CN114152772A - 具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具备异常自诊断的高精度超声波风速风向测量系统。其包括超声换能器组以及处理器；还包括与所述处理器适配电连接的温湿度传感器，通过温湿度传感器能获取超声换能器组所在环境的环境温度T；利用任一超声换能器对测量所在方向的风速时，处理器根据所述超声换能器对测量的风速能确定当前方向的虚拟风温TV，处理器将虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值与所述处理器内预设的自诊断温差阈值比较，当所述温度差值与自诊断温差阈值匹配时，处理器输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息。本发明能有效实现异常状态的自诊断，提高风速风向测量精度，安全可靠。

Description

具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统
技术领域
本发明涉及一种风速风向策略系统，尤其是一种具备异常自诊断的高精度超声波风速风向测量系统。
背景技术
风速、风向测量在气象研究、风电行业中应用普遍。在户外风速和风向测量中，现有超声风速风向测量系统会存在户外雨水浸润、泥沙堵塞等情况，从而会导致超声风速风向测量系统处于异常状态。处于异常状态的超声风速风向测量系统，会导致风速风向测量的精度较差，且也难以被发现，导致维护困难等情况。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其能有效实现异常状态的自诊断，提高风速风向测量精度，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，包括用于风速风向测量的超声换能器组以及与所述超声换能器组适配连接的处理器，其中，超声换能器组包括两个超声换能器对；还包括与所述处理器适配电连接的温湿度传感器，通过温湿度传感器能获取超声换能器组所在环境的环境温度T；
利用任一超声换能器对测量所在方向的风速时，处理器根据所述超声换能器对测量的风速能确定当前方向的虚拟风温TV，处理器将虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值与所述处理器内预设的自诊断温差阈值比较，当所述温度差值与自诊断温差阈值匹配时，处理器输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息。
处理器根据一超声换能器对测量的风速能确定所述超声换能器对所在方向的虚拟风温TV时，则有
Figure BDA0003331124750000011
其中，S0为在环境温度T下当前超声换能器对所在方向的无风声速。
在两个超声换能器对均正常工作时，处理器通过所述两个正常工作状态的超声换能器对测量得到当前的测量风速S；同时，利用温湿度传感器测量超声换能器组所在环境的环境温度T以及环境湿度H后，处理器利用环境温度T以及环境湿度H能对测量风速S进行修正，以得到修正风速S′，S′＝S+H*x1+ΔT*x2，其中，x1为环境湿度H的修正系数，ΔT为虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值，x2为虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值ΔT的修正系数。
所述两个超声换能器对的声波路径相互垂直，处理器通过放大驱动电路分别与所有超声换能器的驱动端适配连接，超声换能器还通过模拟开关电路、放大电路与处理器适配连接；
处理器通过放大驱动电路控制一超声换能器对处于测量工作状态，并通过模拟开关电路以及放大电路能采样当前超声换能器对的测量声波信号，以能根据所述测量声波信号确定当前超声换能器对所在方向的风速值。
处理器通过放大驱动电路控制一超声换能器对处于测量工作状态时，处理器向放大驱动电路加载一PWM波激励，所述PWM波激励的频率为超声换能器的工作频率，处理器向放大驱动电路加载一PWM波激励的脉冲个数不小于6个。
一超声换能器对处于工作状态时，放大驱动电路能将PWM波激励加载到一超声换能器内，则当前超声换能器对内的另一超声换能器能将接收信号传送至处理器内，处理器根据接收波形以及发射波形确定声音传播时间t，其中，
Figure BDA0003331124750000021
其中，Rxy(t)为互相关函数，g(n)为接收信号，f(n)为接收信号的期望响应波形。
还包括能与处理器适配连接的上位机，处理器能将异常状态报警信息传输至上位机内。
