CN113125799A - 基于皮托管的智能风速风向仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于皮托管的智能风速风向仪，包括皮托管阵列、传感器模块、微控制器；所述皮托管阵列设置于所要测量的流场内，所述皮托管阵列的全压管下端端口与传感器模块的全压口连接，所述传感器模块的信号通过I2C通讯协议传递给微控制器，所述微控制器将信号通过处理计算输出风速以及风向信号。本发明的基于皮托管的智能风速风向测量仪，能够在自然环境下精准测量瞬时风速风向，解决了自然瞬时风速风向难以准确测量的难题，而且维护方便且有防冰功能，适用于覆冰等复杂环境下的风速风向测量。
Description
技术领域
本发明涉及风速风向领域，具体涉及一种基于皮托管的智能风速风向仪。
背景技术
风能作为一种新型清洁能源，具有广阔的开发和利用前景。随着各国越来越重视对风能的研究和应用，风速测量被广泛用于气象监控与预测、新能源汽车、民航升降、交通旅游、市政工程建设等行业。若想合理地运用风能，提高风能的利用效率，需要安装风速风向测量装置监测自然环境的风速风向。
目前检测风速风向的传感器种类繁多，最常见的有：机械式风速仪、热敏式风速仪、超声波风速仪、皮托管风速仪等。机械式风速仪原理简单、成本低、使用便捷，但也存在体积较大、不便维护、户外易腐蚀冻结的弊端；热敏式风速仪是通过加热线或者金属丝来测量，其测量方便、反应速度快、精度高，其缺点是感应元件容易被氧化且经常需要维护，而且容易受外部环境温度的干扰，准确度降低；声风速仪，其可捕捉瞬时的风速微小变化，而且输出特性为线性，易于实现数字化输出及流量的计算，但安装要求十分严格，结构较为复杂，故障排除较困难，抗干扰性较差。
相对于其他类型风速仪，皮托管风速仪具有结构简单、制造方便、价格便宜等优点，并且在测量较高风速时，精确度高且分辨率好，但现有的皮托管风速仪只能测量定向风，并不能测量自然风，也即是无法同时测量自然风的风速以及风向，同时也存在低风速下无法测量和误差较大的弊端。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于皮托管的智能风速风向仪，能够在自然环境下精准测量瞬时风速风向，解决了自然瞬时风速风向难以准确测量的难题，而且维护方便且不易冻结。
本发明的基于皮托管的智能风速风向仪，包括皮托管阵列、传感器模块、微控制器；
所述皮托管阵列设置于所要测量的流场内，所述皮托管阵列的全压管下端端口与传感器模块的全压口连接，所述传感器模块的信号通过I2C通讯协议传递给微控制器，所述微控制器将信号通过处理计算输出风速以及风向信号；
所述皮托管阵列包括N个皮托管；所述N个皮托管围绕设定的圆周阵列均匀布置；所述N为不小于6的正整数。
进一步，所述皮托管包括A管以及与A管连通的B管；
所述A管为“7”字型，所述A管的上端为全压管上端，所述A管的上端设置于所要测量的流场内，所述A管的下端为排水管；所述B管的一端设置于A管的中部，所述B管的另一端为全压管下端；
所述A管的排水管通过转接头与电磁阀连接，所述电磁阀的开断通过微控制器的程序进行控制；所述B管的全压管下端端口与传感器模块的全压口连接。
进一步，还包括用于安装皮托管阵列、传感器模块以及装置的壳体；所述皮托管阵列的全压管上端设置于壳体外。
进一步，所述壳体包括圆柱桶以及底座；所述底座为圆柱状，所述底座设置于圆柱桶的底端；所述底座的截面半径大于所述圆柱桶的截面半径；所述底座的侧壁上设置有过线孔和排水孔。
进一步，所述圆柱桶的顶面中心处设置有静压孔；所述静压孔的上方设置有静压孔防护板；所述静压孔防护板的直径大于静压孔直径的20倍。
进一步，所述传感器模块包括N个微差压传感器；所述微差压传感器的全压口与皮托管的全压管下端端口连接，所述微差压传感器的静压口通过转接头与所述静压孔连接；所述微差压传感器的信号通过I2C通讯协议传递给微控制器，所述微控制器将信号通过处理计算输出风速以及风向信号。
