CN116718800A - 一种风速风向传感器的高空检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种风速风向传感器的高空检测系统，其中，高空检测系统安装在运输作业平台上，经该平台抬升并稳定在风速风向传感器作业平面，用于风速风向传感器的高空实时检测和/或校准。风速风向传感器通常安装的位置比较高，比如铁路上风速风向传感器是安装在接触网支柱上，距离轨面4000mm高度位置，每处安装固定2台风速风向传感器；同时铁路线路比较长，即便现场实时检测，也非常费时费力。本发明利用作业平台在高空的延展性和地面长距离运输的便捷性，满足风速风向传感器的高空检测需要，出人意料的解决了制约风速风向传感器现场检测的重要现实问题。
Description
技术领域
本发明涉及传感器的检测领域，尤其涉及一种风速风向传感器的高空检测系统和方法。
背景技术
根据设计时速200km/h及以上铁路应设置风监测系统的规定，在铁路沿线的桥梁、峡谷、河谷等不同区段按照不同间距进行布置风监测系统。高速铁路风速风向监测设备一般由风速风向传感器、数据采集处理单元、数据传输单元及其他附属设备组成，其中，风速风向传感器是安装在接触网支柱上，距离轨面4000mm高度位置，每处安装固定2台风速风向传感器，其主要作用是监测铁路沿线大风信息，以便及时为铁路安全运行提供大风预警信号，并根据不同报警级别制定相应限速预案。
对于安装在铁路大风检测系统中大量的风速风向传感器，由于传感器本身物理特性及室外极端环境因素的影响，传感器性能参数会发生变化或损毁，为了保证传感器处于正常工作状态，需要对风速风向传感器性能进行定期检测。目前的检测方法通常是将风速风向传感器从铁路现场拆除，运送到室内实验室风洞中进行检测，检验合格后在现场再进行安装固定，这种检测方式存在检测效率低下，需要多次现场拆装，容易增加作业人员安全风险，另外风速风向传感器有可能在运输过程中导致精度不准或受损。目前亟需一种可以实现铁路现场对风速风向传感器进行高空检测的系统和方法，弥补现有技术的不足，保障作业人员安全并提高检测效率。
同时，在风速风向传感器现场的高空检测过程中，需要使用一种风洞装置。风洞是一种以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或者实体周围气体的流动情况，并且可以量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。在风洞发明建造之初其主要的应用范围是航空航天领域，风洞能够为航空航天飞行器空气动力学研究提供客观而准确的试验数据。随着工业空气动力学的发展，低速风洞越来越广泛的应用到国民经济建设的各个方面，在交通运输、房屋建筑、风能利用、体育运动等领域都发挥了重要的作用。低速风洞一般指速度低于0.3Ma(约100m/s)的风洞，低速风洞按照实验段形式可以分为开口和闭口风洞，实验段截面形状有矩形、圆形、八角形、椭圆形等。按风洞结构形式又可以分为直流式和回流式风洞，各种形式的风洞有不同的应用范围，同时根据不同的应用场景也需要研究开发出相应的特种低速风洞，但衡量一座风洞性能好坏的标准都是一致的，即风洞实验段的流场品质，如气流速度分布均匀性、动压稳定性、平均气流偏角、轴向静压梯度、气流湍流度以及噪声和温升等等，风洞设计开发的目标就是获得良好的流场品质。现有公开的开口直流低速风洞结构形式一般是集气口、收缩段、实验段、扩散段、风扇段、排气口，其中实验段位于风洞前端，风扇在后方产生吸力将气流引入，由于进气端气流稳定均匀，通过收缩段过渡之后，前端的实验段容易获得良好的流场品质，而后端排气口临近风扇段，排出气流流动十分紊乱。
为了解决目前铁路沿线布置的大量风速传感器不便于拆除送到实验室检测的难题，需要研制一套可移动的户外直吹式风洞装置，并无需拆卸风速传感器，即可将传感器放置于高品质流场区域进行标定。现有的回流式风洞试验段均为封闭壳体，试验段前后均有连接管路，无法将传感器不拆卸便放置于试验段区域。而直流式风洞排气口气流紊乱，无法满足流场品质要求。现有技术中的相关研究，因为出口流场品质不稳定等原因，难以实际用于风速风向传感器的高空检测或校准。当前亟需一套切实可行的，用于风速风向传感器的高空检验或校准，同时满足现场苛刻的操作要求和测试精度的系统或方法。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种风速风向传感器的高空检测系统和方法。通过采用比如隧道检修车、接触网作业车等运输作业平台和风洞横向运动平台，将移动式户外直吹式低速风洞装置运动到风速风向传感器安装位置，通过提供均匀的出风速度和良好的流场品质，对机械式、超声波式和热场式风速风向传感器静态和动态性能进行在线检测，提高了检测效率和精度。
