CN117405919A - 一种三维超声波风速仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维超声波风速仪，涉及海洋浮标风速测量技术领域，包括底座、安装块和探头模块，底座连接于浮标的顶部，安装块的顶盖、中间板和底盖通过支撑架固定连接，与第一方向呈角度设置的三组探头组件均包括同轴且间隔设置的第一探头、第二探头、第三探头和第四探头，第一探头和第四探头通过第一连杆分别连接于顶盖和底盖用于超声波的接收，第二探头和第三探头通过第二连杆分别连接中间板的两侧用于超声波的发射，通过六对非正交排列的超声波发射和接收的距离和时间，可以计算得到风速指标，风速仪沿第一方向的尺寸小于400mm且垂直于第一方向的最大截面直径小于250mm，可以实现搭载在小型浮标上进行高频风速测量的技术产品。
Description
技术领域
本发明涉及海洋浮标风速测量技术领域，特别涉及一种三维超声波风速仪。
背景技术
为了缓解能源压力，加紧对新能源进行开发利用，在海上建造风能收集站前，需要提前对风能资源的富集程度和分布情况进行大量调研，因此，在开发海上风能的初期，海上风能的评估尤为重要。而对相关海域的风能情况进行可靠性收集工作便成为风能开发可行性分析的重要基础。
一种三维超声风速仪（专利公开号CN217605892U）包括三组互成90°的换能器组，每组换能器组包括两对换能器单元，每对换能器单元包括两个相互之间收发超声波信号的超声波换能器，该风速仪可以实现同步测量及高频测量。但是该装置的三组换能器组采用正交形式布置，在实际测量过程中存在测量不准确的缺陷；同时，该装置结构尺寸较大，水平直径可达350mm，垂直尺寸可达500mm，超声波换能器对的间距可达145mm，而需要搭载的浮标的水平直径只有250mm，垂直尺寸不能超过400mm，因此，无法直接搭载在小型浮标顶部，无法满足搭载在小型浮标上进行海洋风速观测的要求。
因此，如何实现可以搭载在小型浮标上进行高频风速测量的技术产品，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明目的是提供一种三维超声波风速仪，可以实现搭载在小型浮标上进行高频风速测量的技术产品。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种三维超声波风速仪，包括：
底座，用于连接在浮标的顶部；
安装块，包括沿第一方向间隔设置的顶盖、中间板和底盖，底盖固定连接于底座，顶盖、中间板和底盖通过支撑架固定连接；
探头模块，包括三组呈圆形阵列且均匀设置的探头组件，三组探头组件的轴线均与第一方向呈角度设置，三个轴线互不垂直且均与中间板的中心相交，三组探头组件均包括同轴且间隔设置的第一探头、第二探头、第三探头和第四探头，第一探头和第四探头通过第一连杆分别连接于顶盖和底盖，第二探头和第三探头通过第二连杆分别连接于中间板在第一方向上的两侧，第一探头和第四探头分别用于接收第二探头和第三探头发射的超声波；
三维超声波风速仪沿第一方向的尺寸小于400mm且垂直于第一方向的最大截面直径小于250mm。
作为优选的，支撑架包括三个呈E字型的支撑臂，三个支撑臂呈圆形阵列且均匀设置，支撑臂两端分别连接于顶盖和底盖，支撑臂中部连接于中间板。
作为优选的，第一连杆和支撑臂在垂直于第一方向的平面投影上的半径分别为75.5mm和123mm，相邻的第一连杆与支撑臂在垂直于平面上的投影之间的夹角为30°。
作为优选的，底座内部设有用于放置电路模块的空腔，第一连杆、第二连杆和支撑臂均设有用于放置探头线路的中空结构，探头线路和电路模块用于信号的传导和计算。
作为优选的，第一探头和第二探头之间的距离为80mm,第三探头和第四探头之间的距离为80mm。
作为优选的，第一探头和第四探头两者与第一连杆焊接，第二探头和第三探头两者与第二连杆焊接。
作为优选的，第一连杆和第二连杆相对于安装块可拆卸。
作为优选的，底座与浮标通过螺纹连接。
作为优选的，底盖与底座焊接。
作为优选的，底座、顶盖、中间板、底盖、支撑架、第一连杆和第二连杆具体为钢材，且钢材表面均依次设有β-硅酸二钙陶瓷涂层和铜铝合金涂层。
相对于上述背景技术，本发明所提供的三维超声波风速仪，具有如下有益效果：
