CN111398623A - 一种智能风速检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能风速检测系统，包括振动检测模块、水柱产生模块、单片机，所述的振动检测模块与单片机连接，所述的水柱产生模块用于产生竖直的水柱，所述的振动检测模块包括相互连接的水柱落点检测盘和振动检测电路，所述的水柱落点检测盘由多个上下排布的振动传感器构成，水柱受到风速的影响击打在水柱落点检测盘的不同振动传感器上，振动检测电路将振动信号转化为电信号传送给单片机，单片机依据电信号计算风速。与现有技术相比，本发明具有测量风速更准确、适用于野外风场的优点。

Description

一种智能风速检测系统
技术领域
本发明涉及一种风速检测装置，尤其是涉及一种智能风速检测系统。
背景技术
风力发电作为一种环保的发电方式被大力倡导，风速是风力发电必要的物理量，风速可以通过风速传感器获得。
如今市场上用的最多的是风杯式风速传感器，这种传感器感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。当风从任何方向吹向传感器时，不同风杯之间会产生压力差从而加速风杯传感器的旋转，当作用在风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动，这时风杯传感器就作匀速转动，此时风杯转速与风速之间成比例关系，通过测转速的电路设计就可得到风速。
风杯式风速传感器因为惯性的原因，无法达到很好的响应速度，由于这种惯性带来的误差，使得风力发电机根据风速预测稳定输出功率的变桨距控制策略产生误差，并且风杯式风速传感器由于设计复杂，价格较为昂贵，体积庞大，不适用于未来可能出现的小型化风力发电装置，如车载风力发电装置，以及一些风电领域简易模型实验的场合。另外风杯式风速传感器在野外风场中缺少低压供电模块，当风机处于停机状态时无法从风力发电机上引电能给风速传感器供电。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以减少风速测量惯性误差、适用于野外风场风速检测的智能风速检测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种智能风速检测系统，包括振动检测模块、水柱产生模块、单片机，所述的振动检测模块与单片机连接，所述的水柱产生模块用于产生竖直的水柱，所述的振动检测模块包括相互连接的水柱落点检测盘和振动检测电路，所述的水柱落点检测盘由多个上下排布的振动传感器构成，水柱受到风速的影响击打在水柱落点检测盘的不同振动传感器上，振动检测电路将振动信号转化为电信号传送给单片机，单片机依据电信号计算风速。
所述的水柱落点检测盘为倒锥形。
所述的水柱产生模块包括相互连接的水柱喷头与管道，水柱喷头的截面积小于管道截面积。
所述的智能风速检测系统还包括光伏发电模块，所述的光伏发电模块与单片机连接。
所述的光伏发电模块包括相互并联的太阳能电池板、检测控制子电路、第一支路和第二支路，所述的第一支路包括相互串联的蓄电池和第一开关，所述的第二支路包括相互串联的负荷和第二开关，所述的检测控制子电路通过控制第一开关和第二开关的开闭，从而控制负荷的能量来源。
所述的智能风速检测系统还包括与单片机相连的LED数字显示电路，所述的单片机将计算得到的风速传送给LED数字显示电路进行显示。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)减小惯性误差：本发明采用流体落点检测技术，通过改变测量风速的方法，用流体来代替固体作为测量风速的中间作用量来避免惯性导致的测量误差，结合多个上下排布的振动传感器，使得输出的风速实时曲线更加真实反映风速的动态变化。
(2)水柱落点检测盘为倒锥形，对于风速较大的情况，可接受水柱落点的面积较大，不容易丢失数据。