所述处理器包括ARM。
一超声换能器对部署于南北方向上，另一超声换能器对部署于东西方向上。
还包括设置于处理器内的环境湿度阈值，利用温湿度传感器测量超声换能器组所在环境的环境湿度H，当环境湿度H大于环境湿度修正阈值时，处理器输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息。
本发明的优点：利用任一超声换能器对测量所在方向的风速时，处理器根据所述超声换能器对测量的风速能确定当前方向的虚拟风温TV，处理器将虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值与所述处理器内预设的自诊断温差阈值比较，当所述温度差值与自诊断温差阈值匹配时，处理器输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息，即能有效实现异常状态的自诊断，提高风速风向测量精度，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
附图标记说明：1-处理器、2-上位机、3-放大驱动电路、4-温湿度传感器、5-放大电路、6-模拟开关电路、7-第一换能器对第一超声换能器、8-第一换能器对第二超声换能器、9-第二换能器对第一超声换能器、10-第二换能器对第二超声换能器。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为了能有效实现异常状态的自诊断，本发明包括用于风速风向测量的超声换能器组以及与所述超声换能器组适配连接的处理器1，其中，超声换能器组包括两个超声换能器对；还包括与所述处理器1适配电连接的温湿度传感器4，通过温湿度传感器4能获取超声换能器组所在环境的环境温度T；
利用任一超声换能器对测量所在方向的风速时，处理器1根据所述超声换能器对测量的风速能确定当前方向的虚拟风温TV，处理器1将虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值与所述处理器1内预设的自诊断温差阈值比较，当所述温度差值与自诊断温差阈值匹配时，处理器1输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息。
具体地，超声换能器组包括至少两个超声换能器对，超声换能器对可采用现有常用的超声换能器，利用超声换能器组进行风速风向的测量可与现有相一致，超声换能器组与处理器1配合实现风速风向测量的具体方式以及过程均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。处理器还与温湿度传感器4电连接，温湿度传感器4可以采用现有常用的形式，利用温湿度传感器4可至少测量超声换能器组所在环境的环境温度T，温湿度传感器4可将测量的环境温度T传输至处理器1内。
本技术领域人员可知，对于两个超声换能器对，在具体测量风速时，利用任一超声换能器对能测量所述超声换能器对所在方向的风速。本发明实施例中，处理器1根据一超声换能器对测量所在方向的风速能计算确定当前风方向的虚拟风温TV。当处理器1接收温湿度传感器4的环境温度T后，处理器1计算得到虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值。在处理器1内预先设置一自诊断温差阈值，从而处理器1可以将温度差值与自诊断温差阈值比较。具体实施时，当所述温度差值与自诊断温差阈值匹配时，处理器1输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息。
本发明实施例中，温度差值与自诊断温差阈值匹配，具体是指温度差值大于自诊断温差阈值，自诊断温差阈值的具体情况可以根据实际需要选择设定，如可以将自诊断温差阈值设置为5℃，即当温度差值大于5℃时，则处理器1可判断当前的超声换能器对存在异常情况，通过输出异常状态报警信息，即实现异常状态的自诊断，以便能让维修人员及时检修。温度差值为虚拟风温TV与环境温度T间差值的绝对值。
具体实施时，处理器1根据一超声换能器对测量的风速能确定所述超声换能器对所在方向的虚拟风温TV时，则有
Figure BDA0003331124750000041
其中，S0为在环境温度T下当前超声换能器对所在方向的无风声速，。
本发明实施例中，在利用一超声换能器对测量所在方向的风速后，即可确定在环境温度T下当前超声换能器对所在方向的无风声速，从而根据上述计算过程可以得到当前超声换能器对所在方向的虚拟风温TV，即在得到当前超声换能器对所在方向的无风声速S0后，即可得到当前超声换能器对所在方向的虚拟风温TV，采用上述公式确定虚拟风温TV的单位为℃。