本发明提供了一种风速风向传感器的高空检测系统，其中，高空检测系统安装在运输作业平台上，经该平台抬升并稳定在风速风向传感器作业平面，用于风速风向传感器的高空实时检测和/或校准。风速风向传感器通常安装的位置比较高，比如铁路上风速风向传感器是安装在接触网支柱上，距离轨面4000mm高度位置，每处安装固定2台风速风向传感器；同时铁路线路比较长，即便现场实时检测，也非常费时费力。本发明采用了一种简单、便捷的方式，将高空检测系统安装在运输作业平台上，利用作业平台在高空的延展性和地面长距离运输的便捷性，满足风速风向传感器的高空检测需要，出人意料的解决了制约风速风向传感器现场检测的重要现实问题。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，运输作业平台，包括工务轨道车，工务轨道车包括隧道检修车、接触网作业车。利用铁路上常用的工务轨道车，尤其是隧道检修车、接触网作业车等，装载本发明提供的高空检测系统，因地制宜，提高了检测的便捷性，有利于大范围推广和使用。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，高空检测系统包括移动式户外直吹式低速风洞装置、风洞横向运动平台、风洞风速调节系统、标准度盘、标准度盘角度控制系统；移动式户外直吹式低速风洞装置，为分段组装式，用于产生检测用的、风速≤100m/s的标准人工气流；风洞横向运动平台，推动移动式户外直吹式低速风洞装置，横向运动到达风速风向传感器的检测位置；风洞风速调节系统，根据风速试验需求调节人工气流的速度；标准度盘和标准度盘角度控制系统，用于调节人工气流相对风速风向传感器的吹送角度，以便实现风速和/或风向的高空检测。本发明提供的高空检测系统，可对铁路用风速风向传感器进行现场检测或校准，解决目前铁路沿线布置的大量风速风向传感器不便于拆除送到实验室检测的难题，保障铁路列车运行安全。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，移动式户外直吹式低速风洞装置，包括喇叭口进气段、前整流段、动力段、后整流段、直流器段、蜂窝器段、收缩排气口段、检测段、驱动装置；直流器段包括环形薄壁结构，由周向隔板分割为内环、中环和外环，用于降低气流旋转。
本发明提供的移动式户外直吹式低速风洞装置，基于开口直流风洞原理发明设计，通过风扇系统的驱动，气流连续的从外界大气通过进气口进入风洞，然后又通过排气口排到外界大气，在排气口处获得均匀的出口速度和良好的流场品质，避免了现有技术中直流式风洞排气口气流紊乱，无法满足流场品质要求的缺陷。为达到满足要求的流场品质，该发明在风扇段后、排气口前之间管路应用多种方式减少风洞能量损失，提高出口流场品质。比如本发明采用直流器段进一步导向和分割气流较大漩涡，因而有利于漩涡的衰减，同时由于蜂窝器管道对气流的摩擦作用，也有利于改善气流的速度分布，并在一定程度上也能降低气流的湍流度，提高出口气流的均匀性。本发明提供的移动式户外直吹式低速风洞装置，可实现在排气口形成一定区域马赫数连续改变的流场，而且可以对马赫数改变的速率和规律按照风速要求进行控制，流场均匀稳定，满足不同区域风速环境下对传感器的标定。由此，本发明在排气口后设立检测段，作为风洞的实验段，满足传感器的现场快速检测的需要。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，前整流段包括管路外壳、前整流罩、整流罩头支撑片、前支撑片、支撑圈座；后整流段包括管路外壳、后整流罩、整流罩导流叶片、支撑圈座；动力段包括管路外壳、整流罩、支撑圈座；驱动装置安装在动力段的整流罩内。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，整流罩导流叶片采用NACA0001～NACA0020翼型设计，导流叶片设置10～40片，沿周向均匀布置；优选为整流罩导流叶片采用NACA0005～NACA0015翼型设计，导流叶片设置15～30片。为了达到出口流场品质要求，本发明采用了组合式气流控制手段来调整气流流动状态，比如设置NACA0001～NACA0020翼型设计的整流罩导流叶片，且导流叶片沿周向均匀布置，有利于平滑气流。而整流罩导流叶片在平滑气流的同时也兼顾支撑整流罩的作用，使得本发明提供的高空检测系统中的移动式户外直吹式低速风洞装置更加稳固。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，动力段的整流罩为等直整流罩。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，驱动装置包括风扇、风扇旋转轴、伺服电机、轴承、轴承座、轴承压盖；伺服电机通过风扇旋转轴驱动风扇旋转；风扇叶片为翼型设计。驱动装置为整个风洞提供能量，驱动装置的伺服电机安装在动力段的整流罩内，动力段承受风扇对风洞外壳产生的扭矩和推力。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，风扇叶片采用RAF和/或RAE变厚度轴流翼型叶片，叶片数量10～40个，优选为采用RAE变厚度轴流翼型叶片，叶片数量15～30个。本发明中，伺服电机驱动风扇旋转，气流连续的从喇叭口进气段进入风洞，由于直流风洞气流直接排出，能量损失较大，风洞驱动装置风扇叶片翼型设计成为一项关键技术。本装置风扇叶片采用RAF和/或RAE变厚度翼型剖面，此翼型升阻比大，效率高，可以提高效能、减小能量损失，获得满足要求的气流出口速度。同时，本发明通过叶片数量的选择，可改变驱动效率，同时起到调节气流出口速度的可实现范围的作用。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，在风扇后设置止旋叶片，止旋叶片采用厚度为3％～30％弦长的翼型叶片，叶片数为10～40片；优选为采用厚度为5％～15％弦长的翼型叶片，叶片数优选为15～30个。由于风扇叶片旋转使气流产生了扭转或旋转，在增加风扇前后压力差的同时，导致风扇后部流动极其紊乱，为了达到出口流场品质要求，本发明采用了组合式气流控制手段来调整气流流动状态，比如在风扇后布置止旋叶片，主要是为了减小和控制风扇叶片后面的气流旋转。