CN204065127U - 反射式超声波风速仪的风速传感器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种反射式超声波风速仪的风速传感器装置。所述的风速传感器装置由顶盖、换能器组、反射板、基座四部分组成。通过将换能器组固定在顶盖下底面，且换能器工作面向下指向反射板的安装方式，同时通过反射板高于基座从而形成两者之间的导流槽，使得本实用新型所述的风速传感器装置能有效避免风沙、尘土、雨雪在换能器工作面及反射板工作面上的积累和结垢，从而保证风速传感器装置内超声波波束的传播路径值稳定，进而保证超声波风速仪测量的稳定性。

Description

反射式超声波风速仪的风速传感器装置

技术领域

本实用新型涉及超声波风速仪的风速传感器装置，特别是涉及一种应用于反射式二维超声波风速仪的风速传感器装置。

背景技术

在石油、煤炭等不可再生能源的储量日益减少，且全球环境污染日益严重的情况下，风力发电作为一种典型的清洁能源，其在全球能源结构中占有越来越大的比重。在风力发电系统中，风速仪是最为关键的测量与传感系统。风速仪为风力发电系统提供了当前风速和风向的指标，它的运行稳定性直接决定了风力发电系统运行的经济性和安全性。超声波风速仪作为一种新型的风速测量仪器，相比于传统的机械式风速测量仪，具有稳定性好、测量精度高、不易磨损等突出优势，因此，超声波风速仪在风力发电行业受到越来越广泛的应用。

按照测量原理的不同，超声波风速仪可以分为对射式、反射式和声共振式三种。由于在体积大小、测量精度、量程范围等指标方面具有较为平衡的综合性优势，反射式超声波风速仪在风力发电系统中的应用最为普遍。反射式超声波风速仪一般由风速传感器装置和风速仪电路板组成。现有的风速传感器装置一般包含一块发射板和一块发射板，其中，固定在底部的发射板安装有两组换能器，固定在顶部的反射板与发射板平行。工作时，发射换能器斜向上发射一组超声波脉冲，超声波脉冲打到顶部的发射板之后，反弹到相应的接收换能器。利用超声波脉冲在发射换能器和接收换能器之间的传播时间受风速调制的原理，反射式超声波风速仪便可实现对风速和风向的测量。

由于风力发电系统分布的地域十分广泛，同时由于风力发电机组一般处在相对地面较高的位置，因此不同的风力发电系统所处的气候环境(主要体现在温度、湿度、风沙、雨雪等)差异性十分巨大。在很多应用场合中，反射式超声波风速仪经常会积起风沙和雨雪。从上述反射式超声波风速仪的工作原理可知，当换能器工作面被风沙、尘土或雨雪覆盖时，超声波波束就无法有效地打到反射板上，从而反射式超声波风速仪的信号强度和测量精度就受到影响，甚至无法实现对风速和风向的正常测量。同时，从反射式超声波风速仪的工作原理还可以知道，当反射板上累积风沙、尘土或雨雪时，超声波波束的传播路径值就会发生变化，从而导致反射式超声波风速仪的测量不稳定性。

为避免上述问题，一般采用热管或热膜对换能器进行加热的方式。然而，对换能器进行加热，虽然可有效地消除覆盖在换能器表面的雨和雪，缺无法消除结垢在换能器表面的风沙和尘土。为此，有文献提出使用特殊的材料(如不易结垢的塑料材料，如不易沾水的疏水材料等)作为换能器的外表面，以此避免风沙、尘土、雨雪等覆盖换能器外表面。这种方法虽然有一定的作用，但是这种方法直接提高了换能器的成本，且降低了换能器的声波发射和接收效率，最重要的是，这种方法仍然无法彻底消除风沙、尘土、雨雪对换能器的影响。

