CN201141867Y

CN201141867Y - 超声波数字风速风向仪

Info

Publication number: CN201141867Y
Application number: CNU2007200878543U
Authority: CN
Inventors: 曹可劲; 崔国恒
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2017-10-30

Abstract

一种超声波数字风速风向仪，由电源模块(1)、四个发射接收模块(2)、计时模块(3)、控制及数据处理模块(4)、显示单元(5)和四个成正交的两个方向设置收发一体的超声波探头(6、7、8、9)组成；发射接收模块的探头发射接收控制端(2－8)分别与控制及数据处理模块(4)的发射接收控制指令端连接，发射接收模块的输出驱动信号端(2－16)分别通过计时模块(3)的选通逻辑控制端与计数器启动、停止端连接，发射接收模块的超声波信号输入输出端(2－6、2－13)与收发一体超声波探头(6、7、8、9)连接。本实用新型采用模块化设计，具有结构简单，体积小，使用寿命长，无需维护，可靠性强的优点。

Description

超声波数字风速风向仪

技术领域

本实用新型涉及气象观测和流体测量技术领域。特别是一种超声波数字风速风向仪。

背景技术

在气象观测预报，体育比赛场地环境测量等领域，都涉及到流体测量问题，使得风速仪得到了广泛的应用。

常用风速仪有机械式风速仪、动压力式风速仪、热式风速仪等。风杯式和螺旋桨式风速仪都是利用机械部件旋转来敏感风速大小，并结合风向标获得风向。尽管这种方法简单可靠，但由于其测量部分具有机械活动部件，在长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，寿命有限，维护成本较高；另外，其精度不高，体积也较大使用领域受到极大制约，如EY型电传风速风向仪，其启动风速为0.5m/s，测量范围为2-12m/s或5-40m/s，测量精度为0.3m/s，风向测量精度为±11°。也有采用流体压力测风速的压力式风速仪，采用的传感器就是皮托管，但由于在自然风的条件下，空气的动压力相对较小，需要测量微小压力的仪器，这种仪器价格较高，且要求的环境条件严格，多年来只能在实验室使用，难以推广。还有热球式风速仪，如QDF-3型风速仪，测量范围为0.5m/s-30m/s，测量误差为5％-10％，但是不宜在潮湿，有粉尘的自然条件下使用。

发明内容

本实用新型的目的是在于提供一种测量精度高、使用范围广、成本低、可靠性强、使用寿命长，并能测量瞬时风速和风向的数字式风速风向仪。

所述超声波数字风速风向仪，其特征是：所述风速风向仪由电源模块1、四个发射接收模块2、计时模块3、控制及数据处理模块4、显示单元5和四个成正交的两个方向设置收发一体的超声波探头6、7、8、9组成，所述计时模块3包括选通逻辑单元、计数器、锁存器；所述四个发射接收模块2的探头发射接收控制端2-8分别与控制及数据处理模块4的发射接收控制指令端连接，四个发射接收模块2的输出驱动信号端2-16分别通过计时模块3的选通逻辑控制端与计数器启动、停止端连接，四个发射接收模块2的超声波信号输入输出端2-6、2-13通过变压器10分别与收发一体超声波探头6、7、8、9连接。

所述计时模块3的选通逻辑单元、计数器和锁存器分别与控制及数据处理模块4的选通指令端、复位指令端和锁存指令端连接；电源模块1的直流12V和5V工作电源分别与发射接收模块2、计时模块3和控制及数据处理模块4的工作电源端连接。

所述风速风向仪还可采用三个互成60°三个方向布置的收发一体的超声波探头11、12、13分别与三个对应发射接收模块2连接。

它的工作原理是：

超声波是机械振动在媒质中的传播过程，其传播速度必然受媒质自身运动的影响。本实用新型四个探头均为收发一体探头，分为两组6和7、8和9布置，通过控制及数据处理模块4来控制各个探头的收发顺序和工作时间，6和7协同工作、8和9协同工作，测出图1a中虚线方向的风速。三探头超声波数字风速风向仪的三个探头均为收发一体探头，11、12和13互成60°布置，其中一个探头发射，另外两个探头接收，采取循环发射接收方式，测出图1b中虚线方向的风速。

