CN110031650A - 一种热温差型风速风向测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热温差型风速风向测量装置及方法，包括导风管、加热片和温度传感器，所述的导风管有两根，并呈90°交叠分布，所述的加热片位于导风管的中央位置，所述的温度传感器分别位于加热片的两侧，并固定在导风管内，所述导风管内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游，所述的加热片及温度传感器均与电路板连接，当无风时，上下游温度传感器示数相同；当有风吹过时，风带走导风管中间加热片的热量，导致有风一侧温度传感器示数低于无风一侧，根据上下游温差测量出风速，通过两个互相垂直的导风管中的温度差得到风向。本发明可同时测得风速与风向，且该风速风向测量系统体积小、成本低、精度高，易于生产。

Description

一种热温差型风速风向测量装置及方法

技术领域

本发明涉及风速风向测量装置及方法，尤其涉及一种热温差型风速风向测量装置及方法。

背景技术

风速的测量对于我们的生活有着重大意义，在航空领域、农业领域、工业领域、环境监测领域等都发挥着重要作用，如何测量出精确的风速一直是人类探索的问题。

目前常用的测量方法有机械测量法、超声波测量法以及热式测量法。机械测量法因存在旋转件，易受恶劣环境的影响，被磨损的地方需定期维护，超声波测量法虽不受外界影响，不被磨损，但体积大且价格昂贵。热式测量法利用热力学原理，分热损失型与热温差型两种测量方法，设计出来的风速传感器成本低、体积小且精度高。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种热温差型风速风向测量装置及方法。

技术方案：本发明包括导风管、加热片和温度传感器，所述的导风管有两根，并呈90°交叠分布，所述的加热片位于导风管的中央位置，所述的温度传感器分别位于加热片的两侧，并固定在导风管内，所述导风管内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游，所述的加热片及温度传感器均与电路板连接。

所述的导风管采用树脂材料，并呈90°交叠设置。

所述的加热片为恒温PTC加热片，温度恒定为50℃。

所述的加热片采用插槽固定在导风管内部。

所述的温度传感器采用PT100温度传感器，所述的温度传感器距离加热片的间距相等。

所述的温度传感器采用插槽固定在导风管内。

一种热温差型风速风向测量方法，包括以下步骤：

(1)导风管中心插入恒温加热片，在加热片的左右两侧对称固定PT100温度传感器；

(2)加热片通电，无风时，加热片周围的温度场呈对称分布；有风时，风带走加热片的热量，导致下游温度高于上游温度，温度场偏离对称分布；

(3)计算风速：进行建模仿真，计算在不同环境温度、不同风速时上下游的温差，仿真得出不同环境温度，不同风速下的温度差值，记环境温度为x，上下游温差为y，风速为z，经拟合得函数关系式：

z＝(p₁+p₂x+p₃y+p₄y²+p₅y³)/(1+p₆x+p₇x²+p₈y+p₉y²+p₁₀y³)

其中，

p₁＝1480.7199,p₂＝-29.7511,p₃＝-68.4632,p₄＝-0.3387,p₅＝0.0156752,p₆＝0.15505,p₇＝-0.00454,p₈＝13.58846,p₉＝-0.08,p₁₀＝0.0072；

(4)计算风向，具体步骤为：

1)在风速为V的风场中，设定两导风管的四个管口分别为A、B、C、D口，并平行于地面建立直角坐标系OXY，X轴正半轴指向正东，X轴负半轴指向正西，Y轴正半轴指向正北，Y轴负半轴指向正南，A、B、C、D所在平面与坐标系平面重合，AB与Y轴重合，CD与X轴重合，则风速为：

其中V_NS和V_EW为V的两个分量，V_NS为从北向南方向吹入导风管的风速，V_EW为从东向西方向吹入导管的风速，V_NS和V_EW均可通过拟合的函数关系式求得；

2)设风速与X轴成θ角，则：

即风向为：

工作原理：以加热片为中心，导风管内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游。当无风时，上下游温度传感器示数相同；当有风吹过时，风带走导风管中间加热片的热量，导致有风一侧温度传感器示数低于无风一侧，根据上下游温差测量出风速，通过两个互相垂直的导风管中的温度差得到风向。

有益效果：本发明可同时测得风速与风向，且该风速风向测量系统体积小、成本低、精度高，易于生产。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明无风时加热片周围温度分布图；

图3为本发明有风时加热片周围温度分布图；

图4为本发明的实施例图；

图5为本发明的电路结构图；

图6为本发明的温度传感器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括导风管1、加热片2和温度传感器3，导风管1为圆柱形空心管，由两根呈90°交叠分布，采用树脂材质，两根导风管1的中间均竖直固定有加热片2，加热片2为恒温加热片，通过插槽固定在树脂导风管中心内部，位于水平导风管1内部的加热片2的左右两侧用插槽等距固定温度传感器3；位于竖直导风管1内部的加热片2的上下两侧用插槽等间距固定温度传感器3。两个加热片2和四个温度传感器3均用导线与单片机STM32F103RCT6连接，如图5所示。其中恒温PTC加热片2直接与单片机的5V电源连接。

温度传感器3采用PT100温度传感器，其电路原理图如图6所示，R2、R3、R4和温度传感器组成传感器测量电桥，并通过TL431将电桥的输入电压稳定至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机，通过调节可调电阻R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小。放大电路采用LM358集成运算放大器，当温度上升时，温度传感器的阻值变大，输入放大电路的差分信号放大，放大电路的输出电压也对应升高。

