CN203376343U - 一种风电场三维超声波风速温度检测系统 - Google Patents

Abstract

一种风电场三维超声波风速温度检测系统。主要由底座（1）、超声波换能器阵列、支撑架组件、电路模块和上位机组成。所述的支撑架组件固定在底座（1）上，所述的超声波换能器阵列安装在支撑组件上，超声波换能器与电路模块连接，超声波换能器发送和接收的信号经电路模块处理后送入上位机（22），上位机（22）实现风速风向温度采集和风速温度分析的功能，并进行数据处理和存储。超声波换能器阵列的6只超声波换能器分成三组，三组之间成120°夹角布置：每一组超声波换能器中的两个超声波换能器相对布置，交替发射超声波信号，并接收与之对向布置的超声波换能器发出的超声波信号。

Description

一种风电场三维超声波风速温度检测系统

技术领域

本发明涉及一种超声波测量装置，具体涉及一种利用超声波测量风电场三维风速、温度的检测装置。 

背景技术

随着全球经济的快速发展，能源的需求日益增长，能源安全问题被广泛关注。风能作为一种无污染且蕴藏巨大能量的能源，它的开发利用受到人们关注。据统计全世界风能的总量约为1.3*105GW，风能的主要利用形式是风力发电，全球风能产业正以每年20%的增速扩张，2015年风能行业总产值将增至目前水平的5倍。虽然风能利用增长迅速，但风能发电成本相比其他能源目前成本仍然偏高，其中一个重要原因就是风能发电的稳定性问题。由于风速变化的随机性，要想获取最大发电功率，就需要跟随风的变化实时控制风机发电，因此准确实时检测风速、风向尤为重要。 

与传统的风速风向设备相比，超声波风速、风向检测系统具有测量速度快、精确高、测量范围广、易维护、风速启动阈值低。不需要时时校准等优点，在气象服务、工业生产等方面也具有广泛的应用，是一种十分重要的测量仪器。而且利用高精度的气流、温度实时数据可实现三维气流、温度流场图像重建，满足风电场对局部环境风速风向和温度分布的需求。中国专利200810101288.6“超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法”只能测量二维风速。中国专利201010608611.6“一种风力发电机组超声波风速风向测量装置”也仅能测量二维风速、风向；中国专利201110123546.2“超声波三维测风方法和三维超声波风速风向仪”可以获取三维风速风向，但不能同时获取温度参数。 

发明内容

本发明目的是克服现有三维超声波检测技术不能同时测量风速、温度的不足，提出一种新的三维超声波风速、风向、温度测量装置。本发明在环境、能源和气象等领域具有广阔的应用前景。 

本发明采用以下技术方案： 

本发明风电场三维超声波风速温度检测系统原理是：采用直接时差法，利用超声波信号正向传播时间和反向传播时间之差计算超声波传播路径方向的风速和超声波波速。利用三对 非正交超声波换能器，分别得到三个非正交方向的风速分量，然后通过计算得到全方位风速和风向。最后根据超声波波速、水汽分压、大气压和绝对温度之间的关系，在已知水汽分压和大气压的条件下，由计算得到的超声波波速即可计算得到相应的温度值。 

本发明风电场三维超声波风速温度检测系统主要由底座、超声波换能器阵列、支撑架组件、电路模块和上位机组成。所述的支撑架组件固定在底座上，所述的超声波换能器阵列安装在支撑架组件上，超声波换能器与电路模块连接，超声波换能器发送和接收的信号经电路模块处理后送入上位机，上位机实现风速风向温度采集和风速温度分析的功能，并进行数据处理和存储。 

