CN112904045A - 一种风速风向综合监测装置 - Google Patents

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Abstract

本专利涉及一种风速风向综合监测装置，属于自然风检测和数据收集技术领域，主要由风速盘、风向标和信号处理与无线传输装置组成。所述风速盘通过螺纹连接在转轴上端，转轴通过联轴器与测速发电机连接，风速盘在风作用下旋转带动转轴与测速发电机转动产生电压。所述风向标位于风速盘下方，通过圆锥滚子轴承与转轴连接，与编码器过盈配合，并通过紧定螺钉连接，风向标随着风向变换转动时，带动编码器转轴旋转产生旋转位置对应编码电信号。所述信号处理与无线传输装置通过电缆接收测速发电机和编码器输出信号，经过数据处理和计算，再无线传输到用户终端。本专利实时监测高耸结构物风的情况，收集风载历史为计算结构物疲劳提供依据。

Description

一种风速风向综合监测装置
技术领域
本发明涉及自然风检测和数据收集技术领域，为一种风速风向综合监测装置。
背景技术
在气象研究中通常将风作为二维矢量来测量，主要由风速和风向两个参数来确定，风速和风向的测量对人们的生活、社会的发展及科技的进步都具有重要作用。对于高耸结构物，如海洋平台钻机井架等，在长期使用过程中，始终不断遭受随机风载的冲击等影响，从而出现结构物材料疲劳强度下降，导致结构物使用寿命预测困难，影响结构的使用安全。
目前，应用在高耸结构物的风速风向传感器的结构形式主要为超声波式和机械式，由于超声波风速风向传感器成本较高且测量范围较小，因此成本较低且使用范围更广的机械式风速风向传感器使用更加普遍。
机械式风速风向传感器的风速盘和风向标均以旋转方式进行检测，但是现有的机械式风速风向传感器存在结构复杂，占用空间大，一体性差，检测精度低和信号传输困难的问题。因此开发一种用于在高耸结构物风载检测的风速风向综合监测装置，长期监测结构物风荷载情况，从而掌握高耸结构物的性能演变，评价结构工作状态，计算结构物疲劳，预测结构物剩余使用年限，确保预测结构物使用安全具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决上诉背景技术中存在的问题，特提供一种风速风向综合监测装置，用于监测结构物风载。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种风速风向综合监测装置，主要由风速监测模块和风向监测模块组成，包括风速盘、转轴、O型密封环、风向标端盖、六角头螺栓、风向标、圆锥滚子轴承、双列圆锥滚子轴承、止动圆螺母、编码器、轴承端盖、联轴器、套筒、法兰盘、测速发电机、电缆、信号处理与无线传输装置、外壳体和弹性挡圈，其特征在于：所述风速监测模块主要由风速盘、转轴、圆锥滚子轴承、联轴器和测速发电机组成，所述风速盘包括风杯支座、风杯支架和风杯，所述风杯为半圆弧形结构，三个风杯水平环绕分布在所述风杯支座上，所述风杯支座内部为阶梯状孔，上端孔有螺纹，螺纹旋转方向与风杯运动方向相同，下端孔与所述转轴间隙配合，所述风杯支架与风杯支座和风杯连接处设置有连接板，风速盘通过螺纹连接在转轴上，转轴为阶梯轴，圆锥滚子轴承成对布置在转轴两端，上端圆锥滚子轴承内圈与转轴连接，通过风速盘和转轴轴肩进行轴向紧固，外圈与风向标外壳体连接，并通过风向标外壳体定位，下端圆锥滚子轴承内圈与转轴连接，通过转轴轴肩和弹性挡圈进行轴向紧固，外圈与外壳体连接，并通过外壳体定位，圆锥滚子轴承承受转轴与风向盘的轴向力，保证风速盘的灵活转动，转轴通过联轴器与测速发电机连接，所述测速发电机通过螺栓与所述套筒下端固定连接，风速盘在风压差作用下带动转轴旋转，通过联轴器使测速发电机电枢旋转产生电压测量风速；