(3)水流经过减小截面积的水柱喷头可以形成不发散、圆柱形的垂直下流水柱，从而提高水柱落点的检测精度。
(4)适用于野外风场：本发明结合光伏模块，可以解决传统风速传感器在野外风场没有供电的问题。
(5)本发明包括LED数字显示电路，从而方便显示风速。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明水柱产生模块及振动检测模块结构示意图；
图3为本发明水柱落点偏移示意图；
图4为本发明光伏发电模块电路结构示意图；
图5为本发明测量死区示意图；
图6为本发明受力分析原理图。
附图标记：
1为振动检测模块；2为水柱产生模块；3为光伏发电模块；4为单片机；5为LED数字显示电路；6为水柱落点检测盘；7为水柱喷头；8为管道；9为光伏发电模块；10为水柱；11为水柱落点；12为太阳能电池板；13为检测控制子电路；14为蓄电池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
图1至图3分别显示本发明的原理图、风速检测示意图和水柱落点偏移示意图，图中箭头表示风速，本发明包括振动检测模块1、水柱产生模块2、光伏发电模块3、单片机4和LED数字显示电路5，振动检测模块1、光伏发电模块3和LED数字显示电路5分别与单片机4连接，水柱产生模块2用于产生竖直的水柱10，振动检测模块1包括相互连接的水柱落点检测盘6和振动检测电路，水柱落点检测盘6为一个倒椎体，由多个同心水柱落点检测环所组成，如图3所示，每个环的外壁下方都装有一个振动传感器，环与环之间以隔震的软性胶质相连，防止振动在不同环之间传送。
水柱产生模块2包括相互连接的水柱喷头7与管道8，水柱喷头7通过减小截面积来增加流速，水流经过水柱喷头7形成不发散、圆柱形的垂直下流水柱10，水柱10受到风速的影响击打在水柱落点检测盘6的不同振动传感器上，如图3所示，振动检测电路将振动信号转化为电信号传送给单片机4，单片机4依据电信号计算风速
如图4所示，光伏发电模块3包括相互并联的太阳能电池板12、检测控制子电路13、第一支路和第二支路，第一支路包括相互串联的蓄电池14和第一开关T1，第二支路包括相互串联的负荷15和第二开关T2，检测控制子电路13通过控制第一开关和第二开关的开闭，从而控制负荷15的能量来源。图中Bx为保险丝VD1是防反充电二极管，负荷15包括单片机4和水泵。检测控制子电路13检测蓄电池14两端电压来控制T1和T2的关断，初始状态T1闭合，T2断开，当蓄电池14电量蓄满后断开T1，闭合T2，由太阳能电池板12为负荷15供电，当光资源不足太阳能电池板12无法产生足够电能时，闭合T2由蓄电池14为负荷供电。
系统工作时，由太阳能电池板12供给电能使水泵电机恒速转动，得到恒速流动的水流经过水柱喷头7处，通过减小截面积来增加流速的设计从而形成不发散、圆柱形的垂直下流水柱。当风速为0时，从水柱喷头7上流出的水柱10不发生偏移，径直流入水管经过水泵循环重新从水柱喷头7流出。当风速不为0时，水柱10在风的作用下产生弯曲并且水柱10冲击在水柱落点检测，6的内壁上，如图2所示。当风速由小到大变化时，水柱的落点由最下层的环逐层向上偏移，如图3所示，当水柱冲击在任意一层环上时会造成环的振动，振动传感器收到振动信号后发送信号给单片机4，由单片机4计算出相应的风速，提高环的总数可以相应提高对风速的检测精度。风速值可以通过数字信号的形式传至下一环节也可以直接通过LED数字显示模块5直接显示。
单片机4启动需要复位，复位电路设计关系到系统的可靠运行。
关于风速测量的死区：
如图5所示，当水柱从正中央偏移至最下层传感器的这一段距离是检测风速的死区，为了使死区尽可能的小，应该尽可能缩小最下层传感器与水管间的距离。根据表一可知典型风机的切入风速约为5m/s左右(3级风)，所以风速传感器的死区至少应该应该小于5m/s，当输入数据最下层传感器与水盘中央的水平距离X时，得到的风速检测数据应该小于5m/s。