止旋叶片采用厚度为3％～30％弦长的翼型叶片，更好的调整风速≤100m/s范围内的标准人工气流的流动状态，同时减少能量损失，提高流动效率。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，蜂窝器段的蜂窝器采用多角形截面小孔薄壁设计，长细比为5～20；收缩排气口段采用双三次曲线和/或改进型五次方曲线的短收缩段设计，收缩比为1～10。本发明对蜂窝器的结构和长细比的设计，可以降低气流的湍流度，提高出口气流的均匀性。而收缩排气口段的作用是均匀加速气流，使其达到出口段需要的流速。收缩排气口段采用双三次曲线和/或改进型五次方曲线的短收缩段设计，在设定的收缩比下，保障气流沿收缩排气口段单调增速，洞壁上不出现分离，收缩排气口段出口截面的气流均匀、平行和稳定，降低能量损失。同时兼顾在满足出口气流的均匀性和紊流度的前提下，降低风洞造价。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，蜂窝器采用等分多角形截面小孔薄壁设计，长细比为8～15；优选为，蜂窝器正六角形和/或正八角形截面小孔薄壁设计；收缩排气口段采用改进型五次方曲线的短收缩段设计，收缩比为1～4。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，检测段为锥形扩张，扩张角5°～10°，底部开槽宽5cm～12cm，风速风向传感器伸入检测段进行检测。本发明检测段的设计，在风速风向传感器的现场高空检测场景下，对于检测结果的准确性起到举足轻重的作用，尤其是扩张角和底部开槽的设计，对于风速风向传感器的高空检测或校准的可实现性和检测结果的准确性，都具有非常重要的影响。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，移动式户外直吹式低速风洞装置中各管段采用机械加工和/或3D打印分别成型后，固定连接组装而成。分组式结构，有利于实现装置的加工精度和一致性要求、提高强度和刚度，并且拆装快捷方便，结构轻，便于运输，适用于野外作业。为减少加工和安装难度，风洞各段管路可以采用3D打印技术整体成型，然后各段之间采用螺钉、螺母等连接方式，实现快速固定连接。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，移动式户外直吹式低速风洞装置还包括风速风向测量装置，用于获取环境风的特征，包括风速和/或风向；优选为在蜂窝器段外侧安装风速风向测量装置。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，移动式户外直吹式低速风洞装置还包括视频监控装置，具有可见光和/或红外夜视功能，用于获取风速风向传感器的位置特征；优选为在蜂窝器段外侧安装视频监控装置。
优选地，本发明提供的高空检测系统，其中，标准度盘的角度测量范围为0～360°，分辨力为1～25°，优选分辨力为1～5°。
本发明还提供了一种风速风向传感器的高空检测方法，其中，采用前述的风速风向传感器的高空检测系统，对风速风向传感器的风速进行高空检测和/或校准，包括以下步骤：将高空检测系统抬升并稳定在风速风向传感器作业平面；将移动式户外直吹式低速风洞装置横向固定在检测位置；根据风速风向传感器的风速测量范围和/或使用精度，设定风速试验点，包括100m/s以内2个以上风速值；启动风洞，产生标准人工气流，根据风速试验点调节人工气流的速度，待人工气流的速度稳定后，记录n个人工气流的速度和风速风向传感器同时测定的风速值，经过数据分析，得到风速风向传感器风速的检测和/或校准结果；数据分析包括各自取均值并进行误差分析。
优选地，本发明提供的高空检测方法，其中，高空检测方法还包括高空检测和/或校准风速风向传感器的风向，包括以下步骤：将高空检测系统抬升并稳定在风速风向传感器作业平面；将移动式户外直吹式低速风洞装置横向固定在检测位置；根据风速风向传感器的风向测量范围和/或使用精度，设定风向试验点，包括0～360°以内2个以上、满足分辨力要求的风向值；启动风洞，产生标准人工气流，根据风向试验点调节人工气流相对风速风向传感器的吹送角度，待人工气流的速度稳定后，记录n个人工气流的风向和风速风向传感器同时测定的风向值，通过数据分析，得到风速风向传感器风向的检测和/或校准结果；数据分析包括各自取均值并进行误差分析。
优选地，本发明提供的高空检测方法，其中，人工气流的速度稳定的时间在0～30分钟，n个人工气流的速度和/或风向，和风速风向传感器同时测定的风速和/或风向值，为间隔1～30分钟测定。
优选地，本发明提供的高空检测方法，其中，高空检测和/或校准过程，包括通过高空检测系统的风速风向测量装置，获取环境风的特征，包括风速和/或风向，进一步拟合和/或扣除环境风对高空检测和/或校准的影响。
优选地，本发明提供的高空检测方法，其中，高空检测和/或校准过程，包括通过高空检测系统的视频监控装置，获取风速风向传感器位置，用于确定检测位置，和/或人工气流相对风速风向传感器的吹送角度。
本发明提供的高空检测系统，采用高效能风扇叶片结构设计，升阻比大，效率高，风洞能量损失小。采用组合式气流控制手段来调整气流流动状态，包括：增加止旋叶片减小风扇后气流旋转、分割紊乱大漩涡气流并导直、正六角形截面蜂窝器改善速度分布并降低湍流度、增加收缩排气口段使气流均匀加速等组合式气流控制手段来获得良好出口的流场品质。采用了分段组装式，拆装和维修快捷方便，结构轻，便于运输，适用于铁路线路现场作业。因此，移动式户外直吹式低速风洞装置，应用高效能风扇叶片设计、组合式气流控制手段来减少风洞能量损失、控制出口流场品质，由此，实现了在铁路现场搭建风洞实验室检测环境，节省了拆装、运输等大量准备检测时间，避免了拆装和运输过程中风速风向传感器损坏风险。