所述的底座主要起固定作用，根据被测周围环境，底座可以是圆形的或者是方形的，也可以是其它任意形状，目的是保证支撑架组件及超声波换能器阵列的稳定。超声波换能器阵列包括6只超声波换能器，6只超声波换能器两两一对分成三组，三组之间成120°夹角。每一组超声波换能器中的两个超声波换能器交替发射超声波信号，并接收与之对向布置的超声波换能器发出的超声波信号。所述的支撑架组件主要由不锈钢筒、支撑架和6个测量臂组成。不锈钢筒的底部通过螺钉固定在底座上，不锈钢筒的上部连接支撑架，不锈钢桶的中心轴与底座垂直。支撑架为C形结构，支撑架的上下两端分别连接3个测量臂。所述的6个测量臂分成两组，一组固定在支撑架的上端，另一组固定在支撑架的下端。测量臂成弧形弯曲，测量臂的另一端连接超声波换能器，两两相对的三组超声波换能器成120°夹角。所述的支撑架与测量臂内部为空腔，超声波换能器与电路模块之间连接的导线穿过此空腔。 

所述的电路模块包括中央处理单元、超声波驱动电路、超声波收发处理电路、信号调理单元、串口驱动单元、上位机和电源单元。中央处理单元的控制端连接超声波驱动电路的控制端和超声波收发处理电路的计数单元。电源单元连接中央处理单元、超声波驱动电路、超声波收发处理电路、信号调理单元和串口驱动单元的电源输入端，为电路模块的各单元供电。信号调理单元的输入端直接连接超声波换能器的输出端，信号调理单元的输出端连接超声波收发处理电路的计数单元。串口驱动单元的控制端连接中央处理单元，并通过串口连接上位机。信号传输方式如下：首先中央处理单元发射的控制信号同时传送至超声波驱动电路的控制端和超声波收发处理电路相应的计数单元。超声波驱动电路驱动超声波换能器发射超声波信号的同时，超声波收发处理电路相应的计数单元开始计数。与发射超声波信号的超声波换能器对向布置的超声波换能器接收到超声波信号，送入信号调理单元进行前置放大和滤波，触发收发处理电路计数单元停止计数，然后由中央处理单元根据计数单元的计数和发送和接收超声波信号的两个超声波换能器之间的距离，结合风速风向温度计算算法计算得到风速、风向、温度参数。最后，计算得到的风速、风向和温度参数经过中央处理单元的串口驱动单 元传输到上位机进行显示和存储。 

所述的风电场三维超声波风速温度检测系统采用STM32家族的STM32F103RBT6和Altera公司的FPGA芯片作为中央处理单元，控制超声波驱动电路、超声波收发处理电路、信号调理单元和串口驱动单元。首先所述的超声波驱动电路的信号输入端接收中央处理单元的控制命令，产生驱动超声波换能器的驱动脉冲信号，并命令超声波换能器发射超声波信号，同时超声波收发处理电路的计数单元接收中央处理单元的控制命令，产生计数脉冲，超声波收发处理电路的计数单元开始计数，待与发射的超声波换能器相对布置的超声波换能器接收到超声波信号，经过信号调理单元进行前置放大、二级放大和滤波后，触发计数单元使计数单元停止计数，得到超声波信号从发射到接收所传播的计数值，中央处理单元通过风速风向温度计算单元计算得到风速、风向、温度值。串口驱动单元把计算得到的风速风向温度数据通过串口传输到上位机并通过风速风向温度采集单元进行数据的实时显示和存储。电源单元将输入的220V交流电转换成风电场三维超声波风速温度检测系统各部分所需要的电压。 