在同一时刻，控制及数据处理模块4控制发射接收模块2，进行一个探头的发射及对应探头的接收。与此同时，发射接收模块2在启动发射探头发射超声波的同时，触发计时模块3开始计时，发射接收模块2在接收探头收到超声波信号时，触发计时模块3停止计时。同时控制及数据处理模块4记录本次测量时间并复位发射接收模块2和计时模块3。控制及数据处理模块4在获得某一方向上超声波往返时间后，进行下一方向的测量，所有方向上超声波往返时间测量完成即构成一个测量周期，在一个测量周期结束后，控制及数据处理模块4计算出各个方向上的风速分量，通过矢量合成，求出风速值和风向值。

由于采用对称测量方式，测量结果与声速无关，无须复杂的声速实时修正。

若在风场中沿X方向平行放置两对超声波探头：T1，T2为发射，R1，R 2为接收，它们相距为L，如图2所示。

设无风时空气中的声速为C，风速V沿X方向上的分量为Vx，沿X轴正交面上的分量是Vy，按正反方向从T1到R1、T2到R2的传播时间分别为：

t_{1} = \frac{\sqrt{C^{2} - V_{y}^{2}} - V_{x}}{C^{2} - V^{2}} \cdot L - - - (1)

t_{2} = \frac{\sqrt{C^{2} - V_{y}^{2}} + V_{x}}{C^{2} - V^{2}} \cdot L - - - (2)

如果距离L远大于声波的波长，则声波可简化为平面波，这时X方向的声波传播时间仅与X方向上的风速有关，则(1)、(2)可简化为：

t_{1} = \frac{C - V_{x}}{C^{2} - V_{x}^{2}} \cdot L = \frac{L}{C + V_{x}} - - - (3)

t_{2} = \frac{C - V_{x}}{C^{2} - V_{x}^{2}} \cdot L = \frac{L}{C + V_{x}} - - - (4)

由(3)式与(4)式得：

V_{x} = \frac{L}{2} (\frac{1}{t_{1}} - \frac{1}{t_{2}})

因此，只要测出某个方向上顺风、逆风条件下，从向发射探头施加激励脉冲起到接收探头收到第一个脉冲止的超声波传播时间，就可计算出该方向上的风速。若测得两个不同方向上的风速分量，根据矢量合成原理，可算出总的风速、风向。

本实用新型的特点是：

1、结构简单，体积小，重量轻。采用模块化设计，各个部分相互独立，由一个探头支架、三(四)块模拟电路PCB板、一块数字PCB板组成，PCB板可层叠固定后安装于探头支架下方的屏蔽金属圆筒内，探头支架和金属圆筒由耐腐蚀的不锈钢制成，可长期置于室外，无需维护。

2、使用寿命长，无需维护，可靠性强。本专利是纯固态结构，无机械运动部件，结构坚固耐用，可以抵抗恶劣的自然环境，无需定期维护，使用方便；电路工作在小信号状态下，功耗低，稳定可靠。

3、精度高，测量范围广，可测量风速风向变化过程中的抖动特性。其测量精度为：风速误差小于0.2m/s，风向误差小于3°，测量范围为0～60m/s，可以根据需要，以多种数据格式输出风速和风向值。

本实用新型工作可靠，测量精度高，使用寿命长，可在各种恶劣自然环境中使用。

附图说明

图1a是四探头数字超声波数字风速风向仪结构示意图，

图1b是三探头数字超声波数字风速风向仪结构示意图，

图2是超声波测速原理图，

图3是超声波发射接收电路图，

图4，是计时模块原理图，

图5是控制及数据处理模块原理图。

图中：1-电源模块，2-发射接收模块，2-7-测试端，2-8-发射控制端，2-6、2-13-信号输入输出端，2-16-输出驱动信号端，3-计时模块，4-控制及数据处理模块，5-显示单元，6、7、8、9、11、12、13-收发一体超声波探头，10-变压器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明：图1a、图2、图3中，所述风速风向仪由电源模块1、四个发射接收模块2、计时模块3、控制及数据处理模块4、显示单元5和四个成正交的两个方向设置收发一体的超声波探头6、7、8、9组成，所述计时模块3包括选通逻辑单元、计数器、锁存器；所述四个发射接收模块2的探头发射接收控制端2-8分别与控制及数据处理模块4的发射接收控制指令端连接，四个发射接收模块2的输出驱动信号端2-16分别通过计时模块3的选通逻辑控制端与计数器启动、停止端连接，四个发射接收模块2的超声波信号输入输出端2-6、2-13通过变压器10分别与收发一体超声波探头6、7、8、9连接。图1b中所述风速风向仪还可采用三个互成60°三个方向布置的收发一体的超声波探头11、12、13分别与三个对应发射接收模块2连接。图4、5中，所述计时模块3的选通逻辑单元、计数器和锁存器分别与控制及数据处理模块4的选通指令端、复位指令端和锁存指令端连接；电源模块1的直流12V和5V工作电源分别与发射接收模块2、计时模块3和控制及数据处理模块4的工作电源端连接。控制及数据处理模块4的数据输出端与显示单元5的输入端连接。所述控制及数据处理模块4还设置有ISP下载和串行通信接口。