本发明通过在低速风洞中设置不同试验风速点和风向角度，实现了对风速风向传感器静态和动态性能的检测，具有检测速度快，实时性好，并和风洞实验室的测试精度相同，大幅度提高了检测效率和精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为实施例1～5的低速风洞装置结构图；
图2为实施例1～5的低速风洞装置剖视图；
图3为实施例1～5的低速风洞装置中驱动装置放大图；
图4为实施例1～5的低速风洞装置中前整流段结构图；
图5为实施例1～5的低速风洞装置中动力段结构图；
图6为实施例1～5的低速风洞装置中后整流段结构图；
图7为实施例1～5的低速风洞装置中直流器段结构图；
图8为实施例5的低速风洞装置中蜂窝器段结构图；
图9为实施例1的低速风洞装置中收缩排气口段结构图；
图10为实施例5的低速风洞装置中风扇结构图；
图11为实施例5的低速风洞装置中止旋叶片剖面图；
图12为实施例7～9提供的风速风向传感器的高空检测过程。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明，下面给出实施例。需要指出的是，这些实施例完全是例证性的。给出这些实施例的目的是为了充分明示本发明发明的意义和内容，但并不因此将本发明发明限制在所述的实施例范围之中。
首先需要说明的是，本发明也是计算机技术在风速风向传感器的高空检测中的一种应用，在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。本申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。
实施例1
本发明提供的一种风速风向传感器的高空检测系统，高空检测系统安装在运输作业平台上，经该平台抬升并稳定在风速风向传感器作业平面，用于风速风向传感器的高空实时检测和/或校准。运输作业平台，包括工务轨道车，工务轨道车包括隧道检修车、接触网作业车。
本发明提供的高空检测系统，其中，高空检测系统包括移动式户外直吹式低速风洞装置、风洞横向运动平台、风洞风速调节系统、标准度盘、标准度盘角度控制系统；移动式户外直吹式低速风洞装置，为分段组装式，用于产生检测用的、风速≤100m/s的标准人工气流；风洞横向运动平台，推动移动式户外直吹式低速风洞装置，横向运动到达风速风向传感器的检测位置；风洞风速调节系统，根据风速试验需求调节人工气流的速度；标准度盘和标准度盘角度控制系统，用于调节人工气流相对风速风向传感器的吹送角度，以便实现风速和/或风向的高空检测。其中，标准度盘的角度测量范围为0～360°，分辨力为1°。
如图1～7所示，移动式户外直吹式低速风洞装置，包括喇叭口进气段1、前整流段2、动力段3、后整流段4、直流器段5、蜂窝器段6、收缩排气口段7、检测段、驱动装置。其中，前整流段2包括管路外壳21、前整流罩22、整流罩头支撑片23、前支撑片24、支撑圈座25；动力段3包括管路外壳31、整流罩33、支撑圈座36；后整流段4包括管路外壳41、后整流罩43、整流罩导流叶片42、支撑圈座44；驱动装置安装在动力段3的整流罩33内。动力段3的整流罩33为等直整流罩。
驱动装置包括风扇13、风扇旋转轴9、伺服电机20、轴承10、轴承座11、轴承压盖12；伺服电机20通过风扇旋转轴9驱动风扇13旋转。风洞驱动装置风扇13叶片翼型设计是一项关键技术，要求做到提高效能减小能量损失，为获得满足要求的出口速度，本发明中风扇13叶片为翼型设计。风扇13叶片采用RAF变厚度轴流翼型叶片，叶片数量10片。
由于风扇13叶片旋转使气流产生了扭转或旋转，在增加风扇13前后压力差的同时，导致风扇13后部流动极其紊乱，为了达到出口流场品质要求，本发明采用了组合式气流控制手段来调整气流流动状态，首先在风扇13后设置止旋叶片32，止旋叶片32采用厚度为3％弦长的翼型叶片，叶片数为10片。气流经过止旋叶片32后，空气流动仍旧比较紊乱，在其后设计了整流罩导流叶片42，整流罩导流叶片42采用NACA0001翼型设计，导流叶片设置10片。
为了进一步保证出口气流的均匀性，导流叶片后方布置了直流器段5和蜂窝器段6。直流器段5包括环形薄壁结构，由周向隔板分割为内环、中环和外环，用于降低气流旋转。蜂窝器段6的蜂窝器采用多角形截面小孔薄壁设计，长细比为5；本例中采用蜂窝器正八角形截面小孔薄壁设计。收缩排气口段7的作用是均匀加速气流，使其达到出口段需要的流速。如图9所示，收缩排气口段7采用双三次曲线的短收缩段设计，收缩比为1。最后是检测段8，为锥形扩张，扩张角5°，底部开槽宽5cm，风速风向传感器伸入检测段进行检测。
移动式户外直吹式低速风洞装置中各管段采用机械加工和/或3D打印分别成型后，固定连接组装而成。
移动式户外直吹式低速风洞装置还包括风速风向测量装置60，用于获取环境风的特征，包括风速和/或风向；优选为在蜂窝器段6外侧安装风速风向测量装置。移动式户外直吹式低速风洞装置还包括视频监控装置61，具有可见光和/或红外夜视功能，用于获取风速风向传感器的位置特征；优选为在蜂窝器段6外侧安装视频监控装置。
实施例2
本发明提供的高空检测系统，如实施例1所述的结构设计。区别在于，在本实施例中：
标准度盘的角度测量范围为0～360°，分辨力为25°；
风扇13叶片采用RAF变厚度轴流翼型叶片，叶片数量40片；