所述风向监测模块主要由风向标端盖、风向标、双列圆锥滚子轴承、止动圆螺母和编码器组成，所述风向标端盖位于风速盘下方，与风向盘通过O型密封环进行密封，并与风向标通过六角头螺栓连接，所述风向标包括尾翼、平衡锤、风向支架和风向标外壳体，风向标尾翼与风向标平衡锤通过风向支架连接焊接到风向标外壳体上，尾翼和平衡锤使风向标中心落在轴线上，风向标与转轴通过圆锥滚子轴承连接，与外壳体通过双列圆锥滚子轴承连接，双列圆锥滚子轴承上端设置O型密封环对轴承进行密封，下端连接止动圆螺母对轴承进行轴向紧固，风向标外壳体与编码器转轴为花键连接，风向标尾翼在风阻作用下转动带动编码器转轴转动产生电信号测量风向；风速和风向监测数据通过电缆传输到信号处理与无线传输装置；
所述信号处理与无线传输装置包括数据接收模块、数据处理模块、误差分析模块、数据转换模块和无线传输模块，数据接收模块连接数据处理模块，数据处理模块连接误差分析模块，误差分析模块连接数据转换模块，数据转换模块连接无线传输模块，所有模块均固定放置在外壳体的外接槽体内，检测计算得出实时风载，并由测速发电机输出电压进行供电维持运行。
所述转轴为阶梯轴，从上到下与轴连接的零件依次为风速盘、风向标、编码器、联轴器和测速发电机，转轴在圆锥滚子轴承、编码器、联轴器和测速发电机的综合作用下始终竖直放置，使所有零部件在同一轴线上。
所述六角头螺栓均为标准件，本发明所提及的不同螺栓编号仅为直径与长度的不同。
所述编码器为中空编码器，编码器中空转轴与风向标外壳体为花键连接，使编码器转轴与转轴一起运动,编码器外壳体固定放置在外壳体上，并通过多颗六角头螺栓进行周向固定连接。
所述外壳体18包括外壳体18a、外壳体18b和外壳体18c，外壳体18a和外壳体18b通过六角头螺栓连接，外壳体18b焊接在外壳体18c内部，外壳体18b与套筒上端焊接，并通过六角头螺栓连接轴承端盖，外壳体18c下端焊接法兰盘，将整个风速风向传感器固定在高耸结构物上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明结构简单，运行可靠，利用转轴将风速盘与风向标安装在同一轴线上，风速盘和风向标上下安装在传感器顶部，避免低处由于其它结构遮挡影响测量结果，风速盘利用测速发电机测量风速，风速越大，转速越高，输出电压越高，风向标利用中空增量编码器测量风向，风向标与转轴通过圆锥滚子轴承连接，使得风向标与转轴相互转动互不影响，风向标外壳柄杆部分与编码器中空转轴花键配合，风向标转动带动编码器转轴转动输出脉冲信号，测速发电机和编码器信号通过电缆数据线传输给信号处理与无线传输装置；
2、本发明在实现风速、风向测量的基础上，利用电缆进行数据传输，信号处理与无线传输装置在接收到测速发电机和编码器信号后，在数据处理模块内对信号进行处理计算，然后经过误差分析计算模块计算得出准确风速、风向值，并记录它们的时间占比，再由数据转换模块将风速、风向值转换成数字信号，通过无线传输设备传输到用户终端显示。
附图说明
图1为本发明一种风速风向综合监测装置结构简图；
图2为本发明一种风速风向综合监测装置总装图；
图3为本发明中风速监测模块结构简图；
图4为本发明中风向监测模块结构简图；
图5为本发明中信号处理与无线传输装置的模块框图；
