所述基于压差的二维风速风向测量装置，其特征在于：
该基于压差的二维风速风向测量装置在室外使用前需要进行风洞校准：
基于测量装置在不同条件下阻力系数相同；取多组梯度风速，进行变化的风速和风向角试验；根据压差传感器(11)的x方向压差△Px和y方向压差△Py，以及来流风速的参考动压P0，计算可知C为常量，与来流风速无关；绘制出x方向的阻力系数Cx＝△PX/nP0随风向角的变化规律曲线以及y方向的阻力系数Cy＝△PY/nP0随风向角的变化规律曲线；通过归一化处理，得到两组形状相似的曲线簇，该曲线簇只与风向角有关，而与来流风速无关，并且由于模型对称性，Cx和Cy曲线关于45°风向角对称；
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