进一步地，所述两个超声换能器对的声波路径相互垂直，处理器1通过放大驱动电路3分别与所有超声换能器的驱动端适配连接，超声换能器还通过模拟开关电路6、放大电路5与处理器1适配连接；
处理器1通过放大驱动电路3控制一超声换能器对处于测量工作状态，并通过模拟开关电路6以及放大电路5能采样当前超声换能器对的测量声波信号，以能根据所述测量声波信号确定当前超声换能器对所在方向的风速值。
本发明实施例中，一超声换能器对部署于南北方向上，另一超声换能器对部署于东西方向上，图1中，示出了超声换能器组包括第一换能器对第一超声换能器7、第一换能器对第二超声换能器8、第二换能器对第一超声换能器9以及第二换能器对第二超声换能器10，其中，第一换能器对第一超声换能器7与第一换能器对第二超声换能器8能形成第一超声换能器对，第二换能器对第一超声换能器9与第二换能器对第二超声换能器10能形成第二超声换能器对，第一超声换能器对的声波路径与第二超声换能器对的声波路径相互垂直，具体构成超声换能器对后的工作方式与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
具体实施时，处理器1包括ARM，当然，处理器1还可以采用其他常用的微处理芯片形式，具体可以根据实际需要选择，此处不再赘述。图1中，处理器1通过放大驱动电路3能与所有的超声换能器的驱动端适配连接，即放大驱动光电路3与第一换能器对第一超声换能器7、第一换能器对第二超声换能器8、第二换能器对第一超声换能器9以及第二换能器对第二超声换能器10相应的驱动端连接，同时，一换能器对第一超声换能器7、第一换能器对第二超声换能器8、第二换能器对第一超声换能器9以及第二换能器对第二超声换能器10通过模拟开关电路6、放大电路5与处理器1适配连接，当然，处理器1还与模拟开关电路6电连接。
放大驱动电路3、模拟开关电路6以及放大电路5均可以采用现有常用的电路形式，具体可以根据实际需要选择，此处不再赘述。处理器1通过放大驱动电路3能选择控制一超声换能器对处于测量工作状态，对处于测量工作状态的超声换能器对，一超声换能器在放大驱动电路3作用下发射超声波，另一超声换能器接收所发射的超声波，处理器1通过模拟开关电路6能选择超声换能器对内处于接收状态的超声换能器，从而通过放大电路5能实现采样当前超声换能器对的测量声波信号，并根据所述测量声波信号确定当前超声换能器对所在方向的风速值。
进一步地，处理器1通过放大驱动电路3控制一超声换能器对处于测量工作状态时，处理器1通过放大驱动电路3向超声换能器对加载一PWM波激励，所述PWM波激励的频率为超声换能器的工作频率，处理器1向放大驱动电路3加载一PWM波激励的脉冲个数不小于6个。
由于超声换能器对具有两个超声换能器，因此，PWM波激励加载到超声换能器对内处于发射状态的超声换能器上。具体实施时，PWM波激励的脉冲个数少于6个时，接收PWM波激励的超声换能器振荡幅值过低；当PWM波激励的脉冲个数多于6个时，所述超声换能器输出电压才能趋于稳定，即能确保发射波形的稳定性。处理器1通过现有常用的技术手段产生PWM波激励，具体产生PWM波激励并加载到超声换能器上驱动超声换能器工作的方式与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
进一步地，一超声换能器对处于工作状态时，放大驱动电路3能将PWM波激励加载到一超声换能器内，则当前超声换能器对内的另一超声换能器能将接收信号传送至处理器1内，处理器1根据接收波形以及发射波形确定声音传播时间t，其中，
Figure BDA0003331124750000051
其中，Rxy(t)为互相关函数，g(n)为接收信号，f(n)为超声换能器的发送信号的期望响应波形。
本发明实施例中，互相关函数Rxy(t)为已知的函数，接收信号g(n)为超声换能器接收另一超声换能器发射超声波后的波形信号，处理器1通过放大电路5采用后能得到信号g(n)。当发射信号确定后，超声换能器的发送信号的期望响应波形f(n)随之确定，即超声换能器的发送信号的期望响应波形f(n)与超声换能器的响应特性相关，在超声换能器确定后，处理器1能得到声换能器的发送信号的期望响应波形f(n)。因此，对一处于工作状态的超声换能器，处理器1能根据接收波形以及发射波形计算得到声音传播时间t。
在计算得到声音传播时间t后，则有
Figure BDA0003331124750000052