1、三组探头组件均包括同轴且间隔设置的第一探头、第二探头、第三探头和第四探头，第一探头和第四探头通过第一连杆分别连接于顶盖和底盖，第二探头和第三探头通过第二连杆分别连接于中间板在第一方向上的两侧，第一探头和第四探头分别用于接收第二探头和第三探头发射的超声波，可见，探头模块共包括六对超声波的发射和接收，其中每两对呈相反方向，通过六对非正交排列的超声波发射和接收的距离和时间，可以计算得到精确的风速指标；
2、三维超声波风速仪沿第一方向的尺寸小于400mm且垂直于第一方向的最大截面直径小于250mm，符合可搭载在浮标上、小型化的研制需求，为浮标后续的组网观测提供了便利，可以实现搭载在小型浮标上进行高频风速测量的技术产品。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的三维超声波风速仪的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的三维超声波风速仪的部分结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的三维超声波风速仪的俯视图；
图4为本发明实施例所提供的三维超声波风速仪测得风速与世界坐标系的示意图。
其中：
100-底座；
210-顶盖、220-中间板、230-底盖、240-支撑臂；
311-第一探头、312-第二探头、313-第三探头、314-第四探头、320-第一连杆、330-第二连杆。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。
本发明目的是提供一种三维超声波风速仪，可以实现搭载在小型浮标上进行高频风速测量的技术产品。
需要说明的是，本实施例以附图中Z的方向定为第一方向，X的方向定为第二方向，Y的方向定为第三方向，第一方向、第二方向和第三方向相互垂直，为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
请参阅图1，本实施例所提供了一种三维超声波风速仪，包括底座100、安装块和探头模块。
底座100用于连接在浮标的顶部。
安装块包括沿第一方向间隔设置的顶盖210、中间板220和底盖230，底盖230固定连接于底座100，顶盖210、中间板220和底盖230通过支撑架固定连接。
需要说明的是，本实施例中，中间板220沿第一方向分为上下两部分，上下两部分通过焊接形式连接。
探头模块包括三组呈圆形阵列且均匀设置的探头组件，三组探头组件的轴线均与第一方向呈角度设置，三个轴线互不垂直且均与中间板220的中心相交，三组探头组件均包括同轴且间隔设置的第一探头311、第二探头312、第三探头313和第四探头314，第一探头311和第四探头314通过第一连杆320分别连接于顶盖210和底盖230，第二探头312和第三探头313通过第二连杆330分别连接于中间板220在第一方向上的两侧，第一探头311和第四探头314分别用于接收第二探头312和第三探头313发射的超声波。
需要说明的是，安装在中间板220上的第二探头312和第三探头313为超声波发射探头，分别沿轴向方向发射超声波，安装在顶盖210的三个第一探头311和底盖230的三个第四探头314为超声波接收探头，用来接收超声波。
三维超声波风速仪沿第一方向的尺寸小于400mm且垂直于第一方向的最大截面直径小于250mm。
具体来说，底座100连接于浮标的顶部，安装块的顶盖210、中间板220和底盖230通过支撑架固定连接，同轴且间隔设置的第一探头311、第二探头312、第三探头313和第四探头314通过第一连杆320和第二连杆330与安装块相连，其中，第二探头312和第一探头311对应一对超声波的发射和接收，第三探头313和第四探头314对应一对超声波的发射和接收，也即，探头模块共包括六对超声波的发射和接收，其中每两对呈相反方向，通过六对非正交排列的超声波发射和接收的距离和时间，可以计算得到风速指标，三维超声波风速仪沿第一方向的尺寸小于400mm且垂直于第一方向的最大截面直径小于250mm，符合可搭载在浮标上、小型化的研制需求，为浮标后续的组网观测提供了便利，可以实现搭载在小型浮标上进行高频风速测量的技术产品。