止旋叶片32采用厚度为30％弦长的翼型叶片，叶片数为40片；
整流罩导流叶片42采用NACA0020翼型设计，导流叶片设置40片，沿周向均匀布置；
蜂窝器段6的蜂窝器采用正八角形截面小孔薄壁设计，长细比为20；
收缩排气口段7采用双三次曲线的短收缩段设计，收缩比为10；
检测段8，为锥形扩张，扩张角5°，底部开槽宽12cm，风速风向传感器伸入检测段进行检测。
实施例3
本发明提供的高空检测系统，如实施例1所述的结构设计。区别在于，在本实施例中：
标准度盘的角度测量范围为0～360°，分辨力为1°；
风扇13叶片采用RAE变厚度轴流翼型叶片，叶片数量15片；
止旋叶片32采用厚度为5％弦长的翼型叶片，叶片数为15片；
整流罩导流叶片42采用NACA0005翼型设计，导流叶片设置15片；
蜂窝器段6的蜂窝器采用正六角形截面小孔薄壁设计，长细比为8；
收缩排气口段7采用改进型五次方曲线的短收缩段设计，收缩比为1；
检测段8，为锥形扩张，扩张角10°，底部开槽宽5cm，风速风向传感器伸入检测段进行检测。
实施例4
本发明提供的高空检测系统，如实施例1所述的结构设计。区别在于，在本实施例中：
标准度盘的角度测量范围为0～360°，分辨力为5°；
风扇13叶片采用RAE变厚度轴流翼型叶片，叶片数量30片；
止旋叶片32采用厚度为15％弦长的翼型叶片，叶片数为30片；
整流罩导流叶片42采用NACA0015翼型设计，导流叶片设置30片；
蜂窝器段6的蜂窝器采用正六角形截面小孔薄壁设计，长细比为15；
收缩排气口段7采用改进型五次方曲线的短收缩段设计，收缩比为4；
检测段8，为锥形扩张，扩张角10°，底部开槽宽12cm，风速风向传感器伸入检测段进行检测。
实施例5
本发明提供的一种风速风向传感器的高空检测系统，该高空检测系统安装在工务轨道车，比如接触网作业车上，经工务轨道车抬升并稳定在风速风向传感器作业平面，用于风速风向传感器的高空实时检测和/或校准。
高空检测系统包括移动式户外直吹式低速风洞装置、风洞横向运动平台、风洞风速调节系统、标准度盘、标准度盘角度控制系统；移动式户外直吹式低速风洞装置，为分段组装式，用于产生检测用的、风速≤60m/s的标准人工气流；风洞横向运动平台，推动移动式户外直吹式低速风洞装置，横向运动到达风速风向传感器的检测位置；风洞风速调节系统，根据风速试验需求，通过变频电机调节人工气流的速度；标准度盘和标准度盘角度控制系统，用于调节人工气流相对风速风向传感器的吹送角度，以便实现风速和/或风向的高空检测。其中，标准度盘的角度测量范围为0～360°，分辨力为2°。标准度盘角度控制系统，通过控制标准度盘角度变化，模拟风向角度变化。
以下结合附图详细介绍本发明。如图1～3所示，本发明提供的移动式户外直吹式低速风洞装置，包括喇叭口进气段1、前整流段2、动力段3、后整流段4、直流器段5、蜂窝器段6、收缩排气口段7、检测段8、驱动装置等，各段管路之间由螺钉、螺母连接。驱动装置为整个风洞提供能量，驱动装置由伺服电机20、风扇旋转轴9、轴承10、轴承座11、轴承压盖12、风扇13、风扇压盖14、连接螺钉15、连接螺钉16、连接螺栓17、轴承压紧螺母18、轴承防松螺母19等组成。伺服电机20通过螺钉与动力段3的伺服电机安装板30的一侧固定连接，风扇旋转轴9的一端为内孔，该孔与伺服电机20的轴配合安装，并通过轴与孔之间的键传递扭矩。轴承10的内圈与风扇旋转轴9配合安装，轴承10的外圈与轴承座11的内孔配合安装，轴承座11的一侧与伺服电机安装板30的另一侧贴合，由螺钉将伺服电机20、伺服电机安装板30与轴承座11共同拉紧安装。轴承座11的另一侧与轴承压盖12通过螺栓17连接。风扇旋转轴9的另一端插入风扇13的孔内配合安装，并通过轴与孔之间的键传递扭矩，风扇13如图10所示。风扇13与风扇旋转轴9通过螺钉16固定连接。风扇压盖14与风扇旋转轴9通过螺钉15固定连接。轴承10的内圈一侧由风扇旋转轴9的凸台限位，另一侧由轴承压紧螺母18与风扇旋转轴9压紧固定，并用轴承防松螺母19防松。
驱动装置集成安装在动力段3内，动力段3是整个装置的承力部件，如图5所示，包括伺服电机安装板30、管路外壳31、止旋叶片32、整流罩33、伺服电机轴穿孔34、伺服电机安装孔35、支撑圈座36等。动力段3承受风扇13对风洞外壳产生的扭矩和推力。伺服电机20驱动风扇13旋转，气流连续的从喇叭口进气段1进入风洞。由于风扇13使气流产生了扭转或旋转，增加它的绝对速度，为获得满足要求的出口速度，如图10所示，本装置风扇13叶片采用RAE变厚度翼型剖面，叶片数量22个。由于风扇13的叶片旋转使气流产生了扭转或旋转，在增加风扇13前后压力差的同时，导致风扇13后部流动极其紊乱，为了达到出口流场品质要求，在风扇13后布置止旋叶片32，主要是为了减小和控制风扇13叶片后面的气流旋转，如图11所示，止旋叶片32的叶片采用厚度为10％弦长的C4翼型，叶片数为19片。止旋叶片32剖面如图11所示。止旋叶片32消除这个扭转的速度，并将其转变为风扇13的压升。气流经过止旋叶片32后，空气流动仍旧比较紊乱，在其后设计了整流罩导流叶片42，在平滑气流的同时也兼顾支撑整流罩的作用，导流叶片采用NACA0008翼型设计，导流叶片共设置19片，沿周向均匀布置。为了进一步保证出口气流的均匀性，导流叶片后方布置了直流器段5和蜂窝器段6。蜂窝器段6上侧布置一套风速风向测量装置60，用于在现场检测传感器时测量获取环境风特性，包括风速和风向，用于对本设备产生的速度场予以修正。