其中，Sd为利用当前超声换能器对测量当前方向的风速值，S0为在环境温度T下当前超声换能器对所在方向的无风声速，L为当前超声换能器对两个超声换能器间的距离，在超声换能器组部署完成后，超声换能器对内两个超声换能器间的距离L为固定值，即可在处理器1内配置所述距离L的具体数值。因此，处理器1确定得到声音传播时间t后，利用上述表达式即能计算得到在环境温度T下当前超声换能器对测量当前方向的风速值Sd。
在一超声换能器对工作时，当前超声换能器对内的两个超声换能器处于交替循环测量状态，即一超声换能器先处于发射状态，另一超声换能器处于接收状态；然后，在交替所述超声换能器对超声换能器的发射状态与接收状态，从而能得到大小相同，方向相反的两个风速值Sd。
进一步地，在两个超声换能器对均正常工作时，处理器1通过所述两个正常工作状态的超声换能器对测量得到当前的测量风速S；同时，利用温湿度传感器4测量超声换能器组所在环境的环境温度T以及环境湿度H后，处理器1利用环境温度T以及环境湿度H能对测量风速S进行修正，以得到修正风速S′，S′＝S+H*x1+ΔT*x2，其中，x1为环境湿度H的修正系数，ΔT为虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值，x2为虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值ΔT的修正系数。
本发明实施例中，当两个超声换能器对均正常工作时，处理器1通过所述两个正常工作状态的超声换能器对测量得到当前的测量风速S，其中，当前的测量风速S为：
Figure BDA0003331124750000061
其中，SNS为从北到南方向的风速，SSN为从南到北方向的风速，SWE为从西到东方向的风速，SEW为从东到西方向的风速，风向角度为
Figure BDA0003331124750000062
的反正切值。
本发明实施例中，由于超声换能器组所在环境不同时，会对风速的测量有较大影响，如在声音在水中传播速度比空气快，因此，为了能提高测量精度，需要对测量风速S进行修正。具体实施时，利用温湿度传感器4还可以测量当前的环境湿度H，从而处理器1可利用环境温度T以及环境湿度H能对测量风速S进行修正，得到修正风速S′，S′＝S+H*x1+ΔT*x2。
具体实施时，可以利用标准的风速风向测量设备对当前的风速测量，然后利用标准的风速风向测量设备测量的结果与处理器1处理得到的当前的测量风速S，可以得到风速测量误差值。一般地，风速测量误差值是由环境温度T以及环境湿度H引起的，因此，可根据两组风速测量误差值与通过温湿度传感器4测量得到的环境温度T、环境湿度H的关系，即可得到环境湿度H的修正系数x1以及虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值ΔT的修正系数x2。
进一步地，还包括设置于处理器1内的环境湿度阈值，利用温湿度传感器4测量超声换能器组所在环境的环境湿度H，当环境湿度H大于环境湿度修正阈值时，处理器1输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息。
在具体实施时，还可以在处理器1内设置环境湿度阈值，当环境湿度H大于环境湿度阈值时，处理器1输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息；当环境湿度H小于环境湿度阈值时，才进行湿度修正时，即利用上述环境湿度H的修正系数x1与湿度环境H的乘积进行修正。
具体实施时，环境湿度阈值具体可以根据超声换能器对所在的环境进行具体确定，当环境湿度H大于环境湿度阈值时，即可判断当前环境出现异常，处理器1同样输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息。
进一步地，还包括能与处理器1适配连接的上位机2，处理器1能将异常状态报警信息传输至上位机2内。
本发明实施例中，上位机2可以采用常用的计算机等形式，上位机2的具体情况可以根据实际需要选择，处理器1可以通过RS485总线等形式与上位机2连接配合。通过上位机2可以对处理器1等的工作状态进行综合控制，也能输出异常状态报警信息，以及风速风向的具体情况的显示输出等，上位机2的具体工作过程可以根据实际需要选择，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，包括用于风速风向测量的超声换能器组以及与所述超声换能器组适配连接的处理器(1)，其中，超声换能器组包括两个超声换能器对；其特征是：还包括与所述处理器(1)适配电连接的温湿度传感器(4)，通过温湿度传感器(4)能获取超声换能器组所在环境的环境温度T；