需要说明的是，本实施例中，第一连杆320与垂直于第一方向的平面之间的夹角优选为30°，与顶盖210相连的第一连杆320在垂直于第一方向的平面上的投影之间的夹角优选为120°，此外，与底盖230相连的第一连杆320在垂直于第一方向的平面上的投影之间的夹角优选为120°，第二连杆330与第一方向的最小夹角优选为30°。
超声波从第二探头312和第三探头313发射出来，经过固定的传播距离，被对应的第一探头311和第四探头314接收，接收信息通过电信号反馈到电路模块，得到传播时间t，经过式（1）可得到在此超声波探头对之间的速度v。
；（1）
请参阅图4，根据式（1）可分别得到第一对、第二对、第三对、第四对、第五对、第六对超声波探头对之间的速度、/>、/>、/>、/>、/>，其中，/>、/>、/>的速度方向延各自的探头对取向上为正，/>、/>、/>的速度方向延各自的探头对取向下为正。最终可得到风速在三组超声波探头方向上的速度/>、/>、/>，如式（2）、式（3）、式（4）所示，其中，/>、/>、/>的速度方向延各自的探头组取向上为正。
；（2）
；（3）
；（4）
以上述实施例优选角度为例，根据式（5）可得到世界坐标系下三个坐标方向上的风速、/>、/>。
；（5）
最终，根据式（6）可得到风速大小。
；（6）
根据式（7）、式（8）可得风速在世界坐标系下的方向，表示风向角，/>表示俯仰角。
;（7）
;（8）
优选的，支撑架包括三个呈E字型的支撑臂240，三个支撑臂240呈圆形阵列且均匀设置，支撑臂240两端分别连接于顶盖210和底盖230，支撑臂240中部连接于中间板220。
请参阅图3，可以理解的是，三个支撑臂240呈圆形阵列且均匀设置，也即支撑臂240在垂直于第一方向的平面投影上的夹角均为120°，支撑臂240分别与顶盖210、底盖230和中间板220焊接，焊接工作应在下述探头线路排布好之后进行，此外，也可采用其它连接方式，能实现上述目的即可。
优选的，第一连杆320和支撑臂240在垂直于第一方向的平面投影上的半径分别为75.5mm和123mm，相邻的第一连杆320与支撑臂240在垂直于平面上的投影之间的夹角为30°。
需要说明的是，第一连杆320和支撑臂240在垂直于第一方向的平面投影上的半径也可根据实际情况进行调整，能实现上述目的即可。
优选的，底座100内部设有用于放置电路模块的空腔，第一连杆320、第二连杆330和支撑臂240均设有用于放置探头线路的中空结构，探头线路和电路模块用于信号的传导和计算。
需要说明的是，支撑臂240为中空结构，中空结构可以用于放置下述探头线路，支撑臂240的形状和位置也可根据实际情况进行调整，能实现上述目的即可。
在本实施例中，三个第一探头311的探头线路经第一连杆320引出至顶盖210汇集，三个第二探头312和三个第三探头313的探头线路经第二连杆330引出至中间板220汇集，三个第四探头314的探头线路经第一连杆320引出至底盖230汇集，随后，顶盖210和中间板220汇集的探头线路又分别通过支撑臂240引出至底盖230汇集，汇集后的探头线路连接于电路模块，进行后续的风速计算工作。
请参阅图2，优选的，第一探头311和第二探头312之间的距离为80mm，第三探头313和第四探头314之间的距离为80mm。
需要说明的是，在风速测量过程中，由于风速仪的结构必然会对风的传播形成阻碍作用，因此探头之间的间距越小、结构越紧凑，风被阻碍的程度就越大。但由于本风速仪要搭载在小型浮标上，有小型化的需求，因此结构对风的阻碍作用与结构的小型化形成了一对矛盾，两者之间存在一个平衡点，这里通过计算流体动力学得到既满足测量精度要求又满足小型化需求的探头间距。在计算流体动力学分析过程中，分别使用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程来描述三大守恒定律。
对于质量守恒方程，其内容为：单位时间内流体中微元体积的增量，等于该时间内流入微元体积的质量与流出微元体积的质量之差。连续性方程如下：
;（9）
式（9）中，为密度，/>为时间，/>分别为速度矢量在空间中/>三个方向的位移矢量，其中/>分别为/>的小写。
对于动量守恒方程，其内容为：微元体积中流体动量的变化率等于单位时间内外界作用在微元体积上的合力。纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）如下：