发明内容

实用新型的目的在于提供一种应用于反射式超声波风速仪的风速传感器装置，该装置由顶盖、换能器组、反射板、基座组成。本实用新型通过在空间位置上将顶盖、换能器组、反射板、基座自上而下的安装方式，尤其是通过安装在顶盖底面的换能器工作面(信号发射和接收面)倾斜向下的安装方式，避免了风沙、尘土、雨雪在换能器工作面上的积累和结垢。同时，本实用新型通过反射本和基座之间导流槽的设置，同时通过在反射板上表面(工作面)采用不易结垢、不易积雨的疏水性高分子材料的薄涂层，避免了风沙、尘土、雨雪在反射板工作面上的积累和结垢。通过以上两种方式，确保风速传感器在恶劣的环境下，仍然能保证超声波信号在测量声道上的有效传递，从而保证超声波风速仪在该环境下的正常工作。

本实用新型特别适用于反射式超声波风速仪，特别是测量平面风速和风向的二维反射式超声波风速仪。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种反射式超声波风速仪的风速传感器装置，其特征在于，该风速传感器装置由顶盖、换能器组、反射板、基座在空间位置上由上而下依次固定组成，其中，所述换能器组安装在顶盖的下表面，所述换能器组的工作面指向所述反射板，即换能器组的信号发射方向和接收方向指向所述反射板

进一步的，所述顶盖为圆柱形体，且其内部为薄壁中空的腔体，所述腔体内安装有风速仪电路板，所述顶盖的下表面与所述反射板的上表面平行。

进一步的，所述换能器组包括四个换能器，所述四个换能器在顶盖的下表面上沿圆周等分布安装固定，且该圆周的直径为顶盖下表面圆形直径的1/2～3/4，每个换能器在顶盖下表面的安装点与顶盖下表面的圆心之间的线段与该换能器与相邻换能器的中轴线之间的夹角为45°。

进一步的，所述反射板的上表面为平整的圆形面，该圆形面的直径为顶盖下表面圆形直径的1/2。

进一步的，所述反射板上表面涂有聚四氟乙烯类高分子材料的薄涂层。

进一步的，所述反射板的上表面与顶盖的下表面之间的距离等于换能器在顶盖上安装点与顶盖下表面圆心之间的距离。

进一步的，所述基座的上表面在空间位置上低于所述反射板的上表面，且基座的上表面与反射板的上表面之间的高度差值为反射板的上表面圆形直径的1/2。

进一步的，所述基座的上表面与所述反射板的侧面共同形成一个1/4环形的导流槽，该导流槽的入口为水平方向，出口为垂直方向。

有益效果：

本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型所述的风速传感器内，换能器固定在顶盖的下底面，且换能器向下安装，尤其是换能器信号发射和接收面向下，可有效避免风沙、尘土、雨雪覆盖在换能器信号发射和接收面上。

(2)本实用新型所述的风速传感器，顶盖的底面直径，两组换能器均布安装的圆周直径，反射板上表面直径，依次缩小，因此，顶盖可以像雨伞一样遮挡住雨雪。

(3)本实用新型所述的风速传感器，其内部的导流槽，可将由气流带入的风沙、尘土等向外排出，可有效避免风沙和尘土在风速传感器内的积累和结垢。

附图说明

图1是本实用新型与风速仪电路板相装配的简化示意图。

图2是本实用新型的结构与装配关系示意图。

图3是本实用新型内换能器组的安装示意图

图4是本实用新型内超声波传播路径示意图。

图5是本实用新型在雨雪情况下的应用示意图。

图6是本实用新型在风沙情况下的应用示意图。

图中：1、风速传感器装置，2、风速仪电路板，3、顶盖，4、换能器组，4A、第一发射换能器，4B、第一接收换能器，4C、第二发射换能器，4D、第二接收换能器，5、反射板，6、基座，7、导流槽。