利用任一超声换能器对测量所在方向的风速时，处理器(1)根据所述超声换能器对测量的风速能确定当前方向的虚拟风温TV，处理器(1)将虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值与所述处理器(1)内预设的自诊断温差阈值比较，当所述温度差值与自诊断温差阈值匹配时，处理器(1)输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息。
2.根据权利要求1所述的具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其特征是：处理器(1)根据一超声换能器对测量的风速能确定所述超声换能器对所在方向的虚拟风温TV时，则有
Figure FDA0003331124740000011
其中，S0为在环境温度T下当前超声换能器对所在方向的无风声速。
3.根据权利要求1或2所述的具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其特征是：在两个超声换能器对均正常工作时，处理器(1)通过所述两个正常工作状态的超声换能器对测量得到当前的测量风速S；同时，利用温湿度传感器(4)测量超声换能器组所在环境的环境温度T以及环境湿度H后，处理器(1)利用环境温度T以及环境湿度H能对测量风速S进行修正，以得到修正风速S′，S′＝S+H*x1+ΔT*x2，其中，x1为环境湿度H的修正系数，ΔT为虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值，x2为虚拟风温TV与环境温度T间的温度差值ΔT的修正系数。
4.根据权利要求1或2所述的具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其特征是：所述两个超声换能器对的声波路径相互垂直，处理器(1)通过放大驱动电路(3)分别与所有超声换能器的驱动端适配连接，超声换能器还通过模拟开关电路(6)、放大电路(5)与处理器(1)适配连接；
处理器(1)通过放大驱动电路(3)控制一超声换能器对处于测量工作状态，并通过模拟开关电路(6)以及放大电路(5)能采样当前超声换能器对的测量声波信号，以能根据所述测量声波信号确定当前超声换能器对所在方向的风速值。
5.根据权利要求4所述的具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其特征是：处理器(1)通过放大驱动电路(3)控制一超声换能器对处于测量工作状态时，处理器(1)向放大驱动电路(3)加载一PWM波激励，所述PWM波激励的频率为超声换能器的工作频率，处理器(1)向放大驱动电路(3)加载一PWM波激励的脉冲个数不小于6个。
6.根据权利要求5所述的具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其特征是：一超声换能器对处于工作状态时，放大驱动电路(3)能将PWM波激励加载到一超声换能器内，则当前超声换能器对内的另一超声换能器能将接收信号传送至处理器(1)内，处理器(1)根据接收波形以及发射波形确定声音传播时间t，其中，
Figure FDA0003331124740000021
其中，Rxy(t)为互相关函数，g(n)为接收信号，f(n)为接收信号的期望响应波形。
7.根据权利要求1或2所述的具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其特征是：还包括能与处理器(1)适配连接的上位机(2)，处理器(1)能将异常状态报警信息传输至上位机(2)内。
8.根据权利要求1或2所述的具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其特征是：所述处理器(1)包括ARM。
9.根据权利要求4所述的具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其特征是：一超声换能器对部署于南北方向上，另一超声换能器对部署于东西方向上。
10.根据权利要求1所述的具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统，其特征是：还包括设置于处理器(1)内的环境湿度阈值，利用温湿度传感器(4)测量超声换能器组所在环境的环境湿度H，当环境湿度H大于环境湿度修正阈值时，处理器(1)输出表征当前超声换能器对处于异常状态的异常状态报警信息。
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