;（10）
式（10）中，式中，为密度，/>为时间，/>分别为/>方向上的速度矢量，/>分别为方向上的位移矢量，其中/>分别可以取/>三个方向，且可以同时取相同方向，/>为静压力，/>为应力张量，/>为/>方向上的重力体积力，/>为/>方向上的外部体积力，其中/>分别可以取/>三个方向。
对于能量守恒方程，其内容为：微元体积中的能量增加率，等于流入微元体积的净热量与体力、面力对微元体积做功之和。能量守恒方程如下：
;（11）
式（11）中，为密度，/>为时间，/>为温度，/>为速度矢量，/>为流体的导热系数，/>为比热容，/>为粘性耗散项。
为了更好地进行计算流体动力学分析，这里利用Ansys软件对不断迭代的小型化结构进行仿真分析，最终得到：当超声波探头对间距为80mm时，在满足测风精度的基础上，实现了风速仪小型化的研制需求。
也即，第一探头311和第二探头312之间的距离为80mm，第三探头313和第四探头314之间的距离为80mm时，能够保证功能实现以及测风精度符合要求的前提下，对风速仪的体积进行小型化、定制化尺寸设计。
优选的，第一探头311和第四探头314两者与第一连杆320焊接，第二探头312和第三探头313两者与第二连杆330焊接。
可以理解的是，焊接有助于提高第一探头311和第四探头314两者与第一连杆320之间的稳定性，第二探头312和第三探头313两者与第二连杆330焊接，使得装置整体更加稳定。
优选的，第一连杆320和第二连杆330相对于安装块可拆卸。
第一连杆320和第二连杆330相对于安装块可拆卸，也即，第一连杆320和第二连杆330相对于顶盖210、中间板220和底盖230可拆卸，本实施例中优选为螺纹连接，螺纹连接可以方便第一连杆320和第二连杆330的安装以及第一连杆320和/或第二连杆330损坏时的更换。
优选的，底座100与浮标通过螺纹连接。
可以理解的是，底座100固定于浮标的顶部，当底座100与浮标通过螺纹连接时，可以方便底座100的安装和拆卸。
优选的，底盖230与底座100焊接。
需要说明的是，底盖230与底座100之间焊接，通过焊接可以提高底盖230与底座100的牢固程度。
优选的，底座100、顶盖210、中间板220、底盖230、支撑架、第一连杆320和第二连杆330具体为钢材，且钢材表面均依次设有β-硅酸二钙陶瓷涂层和铜铝合金涂层。
可以理解的是，底座100、顶盖210、中间板220、底盖230、支撑架、第一连杆320和第二连杆330均优选为钢材，在本实施例中，钢材表面加工一层厚度约100～300μm的β-硅酸二钙陶瓷涂层，之后在表面再加工一层厚度约200～1000μm的铜铝合金涂层，如此能够避免海水侵蚀和海洋生物污损，极大延续了风速仪在恶劣海况环境下的工作寿命。
需要说明的是，钢材表面用于防止侵蚀的β-硅酸二钙陶瓷涂层和铜铝合金涂层也可由其它防腐材料进行替换，能实现上述目的即可。
综上，本发明在于一种三维超声波风速仪，底座100连接于浮标的顶部，安装块的顶盖210、中间板220和底盖230通过支撑臂240固定连接，同轴且间隔设置的第一探头311、第二探头312、第三探头313和第四探头314通过第一连杆320和第二连杆330与安装块相连，其中，第二探头312和第一探头311对应一对超声波的发射和接收，第三探头313和第四探头314对应一对超声波的发射和接收，也即，探头模块共包括六对超声波的发射和接收，其中每两对呈相反方向，第一连杆320与垂直于第一方向的平面之间的夹角优选为30°，与顶盖210相连的第一连杆320在垂直于第一方向的平面上的投影之间的夹角优选为120°，此外，与底盖230相连的第一连杆320在垂直于第一方向的平面上的投影之间的夹角优选为120°，支撑臂240在垂直于第一方向的平面上的投影之间的夹角优选为120°，第二连杆330与第一方向的最小夹角优选为30°，三个第一探头311的探头线路经第一连杆320引出至顶盖210汇集，三个第二探头312和三个第三探头313的探头线路经第二连杆330引出至中间板220汇集，三个第四探头314的探头线路经第一连杆320引出至底盖230汇集，随后，顶盖210和中间板220汇集的探头线路又分别通过支撑臂240引出至底盖230汇集，汇集后的探头线路连接于电路模块，进行后续的风速计算工作，可以计算得到风速指标，三维超声波风速仪沿第一方向的尺寸小于400mm且垂直于第一方向的最大截面直径小于250mm，符合可搭载在浮标上、小型化的研制需求，为浮标后续的组网观测提供了便利，可以实现搭载在小型浮标上进行高频风速测量的技术产品。