如图7所示，直流器段7采用环形薄壁结构加周向隔板的形式，气流分割为内环、中环和外环三部分，进一步降低气流旋转，如图8所示，蜂窝器段6采用正六角形截面小孔薄壁设计，其长细比为12，这两个部分的主要作用是进一步导向和分割气流较大漩涡，因而有利于漩涡的衰减，同时由于蜂窝器管道对气流的摩擦作用，也有利于改善气流的速度分布，并在一定程度上降低气流的湍流度，提高出口气流的均匀性。收缩排气口段7，收缩排气口段7的作用是均匀加速气流，使其达到出口段需要的流速。收缩排气口段采用改进型五次方曲线的短收缩段设计，收缩比为2.5，保障气流沿收缩排气口段单调增速，洞壁上不出现分离，收缩排气口段7出口截面的气流均匀、平行和稳定，降低能量损失。同时兼顾在满足出口气流的均匀性和紊流度的前体下，降低风洞造价。在蜂窝器段6下侧安装视频监控装置61，具有可见光和/或红外夜视功能，用于获取风速风向传感器的位置特征。最后是检测段8，为锥形扩张式，扩张角8°，底部开槽宽10cm，可以将风速风向传感器伸入检测段进行检测。
如图4所示，前整流段包括管路外壳21、前整流罩22及整流罩头支撑片23、前支撑片24、支撑圈座25等；如图6所示，后整流段包括管路外壳41、整流罩导流叶片42、后整流罩43、支撑圈座44、伺服电机出线孔45等。为减少加工和安装难度，风洞各段管路均采用3D打印技术整体成型，然后各段之间采用螺钉、螺母固定连接。
实施例6流场品质试验数据
动压稳定性系数η定义为：在规定的时间间隔(一般为1min)内，瞬时动压最大值和最小值的差与和的比值，即：
式中：qmax，qmin-瞬时动压的最大值和最小值。
根据动压稳定性系数的定义及本风洞的试验段情况，在实验段中心位置轴线附近安装一支标准风速管。在常用动压范围内，测量动压随时间的变化，在1min之内采集120个点，标准风速管的前端孔所测数据为试验段总压，风速管中间的孔所测数据为静压，二者之差即为气流动压，每次动压稳定后，从中选取最大值qmax和最小值qmin，代入公式即可求得动压稳定性系数。
动压稳定性系数越小，低速风洞的气流速度稳定性越好，流场品质更高。
实施例7
本发明还提供了一种风速风向传感器的高空检测方法，其中，采用实施例1～5的风速风向传感器的高空检测系统，对风速风向传感器的风速进行高空检测和/或校准，包括以下步骤：将高空检测系统抬升并稳定在风速风向传感器作业平面；将移动式户外直吹式低速风洞装置横向固定在检测位置；根据风速风向传感器的风速测量范围和/或使用精度，设定风速试验点，包括100m/s以内2个以上风速值；启动风洞，产生标准人工气流，根据风速试验点调节人工气流的速度，待人工气流的速度稳定后，记录n个人工气流的速度和风速风向传感器同时测定的风速值，经过数据分析，得到风速风向传感器风速的检测和/或校准结果；数据分析包括各自取均值并进行误差分析。
上述高空检测方法还包括高空检测和/或校准风速风向传感器的风向，包括以下步骤：将高空检测系统抬升并稳定在风速风向传感器作业平面；将移动式户外直吹式低速风洞装置横向固定在检测位置；根据风速风向传感器的风向测量范围和/或使用精度，设定风向试验点，包括0～360°以内2个以上、满足分辨力要求的风向值；启动风洞，产生标准人工气流，根据风向试验点调节人工气流相对风速风向传感器的吹送角度，待人工气流的速度稳定后，记录n个人工气流的风向和风速风向传感器同时测定的风向值，通过数据分析，得到风速风向传感器风向的检测和/或校准结果；数据分析包括各自取均值并进行误差分析。
其中，人工气流的速度稳定的时间在0～30分钟，n个人工气流的速度和/或风向，和风速风向传感器同时测定的风速和/或风向值，为间隔1～30分钟测定。
高空检测和/或校准过程，包括通过高空检测系统的视频监控装置，获取风速风向传感器位置，用于确定检测位置，和/或人工气流相对风速风向传感器的吹送角度。通过高空检测系统的风速风向测量装置，获取环境风的特征，包括风速和/或风向，进一步拟合和/或扣除环境风对高空检测和/或校准的影响。
实施例8
风速风向传感器安装在接触网支柱上，距离轨面4m左右位置，工务轨道车到达接触网支柱位置，将本发明提供的风速风向传感器的高空检测系统抬升，并稳定在风速风向传感器作业平面。通过视频监控装置获取风速风向传感器位置，由操作人员控制风洞横向运动平台，将移动式户外直吹式低速风洞装置运动到达并横向固定在风速风向传感器的检测位置，移动式户外直吹式低速风洞装置的驱动装置开始工作，产生检测用的标准人工气流。风洞风速调节系统根据以下风速试验点，调节人工气流的速度，对风速风向传感器的静态和动态性能进行在线检测。
在风速风向传感器的风速测量范围及精度检测范围内，设定8个风速试验点：5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、40m/s、50m/s、60m/s。启动风洞，根据风速试验点设定人工气流的速度，在风速试验点人工气流的速度稳定3min后，读取人工气流的速度和风速风向传感器同时产生的实测风速，采集时长为1min。通过高空检测系统的风速风向测量装置，获取环境风的风速，拟合和/或扣除环境风对高空检测和/或校准的影响。每个风速试验点下累计获得n个(比如：n＝20)人工气流的速度和风速风向传感器同时产生的实测风速值。计算各风速试验点下，上述数据各自的平均值，并通过误差分析，判定风速风向传感器是否符合标准要求。
在各风速试验点下，基于下述公式计算自采集时刻t开始采集到的n个风速风向传感器产生的实测风速值x1，x2，x3...，xi的平均值n个人工气流的速度s1，s2，s3...，si的平均值/>和实测风速平均值与人工气流的速度平均值的误差/>