图中：1.风速盘，1a.风杯支座，1b.风杯支架，1c.风杯，1d.连接板；2.转轴；3.O型密封环；4.风向标端盖；5.六角头螺栓；6.风向标，6a.尾翼，6b.平衡锤，6c.风向支架，6d.风向标外壳体；7.圆锥滚子轴承；8.双列圆锥滚子轴承；9.止动圆螺母；10.编码器；11.轴承端盖；12.联轴器；13.套筒；14.测速发电机；15.法兰盘；16.电缆；17.信号处理与无线传输装置，17a.数据接收模块，17b.数据处理模块，17c.误差分析模块，17d.数据转换模块，17e.无线传输模块；18.外壳；19.弹性挡圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面结合图1～5对本发明做以下描述。上下左右等的位置关系是依据说明书附图1的布局方向来确定。
本发明提供一种技术方案：一种风速风向综合监测装置，主要由风速监测模块和风向监测模块组成，包括风速盘(1)、转轴(2)、O型密封环(3)、风向标端盖(4)、六角头螺栓(5)、风向标(6)、圆锥滚子轴承(7)、双列圆锥滚子轴承(8)、止动圆螺母(9)、编码器(10)、轴承端盖(11)、联轴器(12)、套筒(13)、测速发电机(14)、法兰盘(15)、电缆(16)、信号处理与无线传输装置(17)、外壳体(18)和弹性挡圈(19)；
如图3所示，所述风速监测模块主要由风速盘(1)、转轴(2)、圆锥滚子轴承(7)、联轴器(12)和测速发电机(14)组成，所述风速盘(1)包括风杯(1a)、风杯支座(1b)、风杯支架(1c)和连接板(1d)，所述风杯(1a)为半圆弧形结构，三个风杯(1a)水平环绕分布在所述风杯支座(1b)上，杯口顺着同一方向排列，风杯支座(1b)内部为阶梯状孔，上端孔设置为螺纹，螺纹旋转方向与风杯(1a)运动方向相同，下端孔与所述转轴(2)间隙配合，所述风杯支架(1c)与风杯支座(1b)和风杯(1a)连接处设置有所述连接板(1d)，风速盘(1)通过螺纹连接在转轴(2)上，转轴(2)为阶梯轴，所述圆锥滚子轴承(7)成对安装在转轴两端，上端圆锥滚子轴承(7-1)内圈与转轴(2)连接，通过风速盘(1)和转轴(2)轴肩进行轴向紧固，外圈与风向标外壳体(6d)连接，并通过风向标外壳体(6d)定位，下端圆锥滚子轴承(7-2)内圈与转轴(2)连接，通过转轴(2)轴肩和弹性挡圈(19)进行轴向紧固，外圈与外壳体(18b)连接，并通过外壳体(18b)定位，转轴(2)通过所述联轴器(12)与所述测速发电机(14)连接，测速发电机(14)通过六角头螺栓(5-5)与所述套筒(13)下端固定连接，风速盘(1)在风压差作用下带动转轴(2)旋转，通过联轴器(12)使测速发电机(14)电枢旋转产生电压测量风速；
如图4所示，所述风向监测模块主要由风向标端盖(4)、风向标(6)、双列圆锥滚子轴承(8)、止动圆螺母(9)和编码器(10)组成，所述风向标端盖(4)位于风速盘(1)下方，与风速盘(1)间通过所述O型密封环(3-1)进行密封，并与所述风向标(6)通过所述六角头螺栓(5-1)连接，风向标(6)包括尾翼(6a)、平衡锤(6b)、风向支架(6c)和风向标外壳体(6d)，风向标尾翼(6a)与风向标平衡锤(6b)通过风向支架(6c)连接焊接到风向标外壳体(6d)上，尾翼(6a)和平衡锤(6b)使风向标中心落在轴线上，风向标外壳体(6d)与转轴(2)通过圆锥滚子轴承(7-1)连接，与外壳体(18a)通过所述双列圆锥滚子轴承(8)连接，双列圆锥滚子轴承(8)上端设置O型密封环(3-2)对轴承进行密封，下端连接止动圆螺母(9)对轴承进行轴向紧固，风向标外壳体(6d)与编码器转轴为花键连接，风向标尾翼(6a)在风阻作用下转动带动编码器转轴转动产生电信号测量风向；风速和风向监测数据通过电缆(16)传输到信号处理与无线传输装置(17)；