所述的超声波驱动电路是风电场三维超声波风速温度检测系统的重要组成部分，驱动信号直接影响接收信号的质量。超声波驱动电路必须与超声波换能器参数相匹配。本发明中选用的超声波换能器中心频率为400KHz，超声波驱动电路采用MOSFET驱动芯片，与双极型晶体管相比，MOSFET驱动芯片具有开关速度快、导通电阻低、控制灵活方便等优点，由中央处理单元FPGA产生脉冲信号通过控制MOSFET驱动芯片产生能驱动超声波换能器的瞬间高压，使超声波换能器产生超声波信号。由FPGA产生脉冲信号的同时，也为FPGA的计数单元产生一个使能信号，开始计数。信号调理单元包括前置放大电路、二级放大电路和滤波电路，前置放大电路的输入端连接超声波换能器的输出端，输出端连接二级放大电路的输入端，二级放大电路的输出端连接滤波电路的输入端。超声波信号在空气中的衰减很大，因此从超声波换能器发射到对面的超声波换能器接收经过12cm的传输距离后，超声波换能器接收到的超声波信号非常微弱，仅仅是mV量级，因此需要对信号进行放大，本发明选用OPA2134作为前置放大电路的主要芯片，该芯片具有如下技术特点：电压增益为120dB，增益带宽8MHz，供电电压±2.5V到±18V可调，本发明中采用的供电电压为±5V。超声波换能器接收到的超声波信号后采用跨导放大方式的前置放大电路进行放大，放大器的输入端采用容阻耦合，对低频信号进行滤波，并采用并联限幅方式，利用二极管对驱动信号进行限幅，保护放大器。被放大的信号再经过可调整二级放大电路进行二级放大后，经过4阶巴特沃斯带通滤波电路进行滤波后进入超声波收发处理电路的信号输入端，因为该信号为模拟信号，因此首先经过双通道高速电压比较器得到TTL电平信号。经过高速电压比较器后的信号幅值为5V，而FPGA的管脚输入信号为3.3V，因此对信号进行隔离后送至中央处理单元的FPGA系统，作为计数 单元的停止信号。计数单元的功能是测量从超声波换能器发射信号到超声波换能器接收信号的过程中超声波在空气中的传输时间，测量方法是利用一个参考时钟去驱动计数器，当接收到停止信号时停止计数，得到计数脉冲，从而得到测量时间。 

中央处理单元的STM32F103RBT6具有较高的数据处理能力、控制驱动能力以及功能强大的电路接口设计能力，因此本发明将每一组超声波换能器计算得到的时间存入芯片STM32F103RBT6中，通过时差法得到三维风速风向值，并通过查找法得到温度值，具体风速风向温度计算单元的计算方法描述如下： 

本发明中第一超声波换能器和第六超声波换能器相对，第一超声波换能器和第六超声波换能器利用超声波收发处理电路的计数单元分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。 

本发明中第二超声波换能器和第五超声波换能器相对，第二超声波换能器和第五超声波换能器利用超声波收发处理电路的计数单元分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。 

本发明中第三超声波换能器和第四超声波换能器相对，第三超声波换能器和第四超声波换能器利用超声波收发处理电路的计数单元分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。 

本发明利用时差法分别计算得到第一超声波换能器和第六超声波换能器相对直线方向上的风速为V1，第二超声波换能器和第五超声波换能器相对直线方向上的风速为V2，第三超声波换能器和第四超声波换能器相对直线方向上的风速为V3，然后根据风电场三维超声波风速温度检测系统的架设方位，确定V1、V2、V3三个方向在水平方向上的投影与地理坐标系统的夹角，假设夹角为θ，则可以计算得到则计算得到水平方向平行风速V_x和垂直风速V_y以及垂直方向的风速V_z： 

