CN112162110A - 一种超声波风向风速仪 - Google Patents

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CN112162110A CN202011000157.6A CN202011000157A CN112162110A CN 112162110 A CN112162110 A CN 112162110A CN 202011000157 A CN202011000157 A CN 202011000157A CN 112162110 A CN112162110 A CN 112162110A
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孙巧妍
赵金杰
安凯
刘立宁
董云云
刘彦斌
陈祥光
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Yantai Nanshan University
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    • G—PHYSICS
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    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/241—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种超声波风向风速仪，它由机盒、超声波发射与接收探头、超声波反射壁、立柱、顶盖、超声波发射与接收探头、加热器、线路板和单片机组成。机盒上面固连三根立柱，立柱上端与顶盖固连；三根立柱靠近机盒的地方分别安装超声波发射与接收探头１、超声波反射壁和超声波发射与接收探头。单片机控制超声波发射与接收探头１发射超声波，经超声波反射壁反射后被超声波发射与接收探头１和超声波发射与接收探头2接收，单片机记录从超声波发射到超声波被超声波发射与接收探头１和超声波发射与接收探头2接收所经历的时间和后，控制超声波发射与接收探头2发射超声波，经超声波反射壁反射后被超声波发射与接收探头１接收，单片机记录后一次从超声波发射到超声波被接收所经历的时间，通过计算确定风向与风速。

Description

一种超声波风向风速仪
技术领域
本发明涉及风向风速监测仪器，具体涉及超声波风向风速仪。
背景技术
风向风速仪是建筑机械、铁路、港口、码头、电厂、气象、索道、环境、温室、养殖等领域用于测量风向风速的仪器，用它可以方便、迅速地测定外界环境的风向和风速。风向风速仪的种类较多，最常用的为风杯式风向风速计，它主要由风向传感器和风速传感器组成。风向传感器由风标和配重箭头组成，风标通过连杆与配重箭头连接，指示风的方向。风速传感器由三叶风杯和杯体组成，固定在支架上的互成120°的3个抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺着一个方向排列。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。这种风向风速仪在寒冷地区使用时存在叶片旋转轴结冰的忧虑，需要进行除雪或冰的检查工作，维修起来也比较困难。中国发明专利CN101236213A公开了一种超声波风速仪及运用超声波测量风速的方法，在底座上设置四个测量臂和四个超声波发射与接收探头，四个超声波发射与接收探头依次相邻成90°夹角，通过相对的两对超声波发射与接收探头测量沿空气传播的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时间差，并结合探头之间的距离计算出空气流动速度。虽然该风速仪在四个测量臂上设有加热装置，对避免冰雪遮挡超声波探头起一定作用，但由于设置有四个超声波探头，不仅结构复杂，也增加了超声波探头被空中漂浮物遮挡的几率。
发明内容
鉴于上述问题，本发明旨在提供一种超声波发射与接收探头数目更少的风向风速仪，以简化仪器结构及其控制程序，并减少空中漂浮物遮挡超声波探头的可能。
超声波风向风速仪由机盒、超声波发射与接收探头1、超声波反射壁、立柱、顶盖、超声波发射与接收探头2、加热器、线路板和单片机组成。线路板和单片机安装在机盒之内，机盒上面固连三根立柱，立柱上端与顶盖固连；三根立柱靠近机盒的地方分别安装超声波发射与接收探头1、超声波反射壁和超声波发射与接收探头2，机盒内侧上底面安装加热器。
单片机控制超声波发射与接收探头1发射超声波，经超声波反射壁反射后被超声波发射与接收探头1和超声波发射与接收探头2接收，单片机记录从超声波发射到超声波被超声波发射与接收探头1和超声波发射与接收探头2接收所经历的时间t0和t1后，控制超声波发射与接收探头2发射超声波，经超声波反射壁反射后被超声波发射与接收探头1接收，单片机记录后一次从超声波发射到超声波被接收所经历的时间t2，结合超声波传播速度以及超声波发射与接收探头1、超声波发射与接收探头2和超声波反射壁的位置关系，单片机通过计算确定风向与风速。
本发明的有益效果在于：
1.避免了冰雪对超声波探头的遮挡；
2.超声波发射和接收探头一体，简化了仪器结构及其控制程序，并减少空中漂浮物遮挡超声波探头的可能。
附图说明
图1是超声波风向风速仪工作原理示意图，图2是超声波传播速度示意图。
标号说明
1机盒，2超声波发射与接收探头A，3超声波反射壁，4立柱，5顶盖，6超声波发射与接收探头B
具体实施方式
如图1所示，超声波风向风速仪由机盒1、超声波发射与接收探头A 2、超声波反射壁3、立柱4、顶盖5，超声波发射与接收探头B 6、加热器、线路板和单片机组成。线路板和单片机安装在机盒1之内，机盒1上面固连三根立柱4，立柱4上端与顶盖5固连；三根立柱4靠近机盒1的地方分别安装超声波发射与接收探头A 2、超声波反射壁3和超声波发射与接收探头B 6，超声波发射与接收探头A 2和超声波反射壁3的连线垂直于超声波反射壁3和超声波发射与接收探头B 6的连线，机盒1内侧上底面安装加热器。
单片机控制超声波发射与接收探头A 2发射超声波，经超声波反射壁3反射后被超声波发射与接收探头A 2和超声波发射与接收探头B 6接收，单片机记录从超声波发射到被超声波发射与接收探头A 2和超声波发射与接收探头B 6接收所经历的时间t0和t1后，控制超声波发射与接收探头B 6发射超声波，经超声波反射壁3反射后被超声波发射与接收探头A 2接收，单片机记录后一次从超声波发射到超声波被超声波发射与接收探头B 6接收所经历的时间t2。
如图2所示，以C表示超声波的传播速度，
Figure BDA0002693290440000021
表示风的速度向量，E、F、G分别表示超声波发射与接收探头A 2、超声波发射与接收探头B 6、超声波反射壁3的位置，以G为原点，GE和GF分别为x轴和y轴建立坐标系，V1和V2分别表示
Figure BDA0002693290440000022
在x轴和y轴方向上分量，L表示GE和GF的长度，则有
Figure BDA0002693290440000031
由此得到
L(C+V2)+L(C-V1)＝t1(C+V2)(C-V1) (2)
L(C-V2)+L(C+V1)＝t2(C-V2)(C+V1)
t2L(C+V2)+t2L(C-V1)-t1L(C-V2)-t1L(C+V1)＝2t1t2C(V2-V1)
2(t2-t1)LC+(t2+t1)LV2-(t2+t1)LV1＝2t1t2CV2-2t1t2CV1
[2t1t2C-(t2+t1)L]V2-[2t1t2C-(t2+t1)L]V1＝2(t2-t1)LC
Figure BDA0002693290440000032
其中
Figure BDA0002693290440000033
代入(2)式中得
L(C+A+V1)+L(C-V1)＝t1(C+A+V1)(C-V1)
L(C+A)+LV1+LC-LV1＝t1(C+A+V1)C-t1(C+A+V1)V1
t1(C+A+V1)V1+L(C+A)+LV1+LC-LV1-t1(C+A+V1)C＝0
t1V1 2+t1(C+A)V1+L(C+A)+LV1+LC-LV1-t1(C+A)C-t1V1C＝0
因此有
Figure BDA0002693290440000034
记
Figure BDA0002693290440000035
则可以得到方程组(1)中V1的两个解
Figure BDA0002693290440000036
由于超声波发射与接收探头A 2发射与其接收经反射壁3反射的超声波所经历的时间t0，因此
Figure BDA0002693290440000041
由此得
Figure BDA0002693290440000042
在V11和V12中舍去绝对值不等于|V1|者，剩下的数记为V1，并由此计算V2＝A+V1，得到要求的风速向量
Figure BDA0002693290440000043
以及风速为
Figure BDA0002693290440000044