对于不同类型的风速风向传感器，最大允许风速误差不同，按照风速风向的技术条件，风杯式传感器最大允许风速误差为±(0.5+0.03×V)m/s，螺旋桨式传感器最大允许风速误差为±(1.0+0.03×V)m/s，超声波式传感器最大允许风速误差为±0.3m/s(＜35.0m/s)，±5％×V(＞35.0m/s)，热场式传感器最大允许风速误差为±0.5m/s(＜10.0m/s)，±5％×V(＞10.0m/s)，其中V为显示风速。
实施例9
风速风向传感器安装在接触网支柱上，距离轨面4m左右位置，工务轨道车到达接触网支柱位置，将本发明提供的风速风向传感器的高空检测系统抬升，并稳定在风速风向传感器作业平面。通过视频监控装置获取风速风向传感器位置，由操作人员控制风洞横向运动平台，将移动式户外直吹式低速风洞装置运动到达并横向固定在风速风向传感器的检测位置，移动式户外直吹式低速风洞装置的驱动装置开始工作，产生检测用的标准人工气流。通过标准度盘和标准度盘角度控制系统，根据以下风向试验点，调节人工气流相对风速风向传感器的吹送角度，对风速风向传感器的静态和动态性能进行在线检测。
在风速风向传感器风向测量范围及精确度范围内，调整标准度盘使传感器风向输出信号为0°，然后旋转标准度盘到设定的风向试验点角度上，以便调整人工气流相对风速风向传感器的吹送角度。风速试验点设定方法为：从0°开始，每隔5°选取一个试验点，共选取10个风向试验点分别为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°。启动风洞，在风速试验点人工气流的速度稳定2min后，读取人工气流的风向和风速风向传感器同时测定的风向值，采集时长为3min。通过高空检测系统的风速风向测量装置，获取环境风的风向，拟合和/或扣除环境风对高空检测和/或校准的影响。每个风向试验点下累计获得n个(比如：n＝15)人工气流的风向和风速风向传感器同时产生的实测风向值。计算各风向试验点下，上述数据各自的平均值，并通过误差分析，判定风速风向传感器是否符合标准要求。
在各风向试验点下，基于下述公式计算自采集时刻t开始采集到的n个风速风向传感器的实测风向值y1，y2，y3...，yi的平均值n个人工气流的风向值w1，w2，w3...，wi的平均值/>和实测风向平均值与人工气流的风向平均值的误差/>
对于不同类型的风速风向传感器，最大允许风向角度误差不同，风杯式传感器和螺旋桨式传感器最大允许风向误差均为±5°，超声波式传感器和热场式传感器最大允许风向误差均为±3％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (22)
1.一种风速风向传感器的高空检测系统，其特征在于，所述高空检测系统安装在运输作业平台上，经所述平台抬升并稳定在所述风速风向传感器作业平面，用于风速风向传感器的高空实时检测和/或校准。
2.如权利要求1所述的高空检测系统，其特征在于，所述运输作业平台，包括工务轨道车，所述工务轨道车包括隧道检修车、接触网作业车。
3.如权利要求1所述的高空检测系统，其特征在于，所述高空检测系统包括移动式户外直吹式低速风洞装置、风洞横向运动平台、风洞风速调节系统、标准度盘、标准度盘角度控制系统；所述移动式户外直吹式低速风洞装置，为分段组装式，用于产生检测用的、风速≤100m/s的标准人工气流；所述风洞横向运动平台，推动所述移动式户外直吹式低速风洞装置，横向运动到达所述风速风向传感器的检测位置；所述风洞风速调节系统，根据风速试验需求调节所述人工气流的速度；所述标准度盘和标准度盘角度控制系统，用于调节所述人工气流相对所述风速风向传感器的吹送角度，以便实现风速和/或风向的高空检测。
4.如权利要求3所述的高空检测系统，其特征在于，所述移动式户外直吹式低速风洞装置，包括喇叭口进气段、前整流段、动力段、后整流段、直流器段、蜂窝器段、收缩排气口段、检测段、驱动装置；所述直流器段包括环形薄壁结构，由周向隔板分割为内环、中环和外环，用于降低气流旋转。
5.如权利要求4所述的高空检测系统，其特征在于，所述前整流段包括管路外壳、前整流罩、整流罩头支撑片、前支撑片、支撑圈座；所述后整流段包括管路外壳、后整流罩、整流罩导流叶片、支撑圈座；所述动力段包括管路外壳、整流罩、支撑圈座；所述驱动装置安装在所述动力段的整流罩内。
6.如权利要求5所述的高空检测系统，其特征在于，所述整流罩导流叶片采用NACA0001～NACA0020翼型设计，导流叶片设置10～40片，沿周向均匀布置；优选为所述整流罩导流叶片采用NACA0005～NACA0015翼型设计，导流叶片设置15～30片。
7.如权利要求5所述的高空检测系统，其特征在于，所述动力段的整流罩为等直整流罩。
8.如权利要求4所述的高空检测系统，其特征在于，所述驱动装置包括风扇、风扇旋转轴、伺服电机、轴承、轴承座、轴承压盖；所述伺服电机通过所述风扇旋转轴驱动风扇旋转；所述风扇叶片为翼型设计。
9.如权利要求8所述的高空检测系统，其特征在于，所述风扇叶片采用RAF和/或RAE变厚度轴流翼型叶片，叶片数量10～40个，优选为采用RAE变厚度轴流翼型叶片，叶片数量15～30个。
10.如权利要求8所述的高空检测系统，其特征在于，在所述风扇后设置止旋叶片，所述止旋叶片采用厚度为3％～30％弦长的翼型叶片，叶片数为10～40片；优选为采用厚度为5％～15％弦长的翼型叶片，叶片数优选为15～30个。
11.如权利要求4所述的高空检测系统，其特征在于，所述蜂窝器段的蜂窝器采用多角形截面小孔薄壁设计，长细比为5～20；所述收缩排气口段采用双三次曲线和/或改进型五次方曲线的短收缩段设计，收缩比为1～10。