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的实施例进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种三维超声波风速仪，其特征在于，包括：
底座（100），用于连接在浮标的顶部；
安装块，包括沿第一方向间隔设置的顶盖（210）、中间板（220）和底盖（230），所述底盖（230）固定连接于所述底座（100），所述顶盖（210）、所述中间板（220）和所述底盖（230）通过支撑架固定连接；
探头模块，包括三组呈圆形阵列且均匀设置的探头组件，三组所述探头组件的轴线均与所述第一方向呈角度设置，三个所述轴线互不垂直且均与所述中间板（220）的中心相交，三组所述探头组件均包括同轴且间隔设置的第一探头（311）、第二探头（312）、第三探头（313）和第四探头（314），所述第一探头（311）和所述第四探头（314）通过第一连杆（320）分别连接于所述顶盖（210）和所述底盖（230），所述第二探头（312）和所述第三探头（313）通过第二连杆（330）分别连接于所述中间板（220）在所述第一方向上的两侧，所述第一探头（311）和所述第四探头（314）分别用于接收所述第二探头（312）和所述第三探头（313）发射的超声波；
所述三维超声波风速仪沿所述第一方向的尺寸小于400mm且垂直于所述第一方向的最大截面直径小于250mm。
2.根据权利要求1所述的三维超声波风速仪，其特征在于，所述支撑架包括三个呈E字型的支撑臂（240），三个所述支撑臂（240）呈圆形阵列且均匀设置，所述支撑臂（240）两端分别连接于所述顶盖（210）和所述底盖（230），所述支撑臂（240）中部连接于所述中间板（220）。
3.根据权利要求2所述的三维超声波风速仪，其特征在于，所述第一连杆（320）和所述支撑臂（240）在垂直于所述第一方向的平面投影上的半径分别为75.5mm和123mm，相邻的所述第一连杆（320）与所述支撑臂（240）在垂直于所述平面上的投影之间的夹角为30°。
4.根据权利要求2所述的三维超声波风速仪，其特征在于，所述底座（100）内部设有用于放置电路模块的空腔，所述第一连杆（320）、所述第二连杆（330）和所述支撑臂（240）均设有用于放置探头线路的中空结构，所述探头线路和所述电路模块用于信号的传导和计算。
5.根据权利要求1所述的三维超声波风速仪，其特征在于，所述第一探头（311）和所述第二探头（312）之间的距离为80mm，所述第三探头（313）和所述第四探头（314）之间的距离为80mm。
6.根据权利要求1所述的三维超声波风速仪，其特征在于，所述第一探头（311）和所述第四探头（314）两者与所述第一连杆（320）焊接，所述第二探头（312）和所述第三探头（313）两者与所述第二连杆（330）焊接。
7.根据权利要求1所述的三维超声波风速仪，其特征在于，所述第一连杆（320）和所述第二连杆（330）相对于所述安装块可拆卸。
8.根据权利要求1所述的三维超声波风速仪，其特征在于，所述底座（100）与所述浮标通过螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的三维超声波风速仪，其特征在于，所述底盖（230）与所述底座（100）焊接。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的三维超声波风速仪，其特征在于，所述底座（100）、所述顶盖（210）、所述中间板（220）、所述底盖（230）、所述支撑架、所述第一连杆（320）和所述第二连杆（330）具体为钢材，且所述钢材表面均依次设有β-硅酸二钙陶瓷涂层和铜铝合金涂层。
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