其中

为超声波换能器与中心垂直轴的夹角，本发明中为60°。 

已知V_x、V_y、V_z，则可以得到平均风速V以及水平风向角φ： 

$V=\sqrt{V_x^2+V_y^2+V_z^2}$

$\mathrm{\φ}=\arctan \left(\frac{V_x}{V_y}\right)$

温度的测量：声速的传播依赖于空气的绝对温度，当粗略的认为不依赖于大气压力而且 与空气湿度的依赖性也较弱时。声速c和温度T的对应关系可以表示为： 

$c=331.5m/s\×\sqrt{1+T/273.15}$

其中c为计算得到的超声波波速。 

若忽略声速与空气湿度之间的相关性，则利用参考空气湿度为0%的干空气进行假设： 

T_v＝c²/402.31466-273.15 

c为风速，T_v为超声波测量计算得到的虚温。但虚温较正常温度高，他们之间有一个近似的关系： 

T_r＝T_v-0.135K*m³/g*a 

其中T_r是实际空气温度，T_v是通过超声波设备测量的虚温，a是每立方米空气中水分子的质量，单位为g。对于20℃的空气温度，相对湿度为100%时，大约虚温会高2K，因此，本发明为避免测量温度得到较大的误差，然后再根据检测区域历年化学组分的变化情况对计算得到的虚温进行补偿，得到温度值。 

所述的上位机主要完成风速风向温度采集和风速温度分析2个功能。风速风向温度采集用于进行采集的风速、风向和温度的实时显示和存储。在进行数据采集的同时可以实时保存风速、风向、温度值，保存时按照时间顺序保存成文本形式。三维风向通过三维坐标方式进行实时显示，三维风速、平均风速、温度和超声波波速通过图标和数字两种方式显示。风速温度分析功能主要针对多台风电场三维超声波风速温度检测系统在同高度采集的风速、温度数据进行动态显示及分析。分析功能可实现20*20个不同采集点的风速和温度数据的分析和连续动态显示。显示数据的大小利用颜色表示，数据范围的设定可根据实际风速、温度值进行调整。 

附图说明

图1风电场三维超声波风速温度检测系统示意图； 

图2风电场超声波风速检测支架； 

图3风电场三维超声波风速温度检测系统原理示意图； 

1底座，2不锈钢筒，3支撑架，4第一测量臂，5第一超声波换能器，6第二测量臂，7第二超声波换能器，8第三测量臂，9第三超声波换能器，10第四超声波换能器，11第四测量臂，12第五超声波换能器，13第五测量臂，14第六测量臂，15第六超声波换能器，16支撑架，17超声波驱动电路，18超声波收发处理电路，19信号调理单元，20中央处理单元，21串口驱动单元，22上位机，23电源单元。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。 

一种风电场三维超声波风速温度检测系统主要由底座1、超声波换能器阵列、支撑架组件、电路模块和上位机组成。所述的支撑架组件固定在底座1上，所述的超声波换能器阵列安装在支撑架组件上，超声波换能器与电路模块连接，超声波换能器发送和接收的超声波信号经电路模块处理后送入上位机22进行处理和存储。 

所述的底座1主要起固定作用，根据被测周围环境，底座1可以是圆形或者是方形，也可以是其它任意形状，目的是保证支撑架组件及超声波换能器阵列的稳定。超声波换能器阵列包括6只超声波换能器，分别为第一超声波换换能器5、第二超声波换换能器7、第三超声波换换能器9、第四超声波换换能器10、第五超声波换换能器12、第六超声波换换能器15。6只超声波换能器两两相对共分成三组，三组之间成120°夹角。每一组超声波换能器中的两个超声波换能器交替发射超声波信号，并接收对面超声波换能器发出的超声波信号。其中第一超声波换换能器5、第二超声波换换能器7和第三超声波换换能器9成120°夹角，位于C形支撑架3的下端。第四超声波换换能器10、第五超声波换换能器12和第六超声波换换能器15成120°夹角，位于C形支撑架3的上端。每一组中的三个超声波换能器成120°夹角。第一超声波换能器5与第六超声波换能器15相对，第二超声波换能器7与第五超声波换能器12相对，第三超声波换能器9与第四超声波换能器10相对，两两相对的超声波换能器之间的距离一致，为12cm。同时保证两两相对的超声波换能器中的两个超声波换能器交替发射超声波信号并接收对面超声波换能器的超声波信号。 