进一步，还包括用于显示风速以及风向信号的显示模块以及用于通信的通信模块；
所述微控制器的显示输出端与显示模块的输入端连接，所述微控制器的信号输出端与通信模块的信号输入端连接。
进一步，所述微控制器根据如下方法确定风速以及风向：
所述微控制器接收传感器模块输出的N个动压值，并确定N个动压值中的最大动压值Pmax，并将取得最大动压值Pmax的皮托管作为目标皮托管；
所述微控制器获取与目标皮托管相邻的两个皮托管分别对应的动压值Pa与Pb，并将动压值Pa与Pb中绝对值最大的动压值作为动压值Pabs；
所述微控制器根据最大动压值Pmax与动压值Pabs，确定目标皮托管的全压管上端进风方向与风向的夹角及风速的实际动压值P；
根据目标皮托管的全压管上端进风方向与风向的夹角，确定目标区域所处环境的风向；根据风速的实际动压值P确定目标区域所处环境的风速；
所述微控制器确定的最大动压值Pmax为：
Pmax＝P·(1-4sin2θ)；
所述微控制器确定的动压值Pabs为：
Pabs＝P·[1-4sin2(60°-θ)]；
其中，P为风速的实际动压值，θ为目标皮托管的全压管上端进风方向与风向的夹角。
进一步，所述微控制器根据如下公式确定目标区域所处环境的风速V：
其中，P为风速的实际动压值；ρ为目标区域所处环境的空气密度。
进一步，所述微控制器确定目标区域所处环境的风向，具体包括：
a.所述微控制器确定目标区域所处环境的风向角β：
其中，i为目标皮托管的编号，j为动压值为Pabs的皮托管的编号，所述皮托管的编号序列为(1,2,…,N)；
b.安装时将编号为1的皮托管全压管方向安装在正北方向，则有：
若β＝0°，则风向为北风；若β＝45°，则风向为东北风；若0<β<45°或45°<β<90°，则风向为北偏东β°；
若β＝90°，则风向为东风；若β＝135°，则风向为东南风；若90°<β<135°或135°<β<180°，则风向为东偏南(β-90)°；
若β＝180°，则风向为南风；若β＝225°，则风向为西南风；若180°<β<225°或225°<β<270°，则风向为南偏西(β-180)°；
若β＝270°，则风向为西风；若β＝315°，则风向为西北风；若270°<β<315°或315°<β<360°，则风向为西偏北(β-270)°。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于皮托管的智能风速风向仪，既能避免其他风速仪不便维护、户外易腐蚀冻结、抗干扰性较差以及对安装地点环境的要求较高等弊端，又能避免传统皮托管风速仪只能测定向风向、低风速下无法测量和误差较大的弊端，实现了自然环境下精准测量瞬时风风速风向的效果，解决了自然瞬时风速风向难以准确测量的难题，对气象应用、提高风能的利用效率及监测输电线路覆冰环境参数具有重要意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的电气结构示意图；
图2为本发明的皮托管结构示意图；
图3为本发明的智能风速风向仪的结构示意图；
图4为本发明的6根皮托管周向均匀布置示意图；
其中，1-静压孔防护板；2-支撑柱；3-静压孔；4-上盖板；5-全压管上端；6-圆柱桶；7-底座；8-过线孔；9-排水孔；10-皮托管；11-法兰盘；12-排水管；13-全压管下端；14-第一七通转接头；15-第二七通转接头；16-电磁阀。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图1所示：
本发明的基于皮托管的智能风速风向仪，包括皮托管阵列、传感器模块、微控制器；
所述皮托管阵列设置于所要测量的流场内，所述皮托管阵列的全压管下端端口与传感器模块的全压口连接，所述传感器模块的信号通过I2C通讯协议传递给微控制器，所述微控制器将信号通过处理计算输出风速以及风向信号；
