CN205562587U - 超声波风速风向仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波风速风向仪，包括发射接收控制电路、信号放大滤波电路、FPGA主控芯片、数模转换电路、四个超声波收发一体换能器，四个超声波收发一体换能器分别匹配连接一路发射接收电路，四个发射接收电路均与发射接收控制电路信号连接，发射接收控制电路的信号输出端与信号放大滤波电路连接，信号放大滤波电路的信号输出端与数模转换电路连接，FPGA主控芯片同时连接有温度检测模块、加热模块、模拟输出模块、RS485数字输出模块、发射接收控制电路和数模转换电路。本实用新型具有很好的稳定性，没有机械磨损，产品的耐久性能良好，不容易出现故障；风速测量范围大；能够确保在极寒地区的稳定、长时间使用。

Description

超声波风速风向仪

技术领域

本实用新型涉及一种风速风向监测设备，具体涉及一种超声波风速风向仪。

背景技术

传统风速风向仪是由两个独立的风速传感器和风向传感器构成。

风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。

风向传感器的变换器为码盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中的转动，产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出。传感器的变换器可采用精密导电塑料电位器，从而在电位器活动端产生变化的电压信号输出。

目前传统风速风向仪由于是通过机械式的转动配合光电传感器把机械信号转换成电信号，所以传统机械式风速风向仪需要最小启动风速足以吹动三杯风组件并带动风向轴才能实现风速风向的测试，长时间工作机械组件会容易因磨损产生的故障和测误；风速过大时，又容易损坏三杯风组件和杯架；在极寒天气下，机械转动组件会因为结冰而转动失效。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种超声波风速风向仪。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种超声波风速风向仪，包括发射接收控制电路、信号放大滤波电路、FPGA主控芯片、数模转换电路、四个超声波收发一体换能器，四个所述超声波收发一体换能器分别匹配连接一路发射接收电路，四个所述发射接收电路均与所述发射接收控制电路信号连接，所述发射接收控制电路的信号输出端与所述信号放大滤波电路连接，所述信号放大滤波电路的信号输出端与所述数模转换电路连接，所述FPGA主控芯片同时连接有温度检测模块、加热模块、模拟输出模块、RS485数字输出模块、所述发射接收控制电路和所述数模转换电路。

优选地，四个所述超声波收发一体换能器两两相对成180°且每对超声波传感器间距离相等，并安装在同一水平面上。

优选地，所述发射接收控制电路、所述信号放大滤波电路、所述FPGA主控芯片、所述数模转换电路、四个所述发射接收电路、所述温度检测模块、所述加热模块、所述模拟输出模块和所述RS485数字输出模块均通过金属外壳密封。

优选地，所述温度检测模块的探头与所述金属外壳接触，所述加热模块的加热元件布置在所述金属外壳的表面。

优选地，所述金属外壳设置有顶盖，四个所述超声波收发一体换能器均位于所述金属外壳的顶盖的下方，四个所述超声波收发一体换能器均以45°角朝向所述金属外壳的顶盖。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型采用超声波时差法的相关结构进行风速风向的测量，超声波信号在静态介质中的速度无关，与温度湿度及介质也无关，因此具有很好的稳定性，没有机械磨损，产品的耐久性能良好，不容易出现故障；风速测量范围大、无最小起动风速；采用全金属外壳，内置加热功能，外部环境温度过低时，可以启动加热功能，确保在极寒地区的稳定、长时间使用。

附图说明

图1是本实用新型所述超声波风速风向仪的结构框图；

图2为以南北方向的风速测量为例的风速风向分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型包括发射接收控制电路、信号放大滤波电路、FPGA主控芯片、数模转换电路、四个超声波收发一体换能器，四个超声波收发一体换能器分别匹配连接一路发射接收电路，四个发射接收电路均与发射接收控制电路信号连接，发射接收控制电路的信号输出端与信号放大滤波电路连接，信号放大滤波电路的信号输出端与数模转换电路连接，FPGA主控芯片同时连接有温度检测模块、加热模块、模拟输出模块、RS485数字输出模块、发射接收控制电路和数模转换电路。