所述的支撑架组件主要由不锈钢筒2、支撑架3和6个测量臂组成。不锈钢筒2的底部通过螺钉连接底座1，不锈钢筒2的上部连接支撑架3，不锈钢桶2的中心轴与底座1垂直。支撑架3为C形结构，支撑架3的上下两端分别连接3个测量臂。支撑架3也可以为其它结构。如图2所示，支撑架16的下端与不锈钢筒2的上端相连。所述的6个测量臂分别为第一测量臂4、第二测量臂6、第三测量臂8、第四测量臂11、第五测量臂13、第六测量臂14。6个测量臂分成两组，其中第一测量臂4、第二测量臂6和第三测量臂8为一组，固定在支撑架3的下端，第四测量臂11、第五测量臂13和第六测量臂14为一组，固定在支撑架3的上端，6个所述测量臂的另一端连接超声波换能器。测量臂成一定角度弯曲，保证两两相对的三组超声波换能器成120°夹角。所述的支撑架3与测量臂内部为空腔，超声波换能器与电路模块之间连接的导线穿过此空腔。 

如图3所示，所述的电路模块包括中央处理单元20、超声波驱动电路17、超声波收发处理电路18、信号调理单元19、串口驱动单元21及电源单元23。电路模块置于不锈钢筒2内，电路模块通过导线与超声波换能器连接。中央处理单元20的控制端连接超声波驱动电 路17的控制端和超声波收发处理电路18的计数单元。电源单元23连接中央处理单元20、超声波驱动电路17、超声波收发处理电路18、信号调理单元19和串口驱动单元21的电源输入端，为电路模块的各单元供电。信号调理单元19的输入端连接超声波换能器的输出端，信号调理单元的输出端连接超声波收发处理电路18的计数单元。串口驱动单元21的控制端连接中央处理单元20，并通过串口连接上位机22。信号传输方式如下，首先中央处理单元19发射的控制信号同时送至超声波驱动电路17的控制端和超声波收发处理电路18的相应计数单元，超声波驱动电路17驱动超声波换能器发射超声波信号的同时，超声波收发处理电路18相应的计数单元开始计数。与发射超声波信号的超声波换能器对向布置的超声波换能器接收到超声波信号，送入信号调理单元19进行前置放大和滤波，触发超声波收发处理电路18的计数单元停止计数，然后由中央处理单元20根据计数单元的计数和发送及接收超声波信号的两个超声波换能器之间的距离，结合风速风向温度计算算法计算得到风速、风向、温度参数。最后，计算得到的风速、风向和温度参数经过中央处理单元20的串口驱动单元21传输到上位机22进行显示和存储。 

所述的风电场三维超声波风速温度检测系统采用STM32家族的STM32F103RBT6和Altera公司的FPGA芯片作为中央处理单元20，控制超声波驱动电路17、超声波收发处理电路18、信号调理单元19和串口驱动单元21。首先所述的超声波驱动电路17的信号输入端接收中央处理单元20的控制命令，产生驱动超声波换能器的驱动脉冲信号，并命令超声波换能器发射超声波信号，同时超声波收发处理电路18的计数单元接收中央处理单元20的控制命令，产生计数脉冲，超声波收发处理电路18的计数单元开始计数，待与发射的超声波换能器相对布置的超声波换能器接收到超声波信号，经过信号调理单元19进行前置放大、二级放大和滤波后，触发计数单元使计数单元停止计数，得到超声波信号从发射到接收所传播的计数值，中央处理单元20通过风速风向温度计算单元计算得到风速、风向、温度值。串口驱动单元21把计算得到的风速风向温度数据通过串口驱动电路21传输到上位机22进行数据的实时显示和存储。电源单元23将输入的220V交流电转换成风电场三维超声波风速温度检测系统各部分所需要的电压。 