所述皮托管10阵列包括N个皮托管10；所述N个皮托管10围绕设定的圆周阵列均匀布置；所述N为不小于6的正整数。通过上述结构，保证了相邻两个皮托管10之间的夹角不大于60°，进而使得风向至少与其中一个皮托管10的进风方向的夹角在0～60°范围内，保证了至少一个皮托管10的圆柱绕流压力曲线与理论曲线基本吻合，从而保证了风向以及风速计算的准确性。本实施例中，所述N取值为6。
本实施例中，如图2所示，所述皮托管10包括A管以及与A管连通的B管；
所述A管为“7”字型，所述A管的上端为全压管上端5，所述A管的上端设置于所要测量的流场内，所述A管的下端为排水管12；所述B管的一端设置于A管的中部，所述B管的另一端为全压管下端13；
所述A管的排水管12通过第一七通转接头14与电磁阀16连接，所述电磁阀16的开断通过微控制器的程序进行控制；所述B管的全压管下端13端口与传感器模块的全压口连接。其中，A管用于排水，而B管用于测量全压。
本实施例中，还包括用于安装皮托管阵列、传感器模块以及微控制器的壳体；所述皮托管阵列的全压管上端5设置于壳体外。其中，所述皮托管阵列的N个皮托管10通过法兰盘11固定设置于壳体内，所述法兰盘11的外侧打孔，通过螺丝与壳体外壁固定，螺丝连接时用螺纹胶密封以保证壳体内的气密性。
本实施例中，所述壳体包括圆柱桶6以及底座7；所述底座7为圆柱状，所述底座7设置于圆柱桶6的底端；所述底座7的截面半径大于所述圆柱桶6的截面半径，所述底座7的侧壁上设置有过线孔8和排水孔9。其中，所述圆柱桶6的上盖板4用螺丝和垫圈固定，以保证圆柱桶6的气密性；所述底座7的侧壁上开有直径为12mm的排水孔9，以便使所述水份流出；所述排水孔9与所述全压管下端13端口用胶水固定，保证了所述风速风向仪的气密性；所述底座7下端设置有四个飞边耳，方便将风速风向仪固定在户外。通过上述结构，能避免了各皮托管10之间气流紊乱，也能将电磁阀16、软管、电路板等封装进壳体内，还能保证风速风向仪的气密性。
其中，关于排水的控制如下：所述电磁阀16采用常闭型，并通过第一七通转接头14及软管与六根皮托管10的A管相连；微控制器控制电磁阀16的开断来控制A管内的积水排放。
本实施例中，所述圆柱桶6的上盖板4中心处设置有静压孔3；所述静压孔3的上方设置有静压孔防护板1；所述静压孔防护板1的直径大于静压孔3直径的20倍。相比于标准的皮托管，本发明所述的静压孔3相当于传统的标准皮托管的静压孔。所述静压孔3通过静压孔防护板1进行防护，防止灰尘、雨水等杂质进入；所述静压孔防护板1由三根支撑柱2支撑；所述静压孔防护板1的直径大于静压孔3直径的20倍以消除端板效应；在冰雪天气下，静压口容易被冰雪覆盖，导致测量的静压出现偏差，通过上述结构，可以避免由于冰雪而导致的上述偏差。同时，通过上述结构，方便在冰冻雨雪天气下排出进入所述皮托管10的积水，进一步保证了采集的总压数据的准确性。所述皮托管10的材料采用304不锈钢管，防尘防堵且户外使用不易腐蚀。
本实施例中，所述传感器模块包括N个微差压传感器；所述微差压传感器的全压口与皮托管10的全压管下端13端口连接，所述微差压传感器的静压口通过软管以及第二七通转接头15与静压孔3连接；所述传感器模块的信号通过I2C通讯协议传递给微控制器，所述微控制器将信号通过处理计算输出风速以及风向信号。其中，所述微差压传感器与所述皮托管10一一对应，所述微差压传感器为双向精密数字式微差压传感器，所述双向精密数字式微差压传感器测量下限低于0.5m/s，精度高于0.1％，当差压值为0.1Pa时也能测量出来，解决了皮托管10在低风速下无法测量和误差较大的问题。
本实施例中，还包括用于显示风速以及风向信号的显示模块以及用于通信的通信模块；所述微控制器的显示输出端与显示模块的输入端连接，所述微控制器的信号输出端与通信模块的信号输入端连接。其中，所述微控制器的信号输出端输出风速以及风向信号；所述显示模块采用现有的液晶显示设备；所述通信模块采用现有的485通讯模块。
所述测量装置还包括供电模块，所述供电模块输出12V以及3.3V直流电，所述12V直流电向电磁阀16供电，所述3.3V直流电向传感器模块和微控制器供电。其中，所述供电模块采用现有的供电电路，在此不再赘述。