如图5所示，所述信号处理与无线传输装置(17)包括数据接收模块(17a)、数据处理模块(17b)、误差分析模块(17c)、数据转换模块(17d)和无线传输模块(17e)，数据接收模块(17a)连接数据处理模块(17b)，数据处理模块(17b)连接误差分析模块(17c)，误差分析模块(17c)连接数据转换模块(17d)，数据转换模块(17d)连接无线传输模块(17e)，所有模块均固定放置在外壳体(18c)的外接槽体内，检测计算得出实时风载，并由测速发电机(14)输出电压进行供电维持运行。
所述转轴(2)为阶梯轴，从上到下与轴连接的零件依次为风速盘(1)、风向标(6)、编码器(9)、联轴器(12)和测速发电机(14)，转轴(2)在圆锥滚子轴承(7)、编码器(10)、联轴器(12)和测速发电机(14)的综合作用下始终竖直放置，使所有零部件在同一轴线上。
所述编码器(10)为中空增量编码器，编码器中空转轴与风向标外壳体(6d)为花键连接，使编码器转轴与风向标外壳体(6d)一起运动，编码器外壳体固定放置在外壳体(18a)上，并通过多颗六角头螺栓(5-3)进行周向固定连接。
所述外壳体(18)包括外壳体(18a)、外壳体(18b)和外壳体(18c)，外壳体(18a)和外壳体(18b)通过六角头螺栓(5-2)连接，外壳体(18b)焊接在外壳体(18c)内部，外壳体(18b)与套筒(13)上端焊接，并通过六角头螺栓(5-4)连接轴承端盖(11)，外壳体(18c)下端焊接法兰盘(15)，将整个风速风向传感器固定在高耸结构物上。
工作原理：该发明的风速盘(1)与风向标(6)安装在风速风向传感器顶端，当空气流过风速盘(1)时，风杯(1a)凹面与凸面形成压差，使空气流的水平直线运动转变为风速盘(1)的旋转运动，风速盘(1)转动线速度取决于气流速度，风速盘(1)与转轴(2)通过螺纹连接，螺纹拧紧方向与风速盘(1)转动方向相同，风速盘(1)带动转轴(2)转动，转轴(2)通过联轴器(12)带动测速发电机(14)电枢转动产生电压，同时风向标(6)随着风向变换而转动，带动编码器中空转轴转动产生电信号，风速盘(1)和风向标(6)产生信号通过电缆传输给信号处理与无线传输装置(17)中的数据接收模块(17a)，然后由数据处理模块(17b)对信号进行处理计算，再经过误差分析计算模块(17c)计算得出准确风速风向值，数据转换模块(17d)将风速风向值转换成数字信号通过无线传输设备(17e)传输到用户终端显示,从而对高耸结构物的风载进行分析。
以上所述具体实施方式用于说明本发明而非限制本发明的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的构思和原则前提下所做出的等同变化与修改，均属于本发明系统的保护范围。

Claims (3)