具体实施方式

以下结合附图及优选实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

实施例：

如图1～图2所示：

图1示意性地描述了本实用新型所述的风速传感器装置1和风速仪电路板2之间的装配关系。反射式超声波风速仪主要由风速传感器装置1和风速仪电路板2两部分组成，风速仪电路板2与风速传感器装置1内的换能器4具有电气连接关系。在本实用新型中，由于换能器组4安装在顶盖3底面，因此风速仪电路板2相应地固定在密封的顶盖3的中空容腔内，而常见的超声波风速仪一般顶盖3作为超声波信号的反射板5，即换能器组4安装在风速传感器1底部，因此常见的超声波风速仪一般将风速仪电路板2相应固定在风速传感器1底部。

图2、图3描述了本实用新型所述的风速传感器装置1的四大部分，即顶盖3、换能器组4、反射板5、基座6四部分在空间上的装配关系：圆柱形的顶盖3固定在风速传感器装置1的最上面，且其底部圆形面与水平面平行；四个换能器4A、4B、4C、4D在顶盖3底面上沿圆周等分分布安装，且该圆周直径为顶盖3底面圆形直径的1/2到3/4。每个换能器4A、4B、4C、4D的工作面(信号发射与接收面)指向固定于风速传感器装置1底部的反射板5。每个换能器4A、4B、4C、4D在顶盖3底面圆周上的安装点与顶盖3底面圆心之间的线段，与该换能器4A、4B、4C、4D的中轴线之间的夹角为45度；反射板5和基座6固定于风速传感器装置1的底部，反射板5上表面与顶盖3底面之间的距离，等于换能器4在顶盖(3底面圆周上的安装点与顶盖3底面圆心之间的距离，而基座6上表面在空间位置上低于反射板5上表面，且基座6上表面与反射板5上表面之间的高度差值为反射板5上表面圆形直径的1/2。

常见的反射式风速仪，其换能器4往往安装在风速仪底部，且换能器4工作面向上指向反射板5，因此换能器4工作面上往往比较容易受风沙和雨雪的影响。而本实用新型所述的风速传感器装置1内，如图2、图3所示，由于换能器组4安装在顶盖3的下底面，且换能器4工作面向下指向反射板5，这种安装方式，大大降低了换能器4工作面上结垢和积雨雪的概率。

图4描述了本实用新型所述的风速传感器装置1内超声波波束的传播路径。如图3、图4所示，换能器4A和4B是属于同一组的换能器组4内，换能器4C和4D是属于另外一组的换能器组4内。同一组内的两个换能器4A和4B(或4C和4D)配合使用，利用超声波波束受风速调制作用的原理，即可测量得到该换能器组4所在的测量通道内的风速，具体过程如下：换能器4A(或4C)首先发射一束超声波波束，由于换能器4A(或4C)的工作面(即信号发射和接受面)指向反射板5，因此该超声波波束将直接打在反射板5上表面，经过反射板5的反弹作用，该超声波波束最终到达换能器4B(或4D)的工作面，利用风速仪电路板2得到超声波波束从换能器4A(或4C)到换能器4B(或4D)的传播时间T_AB(或T_CD)；然后，换能器4B或4D再发射一束超声波波束，同样经过反射板5的反弹作用后，该超声波波束到达换能器4A或4C的工作面，风速仪电路板2得到超声波波束从换能器4A到换能器4B的传播时间T_BA(或T_DC)；进而，该测量通道的风速就可以按照公式k(T_AB-T_BA)(或k(T_CD-T_DC))计算得到，其中，k为固定的系数，具体值由风速仪出厂前标定得到，而(T_AB-T_BA)或(T_CD-T_DC)为超声波在两个换能器4A、4B(或4C、4D)之间的传播时间差。