12.如权利要求11所述的高空检测系统，其特征在于，所述蜂窝器采用等分多角形截面小孔薄壁设计，长细比为8～15；优选为，所述蜂窝器正六角形和/或正八角形截面小孔薄壁设计；所述收缩排气口段采用改进型五次方曲线的短收缩段设计，收缩比为1～4。
13.如权利要求4所述的高空检测系统，其特征在于，所述检测段为锥形扩张，扩张角5°～10°，底部开槽宽5cm～12cm，所述风速风向传感器伸入所述检测段进行检测。
14.如权利要求4所述的高空检测系统，其特征在于，所述移动式户外直吹式低速风洞装置中各管段采用机械加工和/或3D打印分别成型后，固定连接组装而成。
15.如权利要求4所述的高空检测系统，其特征在于，所述移动式户外直吹式低速风洞装置还包括风速风向测量装置，用于获取环境风的特征，包括风速和/或风向；优选为在所述蜂窝器段外侧安装风速风向测量装置。
16.如权利要求4所述的高空检测系统，其特征在于，所述移动式户外直吹式低速风洞装置还包括视频监控装置，具有可见光和/或红外夜视功能，用于获取所述风速风向传感器的位置特征；优选为在所述蜂窝器段外侧安装所述视频监控装置。
17.如权利要求3所述的高空检测系统，其特征在于，所述标准度盘的角度测量范围为0～360°，分辨力为1～25°，优选分辨力为1～5°。
18.一种风速风向传感器的高空检测方法，其特征在于，采用如权利要求3～15任一项所述的风速风向传感器的高空检测系统，对所述风速风向传感器的风速进行高空检测和/或校准，包括以下步骤：将所述高空检测系统抬升并稳定在所述风速风向传感器作业平面；将所述移动式户外直吹式低速风洞装置横向固定在检测位置；根据所述风速风向传感器的风速测量范围和/或使用精度，设定风速试验点，包括100m/s以内2个以上风速值；启动风洞，产生标准人工气流，根据所述风速试验点调节所述人工气流的速度，待人工气流的速度稳定后，记录n个所述人工气流的速度和所述风速风向传感器同时测定的风速值，经过数据分析，得到所述风速风向传感器风速的检测和/或校准结果；所述数据分析包括各自取均值并进行误差分析。
19.如权利要求18所述的高空检测方法，其特征在于，所述高空检测方法还包括高空检测和/或校准所述风速风向传感器的风向，包括以下步骤：将所述高空检测系统抬升并稳定在所述风速风向传感器作业平面；将所述移动式户外直吹式低速风洞装置横向固定在检测位置；根据所述风速风向传感器的风向测量范围和/或使用精度，设定风向试验点，包括0～360°以内2个以上、满足分辨力要求的风向值；启动风洞，产生标准人工气流，根据所述风向试验点调节所述人工气流相对风速风向传感器的吹送角度，待所述人工气流的速度稳定后，记录n个人工气流的风向和所述风速风向传感器同时测定的风向值，通过数据分析，得到所述风速风向传感器风向的检测和/或校准结果；所述数据分析包括各自取均值并进行误差分析。
20.如权利要求18或19任一项所述的高空检测方法，其特征在于，所述人工气流的速度稳定的时间在0～30分钟，所述n个人工气流的速度和/或风向，和所述风速风向传感器同时测定的风速和/或风向值，为间隔1～30分钟测定。
21.如权利要求18或19任一项所述的高空检测方法，其特征在于，所述高空检测和/或校准过程，包括通过所述高空检测系统的风速风向测量装置，获取环境风的特征，包括风速和/或风向，进一步拟合和/或扣除环境风对高空检测和/或校准的影响。
22.如权利要求18或19任一项所述的高空检测方法，其特征在于，所述高空检测和/或校准过程，包括通过所述高空检测系统的视频监控装置，获取所述风速风向传感器位置，用于确定所述检测位置，和/或所述人工气流相对风速风向传感器的吹送角度。
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| CN202310417797.4A CN116718800A (zh) | 2023-04-19 | 2023-04-19 | 一种风速风向传感器的高空检测系统和方法 |
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| CN202310417797.4A CN116718800A (zh) | 2023-04-19 | 2023-04-19 | 一种风速风向传感器的高空检测系统和方法 |
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| CN116718800A true CN116718800A (zh) | 2023-09-08 |
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Family Applications (1)
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| CN202310417797.4A Pending CN116718800A (zh) | 2023-04-19 | 2023-04-19 | 一种风速风向传感器的高空检测系统和方法 |
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2023
- 2023-04-19 CN CN202310417797.4A patent/CN116718800A/zh active Pending
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