所述的超声波驱动电路17是风电场三维超声波风速温度检测系统的重要组成部分，驱动信号直接影响接收信号的质量。超声波驱动电路必须与超声波换能器参数相匹配。本发明中选用的超声波换能器中心频率为400KHz，超声波驱动电路17采用MOSFET驱动芯片，与双极型晶体管相比，MOSFET驱动芯片具有开关速度快、导通电阻低、控制灵活方便等优点，由中央处理单元20FPGA产生脉冲信号通过控制MOSFET驱动芯片产生能驱动超声波换能器的瞬间高压，使超声波换能器产生超声波信号。由FPGA产生脉冲信号的同时，也为FPGA的计数 单元产生一个使能信号，开始计数。信号调理单元19包括前置放大电路、二级放大电路和滤波电路，前置放大电路的输入端连接超声波换能器的输出端，输出端连接二级放大电路的输入端，二级放大电路的输出端连接滤波电路的输入端。超声波信号在空气中的衰减很大，因此从超声波换能器发射到对面超声波换能器接收经过12cm的传输距离后，超声波换能器接收到的超声波信号非常微弱，仅仅是mV量级，因此需要对信号进行放大，本发明选用OPA2134作为前置放大电路的主要芯片，该芯片具有如下技术特点：电压增益为120dB，增益带宽8MHz，供电电压±2.5V到±18V可调，本发明中采用的供电电压为±5V。超声波换能器接收到的超声波信号后采用跨导放大方式的前置放大电路进行放大，放大器的输入端采用容阻耦合，对低频信号进行滤波，并采用并联限幅方式，利用二极管对驱动信号进行限幅，保护放大器。被放大的信号再经过可调整二级放大电路进行二级放大后，经过4阶巴特沃斯带通滤波电路进行滤波后进入超声波收发处理电路18的信号输入端，因为该信号为模拟信号，因此首先经过双通道高速电压比较器得到TTL电平信号。经过高速电压比较器后的信号幅值为5V，而FPGA的管脚输入信号为3.3V，因此对信号进行隔离后送至中央处理单元20的FPGA系统，作为计数单元的停止信号。计数单元的功能是测量从超声波换能器发射信号到超声波换能器接收信号的过程中超声波在空气中的传输时间。 

中央处理单元STM32F103RBT6具有较高的数据处理能力、控制驱动能力以及功能强大的电路接口设计能力，因此本发明将每一组超声波换能器计算得到的时间存入STM32F103RBT6中，通过时差法得到三维风速风向值，并通过查找法得到温度值，具体计算方法描述如下： 

本发明中第一超声波换能器5和第六超声波换能器15相对，第一超声波换能器5和第六超声波换能器15利用超声波收发处理电路18的计数单元分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。 

本发明中第二超声波换能器7和第五超声波换能器12相对，第二超声波换能器7和第五超声波换能器12利用超声波收发处理电路18的计数单元分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。 

本发明中第三超声波换能器9和第四超声波换能器14相对，第三超声波换能器9和第四超声波换能器14利用超声波收发处理电路的计数单元分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。 

本发明利用时差法分别计算得到第一超声波换能器5和第六超声波换能器15相对直线方向上的风速为V1，第二超声波换能器7和第五超声波换能器12相对直线方向上的风速为V2，第三超声波换能器9和第四超声波换能器14相对直线方向上的风速为V3，然后根据风电场三维超声波风速温度检测系统的架设方位，确定V1、V2、V3三个方向在水平方向上的 投影与地理坐标系统的夹角，假设夹角为θ，则可以计算得到则可以计算得到则计算得到水平方向平行风速V_x和垂直风速V_y以及垂直方向的风速V_z： 