Claims (2)

1.一种超声波风向风速仪，由超声波风速仪由机盒(1)、超声波发射/接收探头A(2)、超声波反射壁(3)、立柱(4)、顶盖(5)，超声波发射/接收探头B(6)、加热器、线路板和单片机组成，其特征在于：线路板和单片机安装在机盒(1)之内，机盒(1)上面固连三根立柱(4)，立柱(4)上端与顶盖(5)固连；三根立柱(4)靠近机盒(1)的地方分别安装超声波发射/接收探头A(2)、超声波反射壁(3)和超声波发射/接收探头B(6)，超声波发射与接收探头A(2)和超声波反射壁(3)的连线垂直于超声波反射壁(3)和超声波发射与接收探头B(6)的连线，机盒(1)内侧上底面安装加热器；单片机控制超声波发射/接收探头A(2)发射超声波，经超声波反射壁(3)反射后被超声波发射/接收探头B(6)接收，单片机记录从超声波发射到被超声波发射与接收探头A(2)和超声波发射与接收探头B(6)接收所经历的时间t0和t1后，控制超声波发射/接收探头B(6)发射超声波，经超声波反射壁(3)反射后被超声波发射/接收探头A(2)接收，单片机记录后一次从超声波发射到超声波被接收所经历的时间t2；结合超声波传播速度以及超声波发射/接收探头A(2)、超声波发射/接收探头B(6)和超声波反射壁(3)的位置关系，单片机通过计算确定风速。
2.根据权利要求1所述的一种超声波风速仪，其特征在于：以C表示超声波的传播速度，
Figure FDA0002693290430000011
表示风的速度向量，E、F、G分别表示超声波发射与接收探头A(2)、超声波发射与接收探头B(6)、超声波反射壁(3)的位置，以G为原点，GE和GF分别为x轴和y轴建立坐标系，V1和V2分别表示
Figure FDA0002693290430000012
在x轴和y轴方向上分量，L表示GE和GF的长度，记
Figure FDA0002693290430000013
则可以得到方程组(1)中V1的两个解
Figure FDA0002693290430000014
由于超声波发射与接收探头A(2)发射与其接收经反射壁(3)反射的超声波所经历的时间t0，因此
Figure FDA0002693290430000015
由此得
Figure FDA0002693290430000021
在V11和V12中舍去绝对值不等于|V1|者，剩下的数记为V1，并由此计算V2＝A+V1，得到要求的风速向量
Figure FDA0002693290430000022
以及风速
Figure FDA0002693290430000023
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