风速计算的原理
这里为了方便计算，对水柱假设一些特定条件：
[1]假设水柱的水流为理想流体，无切向力，没有粘性；
[2]因为水柱上的所有流线都是一样的平行线，用一根流线来代替流束；
[3]因为水柱流下来时候的空气阻力较小，所以空气阻力忽略不计；
如图6所示，在流下的水柱上取一正方形流体微元，其长和高分别为Dx和Dy，微元受到由重力带来的一个向下的质量力Fy和一个由风带来的水平向右的质量力Fx，因为水泵是恒速转动的，所以空间上任意一点的水流速度是不随时间而改变的，整个水流可以看成是一个定常流动的流体。
首先计算出微元从水柱管道顶端到达水盆所需要的时间，我们可以把微元的偏移轨迹视作风力和重力共同对微元作用了t秒的结果，使得微元在水平距离上移动了X米，在垂直距离上移动了Y米，如图6所示，这里的Y可以通过测量振动传感器相应点到喷头的垂直高度得到，同时因为水泵是恒速转动，所以可以事先测得水流的流速，根据流体连续性方程S1V1＝S2V2可以得到水流离开顶端水管出口时初始速度，其中S1为水管的截面积，V1为水流在水管中的流速，S2为水管出口处的截面积，V2即是水流离开水管出口处的初始流速，然后根据公式S＝V0t+0.5at2
可以得到水流从离开水管末端到达水盆所需要的时间，然后再对微元水平方向上的移动应用公式S＝V0t+0.5at2其中水平上的初始速度VX0＝0，得到水平方向的加速度ax，以及水平方向的起始速度VX0和末端速度VX2，在微元的水平方向上应用流体的水平动量方程ρqv(vx2-vx1)＝∑Fx，可以得到水流在水平方向上受到的力Fx，其中VX2为水平末端速度，VX1为水平起始速度＝0，ρ为水的密度，q为水的流量，因为是定常流动，同时水柱较细，可以忽略水柱倾斜给垂直切面的截面积带来的变化误差，所以Q流量等于水从顶端喷出时的速度*水柱的截面积。最后水柱水平方向的力都是由风所带来的，于是根据风能利用公式
Figure BDA0001982943130000051
可以得到风速V，其中ρ为空气的密度，A为风与水柱接触的面积＝水柱的高度*水柱的宽度。

Claims (6)

1.一种智能风速检测系统，其特征在于，包括振动检测模块、水柱产生模块和单片机，所述的振动检测模块与单片机连接，所述的水柱产生模块用于产生竖直的水柱，所述的振动检测模块包括相互连接的水柱落点检测盘和振动检测电路，所述的水柱落点检测盘由多个上下排布的振动传感器构成，水柱受到风速的影响击打在水柱落点检测盘的不同振动传感器上，所述的振动检测电路将振动信号转化为电信号传送给单片机，单片机依据电信号计算风速。
2.根据权利要求1所述的一种智能风速检测系统，其特征在于，所述的水柱落点检测盘为倒锥形。
3.根据权利要求1所述的一种智能风速检测系统，其特征在于，所述的水柱产生模块包括相互连接的水柱喷头与管道，所述的水柱喷头的截面积小于管道截面积。
4.根据权利要求1所述的一种智能风速检测系统，其特征在于，所述的智能风速检测系统还包括光伏发电模块，所述的光伏发电模块与单片机连接。
5.根据权利要求4所述的一种智能风速检测系统，其特征在于，所述的光伏发电模块包括相互并联的太阳能电池板、检测控制子电路、第一支路和第二支路，所述的第一支路包括相互串联的蓄电池和第一开关，所述的第二支路包括相互串联的负荷和第二开关，所述的检测控制子电路通过控制第一开关和第二开关的开闭，从而控制负荷的能量来源。
6.根据权利要求1所述的一种智能风速检测系统，其特征在于，所述的智能风速检测系统还包括与单片机相连的LED数字显示电路，所述的单片机将计算得到的风速传送给LED数字显示电路进行显示。
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