图1a是四探头数字超声波数字风速风向仪结构方框图，图1b是三探头风速风向仪。三探头和四探头可以根据需要互换，只需将单片机中的程序重新下载即可实现变换，为实现变换，本发明留有ISP下载接口，以方便修改单片机程序。

图3是超声波发射接收电路图。L1和C1构成选频电路，对探头发射和接收的超声波频率进行选择，控制中心频率在40KHz左右。C2和R3对超声波的接收门限进行控制，通过调节滑动变阻器R3的阻值来调节接收门限。变压器10对电压进行变压，以驱动超声波探头发射或接收。C4是一个隔直电容。C5同L6的次级线圈构成谐振电路。C9用于调节探头发射接收的转换时间。C13为一储能电容。C17同R17构成积分电路。C18为积分复位电容。芯片的2-7脚用于测试芯片是否正常控制探头发射超声波，芯片正常驱动探头发射时，将产生40KHz的脉冲信号。芯片的2-8脚实现探头的发射控制，当外加高电平时，控制芯片驱动探头发射，常态时为接收状态。芯片2-16脚为输出驱动信号，其常态为高电平，当探头发射或接收到信号时，降为低电平，该信号用以启动或停止计时模块，完成对传播时间的测量。

图4是计时模块原理图。发射电路输出同接收电路输出信号通过选通逻辑。发射探头发射时，将产生一个下降沿，该下降沿将启动计数器，开始计时，接收探头接收到超声波信号时，将产生一个上升沿，该上升沿停止计数器，同时启动锁存器跟踪计数器，高电平时将该时刻计数器的读数锁存住，以供单片机读取。

图5是控制及数据处理模块原理图。其主要功能由单片机完成，单片机产生发射接收控制指令，控制发射接收电路的发射接收顺序和时间，选通指令对发射接收电路的输入信号进行控制，进行某一方向的风速测量。锁存指令控制一次测量结束后，锁存器对该次测量的时间进行锁存。复位指令控制每次测量结束后，对计数器和锁存器进行复位，准备下一次测量。显示控制主要将单片机数据处理的结果按预定的方式输给显示设备。为方便对单片机的测试，本模块留有专门的ISP下载和串行通信接口。

Claims

1.一种超声波数字风速风向仪，其特征是：所述风速风向仪由电源模块(1)、四个发射接收模块(2)、计时模块(3)、控制及数据处理模块(4)、显示单元(5)和四个成正交的两个方向设置收发一体的超声波探头(6、7、8、9)组成，所述计时模块(3)包括选通逻辑单元、计数器、锁存器；所述四个发射接收模块(2)的探头发射接收控制端(2-8)分别与控制及数据处理模块(4)的发射接收控制指令端连接，四个发射接收模块(2)的输出驱动信号端(2-16)分别通过计时模块(3)的选通逻辑控制端与计数器启动、停止端连接，四个发射接收模块(2)的超声波信号输入输出端(2-6、2-13)通过变压器(10)分别与收发一体超声波探头(6、7、8、9)连接。

2.根据权利要求1所述的超声波数字风速风向仪，其特征是：所述计时模块(3)的选通逻辑单元、计数器和锁存器分别与控制及数据处理模块(4)的选通指令端、复位指令端和锁存指令端连接；电源模块(1)的直流12V和5V工作电源分别与发射接收模块(2)、计时模块(3)和控制及数据处理模块(4)的工作电源端连接。

3.根据权利要求1所述的超声波数字风速风向仪，其特征是：所述风速风向仪还可采用三个互成60°三个方向布置的收发一体的超声波探头(11、12、13)分别与三个对应发射接收模块(2)连接。

4.根据权利要求1所述的超声波数字风速风向仪，其特征是：控制及数据处理模块(4)的数据输出端与显示单元(5)的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的超声波数字风速风向仪，其特征是：所述控制及数据处理模块(4)还设置有ISP下载和串行通信接口。