本实施例中，所述微控制器根据如下方法确定风速以及风向：
所述微控制器接收传感器模块输出的N个动压值，并确定N个动压值中的最大动压值Pmax，并将取得最大动压值Pmax的皮托管作为目标皮托管；其中，所述动压值由微差压传感器测量得到，并由微差压传感器输出至微控制器；
所述微控制器获取与目标皮托管相邻的两个皮托管分别对应的动压值Pa与Pb，并将动压值Pa与Pb中绝对值最大的动压值作为动压值Pabs；
所述微控制器根据最大动压值Pmax与动压值Pabs，确定目标皮托管的全压管上端进风方向与风向的夹角及风速的实际动压值P；
根据目标皮托管的全压管上端进风方向与风向的夹角，确定目标区域所处环境的风向；根据风速的实际动压值P确定目标区域所处环境的风速。
本实施例中，所述微控制器确定的最大动压值Pmax为：
Pmax＝P·(1-4sin2θ)； (1)
所述微控制器确定的动压值Pabs为：
Pabs＝P·[1-4sin2(60°-θ)]； (2)
其中，P为风速的实际动压值，θ为目标皮托管的全压管上端进风方向与风向的夹角。
所述微控制器根据如下公式确定目标区域所处环境的风速V：
其中，P为风速的实际动压值；ρ为目标区域所处环境的空气密度。具体地，将式子(1)以及(2)进行联合，可以得到风速的实际动压值P以及目标皮托管的进风方向与风向的夹角θ，在测量得到目标区域所处环境的空气密度ρ后，将风速的实际动压值P带入式子(3)可以得到目标区域所处环境的风速。
本实施例中，所述微控制器确定目标区域所处环境的风向，具体包括：
a.所述微控制器确定目标区域所处环境的风向角β：
其中，i为目标皮托管的编号，j为动压值为Pabs的皮托管的编号，所述皮托管的编号序列为(1,2,…,N)；当N的取值为6时，则风向角为：
b.安装时将编号为1的皮托管全压管上端进风方向安装在正北方向，如图4所示，其中，北的符号表示为N，则有：
若β＝0°，则风向为北风；若β＝45°，则风向为东北风；若0<β<45°或45°<β<90°，则风向为北偏东β°；
若β＝90°，则风向为东风；若β＝135°，则风向为东南风；若90°<β<135°或135°<β<180°，则风向为东偏南(β-90)°；
若β＝180°，则风向为南风；若β＝225°，则风向为西南风；若180°<β<225°或225°<β<270°，则风向为南偏西(β-180)°；
若β＝270°，则风向为西风；若β＝315°，则风向为西北风；若270°<β<315°或315°<β<360°，则风向为西偏北(β-270)°。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：包括皮托管阵列、传感器模块、微控制器；
所述皮托管阵列设置于所要测量的流场内，所述皮托管阵列的全压管下端端口与传感器模块的全压口连接，所述传感器模块的信号通过I2C通讯协议传递给微控制器，所述微控制器将信号通过处理计算输出风速以及风向信号；
所述皮托管阵列包括N个皮托管；所述N个皮托管围绕设定的圆周阵列均匀布置；所述N为不小于6的正整数。
2.根据权利要求1所述的基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：所述皮托管包括A管以及与A管连通的B管；
所述A管为“7”字型，所述A管的上端为全压管上端，所述A管的上端设置于所要测量的流场内，所述A管的下端为排水管；所述B管的一端设置于A管的中部，所述B管的另一端为全压管下端；
所述A管的排水管通过转接头与电磁阀连接，所述电磁阀的开断通过微控制器的程序进行控制；所述B管的全压管下端端口与传感器模块的全压口连接。
3.根据权利要求1所述的基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：还包括用于安装皮托管阵列、传感器模块以及装置的壳体；所述皮托管阵列的全压管上端设置于壳体外。