因导风管互呈九十度分布，因此，在任意时刻都有一个或者两个管口处于来流中，只要建立合适的坐标系，任意风速都可以通过正交分解求得。规定以加热片2为中心，导风管1内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游，即导风管1的左右两侧为上游或下游。当无风时，上下游的温度传感器示数相同；当有风吹过时，风带走导风管1中间加热片2的热量，导致有风一侧温度传感器示数低于无风一侧，根据上下游温差测量出风速，通过两个互相垂直的导风管1中的温度差得到风向。

一种热温差型风速风向测量方法，包括以下步骤：

(1)在两个长120mm、直径10mm、壁厚1mm且互呈九十度交叠分布的树脂导风圆管中心插入一个温度为50℃的恒温PTC加热片，在距离加热片左右两侧2cm处的位置对称固定PT100温度传感器。

(2)加热片通电，温度恒定为50℃，因导风圆管互呈九十度分布，在任意时刻都有一个或者两个管口处于来流中，只要建立合适的坐标系，任意风速都可以通过正交分解求得。无风时，上下游温度传感器示数相同；有风吹过时，风带走圆管中间加热片的热量，导致有风一侧温度传感器示数低于无风一侧，图2、3分别为无风和有风时加热片周围温度分布图。无风时，加热片周围的温度场呈对称分布；有风时，风带走加热片的热量，导致下游温度高于上游温度，温度场偏离对称分布。

(3)计算风速。利用FLUENT软件进行建模仿真，计算在不同环境温度、不同风速时上下游的温差。环境温度设置250K、260K、270K、280K、290K、300K共6个不同温度值，风速设置0.1m/s、0.2m/s…3m/s、3.1m/s…8m/s共80个不同风速值，仿真得出不同环境温度，不同风速下的温度差值。记环境温度为x，上下游温差为y，风速为z，经拟合得函数关系式：

z＝(p₁+p₂x+p₃y+p₄y²+p₅y³)/(1+p₆x+p₇x²+p₈y+p₉y²+p₁₀y³)

其中：

p₁＝1480.7199,p₂＝-29.7511,p₃＝-68.4632,p₄＝-0.3387,p₅＝0.0156752,p₆＝0.15505,p₇＝-0.00454,p₈＝13.58846,p₉＝-0.08,p₁₀＝0.0072。

利用该函数便可求得流入两垂直圆形导风管内的风速，对于二维结构的风速测量，只要测得互相垂直的两个方向的风速，便可通过正交分解测得任意方向的风速。如图4所示，将本装置放在风速为V的风场中，设定两导管的四个管口分别为A、B、C、D口，并平行于地面建立直角坐标系OXY，X轴正半轴指向正东，X轴负半轴指向正西，Y轴正半轴指向正北，Y轴负半轴指向正南，A、B、C、D所在平面与坐标系平面重合，AB与Y轴重合，CD与X轴重合。

则风速其中V_NS和V_EW为V的两个分量，V_NS为从北向南方向吹入导管的风速，V_EW为从东向西方向吹入导管的风速，V_NS和V_EW均可通过拟合的函数关系式求得。

(4)计算风向。设风速与X轴成θ角，则：

即风向：

Claims (7)

1.一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，包括导风管、加热片和温度传感器，所述的导风管有两根，并呈90°交叠分布，所述的加热片位于导风管的中央位置，所述的温度传感器分别位于加热片的两侧，并固定在导风管内，所述导风管内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游，所述的加热片及温度传感器均与电路板连接。

2.根据权利要求1所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的导风管采用树脂材料。

3.根据权利要求1所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的加热片为恒温PTC加热片。

4.根据权利要求1或3所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的加热片采用插槽固定在导风管内部。

5.根据权利要求1所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的温度传感器采用PT100温度传感器，所述的温度传感器距离加热片的间距相等。

6.根据权利要求1或5所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的温度传感器采用插槽固定在导风管内。

7.一种热温差型风速风向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)导风管中心插入恒温加热片，在加热片的左右两侧对称固定PT100温度传感器；

(2)加热片通电，无风时，加热片周围的温度场呈对称分布；有风时，风带走加热片的热量，导致下游温度高于上游温度，温度场偏离对称分布；

(3)计算风速：进行建模仿真，计算在不同环境温度、不同风速时上下游的温差，仿真得出不同环境温度，不同风速下的温度差值，记环境温度为x，上下游温差为y，风速为z，经拟合得函数关系式：

z＝(p₁+p₂x+p₃y+p₄y²+p₅y³)/(1+p₆x+p₇x²+p₈y+p₉y²+p₁₀y³)

其中，

p₁＝1480.7199,p₂＝-29.7511,p₃＝-68.4632,p₄＝-0.3387,p₅＝0.0156752,p₆＝0.15505,p₇＝-0.00454,p₈＝13.58846,p₉＝-0.08,p₁₀＝0.0072；

(4)计算风向，具体步骤为：

1)在风速为V的风场中，设定两导风管的四个管口分别为A、B、C、D口，并平行于地面建立直角坐标系OXY，X轴正半轴指向正东，X轴负半轴指向正西，Y轴正半轴指向正北，Y轴负半轴指向正南，A、B、C、D所在平面与坐标系平面重合，AB与Y轴重合，CD与X轴重合，则风速为：

其中V_NS和V_EW为V的两个分量，V_NS为从北向南方向吹入导风管的风速，V_EW为从东向西方向吹入导管的风速，V_NS和V_EW均可通过拟合的函数关系式求得；

2)设风速与X轴成θ角，则：

即风向为：