1.一种风速风向综合监测装置，主要由风速监测模块和风向监测模块组成，包括风速盘(1)、转轴(2)、O型密封环(3)、风向标端盖(4)、六角头螺栓(5)、风向标(6)、圆锥滚子轴承(7)、双列圆锥滚子轴承(8)、止动圆螺母(9)、编码器(10)、轴承端盖(11)、联轴器(12)、套筒(13)、测速发电机(14)、法兰盘(15)、电缆(16)、信号处理与无线传输装置(17)、外壳体(18)和弹性挡圈(19)，其特征在于：所述风速监测模块主要由风速盘(1)、转轴(2)、圆锥滚子轴承(7)、联轴器(12)和测速发电机(14)组成，所述风速盘(1)包括风杯(1a)、风杯支座(1b)、风杯支架(1c)和连接板(1d)，所述风杯(1a)为半圆弧形结构，三个风杯(1a)水平环绕分布在所述风杯支座(1b)上，杯口顺着同一方向排列，风杯支座(1b)内部为阶梯状孔，上端孔设置为螺纹，螺纹旋转方向与风杯(1a)运动方向相同，下端孔与所述转轴(2)间隙配合，所述风杯支架(1c)与风杯支座(1b)和风杯(1a)连接处设置有所述连接板(1d)，风速盘(1)通过螺纹连接在转轴(2)上，转轴(2)为阶梯轴，所述圆锥滚子轴承(7)成对安装在转轴两端，上端圆锥滚子轴承(7-1)内圈与转轴(2)连接，通过风速盘(1)和转轴(2)轴肩进行轴向紧固，外圈与风向标外壳体(6d)连接，并通过风向标外壳体(6d)定位，下端圆锥滚子轴承(7-2)内圈与转轴(2)连接，通过转轴(2)轴肩和弹性挡圈(19)进行轴向紧固，外圈与外壳体(18b)连接，并通过外壳体(18b)定位，转轴(2)通过所述联轴器(12)与所述测速发电机(14)连接，测速发电机(14)通过六角头螺栓(5-5)与所述套筒(13)下端固定连接，风速盘(1)在风压差作用下带动转轴(2)旋转，通过联轴器(12)使测速发电机(14)电枢旋转产生电压测量风速；
所述风向监测模块主要由风向标端盖(4)、风向标(6)、双列圆锥滚子轴承(8)、止动圆螺母(9)和编码器(10)组成，所述风向标端盖(4)位于风速盘(1)下方，与风速盘(1)间通过所述O型密封环(3-1)进行密封，并与所述风向标(6)通过所述六角头螺栓(5-1)连接，风向标(6)包括尾翼(6a)、平衡锤(6b)、风向支架(6c)和风向标外壳体(6d)，风向标尾翼(6a)与风向标平衡锤(6b)通过风向支架(6c)连接到风向标外壳体(6d)上，尾翼(6a)和平衡锤(6b)使风向标中心落在轴线上，风向标外壳体(6d)与转轴(2)通过圆锥滚子轴承(7-1)连接，与外壳体(18a)通过所述双列圆锥滚子轴承(8)连接，双列圆锥滚子轴承(8)上端设置O型密封环(3-2)对轴承进行密封，下端连接止动圆螺母(9)对轴承进行轴向紧固，风向标外壳体(6d)与编码器转轴为花键连接，风向标尾翼(6a)在风阻作用下转动带动编码器转轴转动产生电信号测量风向。
2.根据权利要求1所述的一种风速风向综合监测装置，其特征在于：所述编码器(10)为中空增量编码器，编码器中空转轴与风向标外壳体(6d)为花键连接，使编码器转轴与风向标外壳体(6d)一起运动，编码器外壳体固定放置在外壳体(18a)上，并通过多颗六角头螺栓(5-3)进行周向固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种风速风向综合监测装置，其特征在于：所述外壳体(18)包括外壳体(18a)、外壳体(18b)和外壳体(18c)，外壳体(18a)和外壳体(18b)通过六角头螺栓(5-2)连接，外壳体(18b)焊接在外壳体(18c)内部，外壳体(18b)与套筒(13)上端焊接，并通过六角头螺栓(5-4)连接轴承端盖(11)，外壳体(18c)外接槽体，槽体内固定放置信号处理与无线传输装置(17)，外壳体(18c)下端焊接法兰盘(15)，将整个风速风向传感器固定在高耸结构物上。
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