图5描述了本实用新型应用在雨雪情况下的优势。在雨雪情况下，如图5所示，由于换能器4的安装圆周直径只是顶盖3下底面圆周直径的1/2到3/4，所以顶盖3可以像雨伞一样遮挡住雨雪，使换能器4工作面始终保持干燥。同时，由于反射板5上表面的直径只是顶盖3底面直径的1/2，因而顶盖3也可以对反射板5起到一定的遮挡作用。另外，由于反射板5上表面采用了不易结垢、不易积水的聚四氟乙烯类高分子材料涂层，同时由于雨雪在风力作用下可通过反射板5上表面与基座6上表面之间的导流槽7向外排出，因此，本实用新型在雨雪情况下，仍能较好地保证反射板5不被覆盖，从而保证超声波波束传播路径长度的稳定性，并进而保证风速仪的测量准确性。

图6描述了本实用新型应用在风沙情况下的优势。当带有沙土或尘土的气流流经本实用新型所述的风速传感器装置1时，根据流体力学原理，反射板5上表面的边缘薄壁结构，将对气流形成“切割”作用，如图6所示。被“切割”之后的气流将分为两部分，一部分沿着导流槽7直接排出风速传感器装置1(相应的，该部分气流所携带的沙土或尘土也将通过导流槽7排出)，另外一部分气流将以平行于反射板5上表面的方式流经反射板5上表面，由于该部分气流不带有纵向速度分量，因此气流中的沙土或尘土不会降落并积累在反射板5上表面上。综上所述，本实用新型所述的风速传感器装置1，在风沙情况下，可有效地避免风沙积累在反射板5上表面。

需要指出的是，以上所述者仅为用以解释本实用新型之较佳实施例，并非企图据以对本实用新型作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之实用新型精神下所作有关本实用新型之任何修饰或变更，皆仍应包括在本实用新型意图保护之范畴。

Claims (8)

1.一种反射式超声波风速仪的风速传感器装置，其特征在于，该风速传感器装置由顶盖(3)、换能器组(4)、反射板(5)、基座(6)在空间位置上由上而下依次固定组成，其中，所述换能器组(4)安装在顶盖(3)的下表面，所述换能器组(4)的工作面指向所述反射板(5)，即换能器组(4)的信号发射方向和接收方向指向所述反射板(5)。

2.根据权利要求1所述的反射式超声波风速仪的风速传感器装置，其特征在于，所述顶盖(3)为圆柱形体，且其内部为薄壁中空的腔体，所述腔体内安装有风速仪电路板(2)，所述顶盖(3)的下表面与所述反射板(5)的上表面平行。

3.根据权利要求1所述的反射式超声波风速仪的风速传感器装置，其特征在于，所述换能器组(4)包括四个换能器(4A、4B、4C、4D)，所述四个换能器(4A、4B、4C、4D)在顶盖(3)的下表面上沿圆周等分布安装固定，且该圆周的直径为顶盖(3)下表面圆形直径的1/2～3/4，每个换能器在顶盖(3)下表面的安装点与顶盖(3)下表面的圆心之间的线段与该换能器与相邻换能器的中轴线之间的夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的反射式超声波风速仪的风速传感器装置，其特征在于，所述反射板(5)的上表面为平整的圆形面，该圆形面的直径为顶盖(3)下表面圆形直径的1/2。

5.根据权利要求4所述的反射式超声波风速仪的风速传感器装置，其特征在于，所述反射板(5)上表面涂有聚四氟乙烯类高分子材料的薄涂层。

6.根据权利要求4所述的反射式超声波风速仪的风速传感器装置，其特征在于，所述反射板(5)的上表面与顶盖(3)的下表面之间的距离等于换能器在顶盖(3)上安装点与顶盖(3)下表面圆心之间的距离。

7.根据权利要求1所述的反射式超声波风速仪的风速传感器装置，其特征在于，所述基座(6)的上表面在空间位置上低于所述反射板(5)的上表面，且基座(6)的上表面与反射板(5)的上表面之间的高度差值为反射板(5)的上表面圆形直径的1/2。

8.根据权利要求7所述的反射式超声波风速仪的风速传感器装置，其特征在于，所述基座(6)的上表面与所述反射板(6)的侧面共同形成一个1/4环形的导流槽(7)，该导流槽(7)的入口为水平方向，出口为垂直方向。