4.根据权利要求3所述的基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：所述壳体包括圆柱桶以及底座；所述底座为圆柱状，所述底座设置于圆柱桶的底端；所述底座的截面半径大于所述圆柱桶的截面半径；所述底座的侧壁上设置有过线孔和排水孔。
5.根据权利要求4所述的基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：所述圆柱桶的顶面中心处设置有静压孔；所述静压孔的上方设置有静压孔防护板；所述静压孔防护板的直径大于静压孔直径的20倍。
6.根据权利要求5所述的基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：所述传感器模块包括N个微差压传感器；所述微差压传感器的全压口与皮托管的全压管下端端口连接，所述微差压传感器的静压口通过转接头与所述静压孔连接；所述微差压传感器的信号通过I2C通讯协议传递给微控制器，所述微控制器将信号通过处理计算输出风速以及风向信号。
7.根据权利要求1所述的基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：还包括用于显示风速以及风向信号的显示模块以及用于通信的通信模块；
所述微控制器的显示输出端与显示模块的输入端连接，所述微控制器的信号输出端与通信模块的信号输入端连接。
8.根据权利要求1所述的基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：所述微控制器根据如下方法确定风速以及风向：
所述微控制器接收传感器模块输出的N个动压值，并确定N个动压值中的最大动压值Pmax，并将取得最大动压值Pmax的皮托管作为目标皮托管；
所述微控制器获取与目标皮托管相邻的两个皮托管分别对应的动压值Pa与Pb，并将动压值Pa与Pb中绝对值最大的动压值作为动压值Pabs；
所述微控制器根据最大动压值Pmax与动压值Pabs，确定目标皮托管的全压管上端进风方向与风向的夹角及风速的实际动压值P；
根据目标皮托管的全压管上端进风方向与风向的夹角，确定目标区域所处环境的风向；根据风速的实际动压值P确定目标区域所处环境的风速；
所述微控制器确定的最大动压值Pmax为：
Pmax＝P·(1-4sin2θ)；
所述微控制器确定的动压值Pabs为：
Pabs＝P·[1-4sin2(60°-θ)]；
其中，P为风速的实际动压值，θ为目标皮托管的全压管上端进风方向与风向的夹角。
9.根据权利要求8所述的基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：所述微控制器根据如下公式确定目标区域所处环境的风速V：
其中，P为风速的实际动压值；ρ为目标区域所处环境的空气密度。
10.根据权利要求8所述的基于皮托管的智能风速风向仪，其特征在于：所述微控制器确定目标区域所处环境的风向，具体包括：
a.所述微控制器确定目标区域所处环境的风向角β：
其中，i为目标皮托管的编号，j为动压值为Pabs的皮托管的编号，所述皮托管的编号序列为(1,2,…,N)；
b.安装时将编号为1的皮托管全压管方向安装在正北方向，则有：
若β＝0°，则风向为北风；若β＝45°，则风向为东北风；若0<β<45°或45°<β<90°，则风向为北偏东β°；
若β＝90°，则风向为东风；若β＝135°，则风向为东南风；若90°<β<135°或135°<β<180°，则风向为东偏南(β-90)°；
若β＝180°，则风向为南风；若β＝225°，则风向为西南风；若180°<β<225°或225°<β<270°，则风向为南偏西(β-180)°；
若β＝270°，则风向为西风；若β＝315°，则风向为西北风；若270°<β<315°或315°<β<360°，则风向为西偏北(β-270)°。
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