其中

为超声波换能器与中心垂直轴的夹角，本发明中为60°。 

已知V_x、V_y、V_z，则可以得到平均风速V以及水平风向角φ： 

$V=\sqrt{V_x^2+V_y^2+V_z^2}$

$\mathrm{\φ}=\arctan \left(\frac{V_x}{V_y}\right)$

温度的测量：声速的传播依赖于空气的绝对温度，当粗略的认为不依赖于大气压力而且与空气湿度的依赖性也较弱时。声速c和温度T的对应关系可以表示为： 

$c=331.5m/s\×\sqrt{1+T/273.15}$

其中c为计算得到的超声波波速。 

若忽略声速与空气湿度之间的相关性，则利用参考空气湿度为0%的干空气进行假设： 

T_v＝c²/402.31466-273.15 

c为风速，T_v为超声波测量计算得到的虚温。但虚温较正常温度高，他们之间有一个近似的关系： 

T_r＝T_v-0.135K*m³/g*a 

其中T_r是实际空气温度，T_v是通过超声波设备测量的虚温，a是每立方米空气中水分子的质量，单位为g。对于20℃的空气温度，相对湿度为100%时，大约虚温会高2K，因此，本发明为避免测量温度得到较大的误差，然后再根据检测区域历年化学组分的变化情况对计算得到的虚温进行补偿，得到温度值。 

所述的上位机22主要完成风速风向温度采集和风速温度分析2个功能。风速风向温度采集用于进行采集的风速、风向和温度的实时显示和存储。在进行数据采集的同时可以实时保存风速、风向、温度值，保存时按照时间顺序保存成文本形式。三维风向通过三维坐标方式进行实时显示，三维风速、平均风速、温度和超声波波速通过图标和数字两种方式显示。风速温度分析功能主要针对多台风电场三维超声波风速温度检测系统在同高度采集的风速、 温度数据进行动态显示及分析。分析功能可实现20*20个不同采集点的风速和温度数据的分析和连续动态显示。显示数据的大小利用颜色表示，数据范围的设定可根据实际风速、温度值进行调整。 

Claims (5)

1.一种风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的检测系统主要由底座（1）、超声波换能器阵列、支撑架组件、电路模块和上位机组成；所述的支撑架组件固定在底座（1）上，所述的超声波换能器阵列安装在支撑架组件上；超声波换能器与电路模块连接，电路模块与上位机（22）连接。

2.根据权利要求1所述的风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的超声波换能器阵列包括6只超声波换能器，6只超声波换能器分成三组，三组之间成120°夹角布置：每一组超声波换能器中的两个超声波换能器相对布置，交替发射超声波信号，并接收与之对向布置的超声波换能器发出的超声波信号。

3.根据权利要求1所述的风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的支撑架组件由不锈钢筒（2）、支撑架（3）和6个测量臂组成；不锈钢筒（2）的底部固定在底座（1）上，不锈钢筒（2）的上部连接支撑架（3），不锈钢桶（2）的中心轴与底座（1）垂直；电路模块置于不锈钢筒（2）内；支撑架（3）为C形结构；所述的6个测量臂分成两组，一组固定在支撑架（3）的上端，另一组固定在支撑架（3）的下端；测量臂成弧形弯曲，测量臂的另一端连接超声波换能器；所述的支撑架（3）与测量臂内部为空腔，超声波换能器与电路模块之间连接的导线穿过此空腔。

4.根据权利要求3所述的风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的6个测量臂中,第一测量臂（4）、第二测量臂（6）和第三测量臂（8）为一组，固定在支撑架（3）的下端：第四测量臂（11）、第五测量臂（13）和第六测量臂（14）为另一组，固定在支撑架（3）的上端。

5.根据权利要求1所述的风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的电路模块包括中央处理单元（20）、超声波驱动电路（17）、超声波收发处理电路（18）、信号调理单元（19）、串口驱动单元（21）及电源单元（23）；电路模块置于不锈钢筒（2）内，电路模块通过导线与超声波换能器连接；中央处理单元（20）的控制端连接超声波驱动电路（17）的控制端和超声波收发处理电路（18）的计数单元；电源单元（23）连接中央处理单元（20）、超声波驱动电路（17）、超声波收发处理电路（18）、信号调理单元（19）和串口驱动单元（21）的电源输入端，为电路模块的各单元供电。

 

Images