发射接收控制电路、信号放大滤波电路、FPGA主控芯片、数模转换电路、四个发射接收电路、温度检测模块、加热模块、模拟输出模块和RS485数字输出模块均通过金属外壳密封。温度检测模块的探头与金属外壳接触，加热模块的加热元件布置在金属外壳的表面。金属外壳设置有顶盖，四个超声波收发一体换能器均位于金属外壳的顶盖的下方，四个超声波收发一体换能器均以45°角朝向金属外壳的顶盖。

下面对本专利中各个部件的功能进行描述：

超声波收发一体换能器：

本方案用到四个超声波收发一体换能器，作用是把电信号与超声波信号进行相互转换。

发射接收电路：

四个超声波收发一体换能器分别与之匹配一路发射接收电路，其作用是：发射时为超声波收发一体换能器提供高压电压，接收时为接收到的微弱信号提供通路，并隔离直流。

发射接收控制电路：

其作用是控制超声波收发一体换能器的发射和接收的状态，确保同一时刻只有一个换能器处理发射状态，也只有对应的一个超声波换能器处于接收状态，保持四个超声波换能器处于正确的接收逻辑状态。

信号放大滤波电路：

其作用是把超声波换能器接收到的微弱电压信号放大到FPGA主控芯片可以接受的范围，并对接收到的信号进行滤波处理，除去噪声信号。

模数转换模块：

其作用是把经过放大后的模拟电压信号转换为数字信号，并发送到FPGA主控芯片。

FPGA主控芯片：

其作用是用来存储程序，控制整个电路的工作的逻辑状态，控制超声波的发射和接收，计算收发过程的时间差并转换成相对应的风速和风向值，编码输出至模拟和数据接口。

温度检测模块：

其作用是实时检测超声波风速风向仪金属外壳的温度。

加热模块:

其作用是用来加热超声波风速风向仪的金属外壳，避免表面结冰。

实施例：

本方案用到四个超声波收发一体换能器，两对超声波收发一体换能器相互垂直放置，两两相对成180°且每对超声波收发一体换能器间距离相等，并安装在同一水平面上，分别表示东、南、西、北，相对的两个超声波探头信号的传播是通过金属外壳顶盖上的相应反射面来实现的，以相同频率发射超声波信号并测量其顺、逆向的传播时间。

如图2所示，以南北方向的风速测量为例进行分析：

$t_1=\frac{L}{c+vcos\mathrm{\θ}}$

$t_2=\frac{L}{c-vcos\mathrm{\θ}}$

$vcos\mathrm{\θ}=\frac{L}{2}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

其中，t₁为超声波顺风传送的时间，t₂为逆风传送的时间，L为收发探头之间的距离，c为声速，vcosθ为南北方向的风速。

由上述公式推导分析可得，通过测量顺风传播和逆风传播的时间，可得到即时的风速。在超声波探头距离固定的情况下，风速与信号飞行时间相关，与超声信号在静态介质中的速度无关，与温度湿度及介质也无关。

本实用新型所述超声波风速风向仪具有以下优点：

测量范围大：

全程采用电子电路进行测量采集，没有机械磨损，在大风速情况下也能稳定运行，不会因为风速过大而受损。

恶劣环境适应能力强：

采用全金属密封外壳，电路工作部分全都安装在金属外壳内部，外部恶劣环境不会对其产生影响，温度达低于设定值时，自动启动加热功能，使得风速风向仪不会因为温度过低而结冰冻坏。

精度高：

采用超声波时差法的原理，超声波在空气中的传播的稳定性很好，1秒钟可以采样200次，配合温度补偿算法，可以得到更加精准的风速风向值。

无需要最小起动风速：无需现场调校。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种超声波风速风向仪，其特征在于：包括发射接收控制电路、信号放大滤波电路、FPGA主控芯片、数模转换电路、四个超声波收发一体换能器，四个所述超声波收发一体换能器分别匹配连接一路发射接收电路，四个所述发射接收电路均与所述发射接收控制电路信号连接，所述发射接收控制电路的信号输出端与所述信号放大滤波电路连接，所述信号放大滤波电路的信号输出端与所述数模转换电路连接，所述FPGA主控芯片同时连接有温度检测模块、加热模块、模拟输出模块、RS485数字输出模块、所述发射接收控制电路和所述数模转换电路。

2.根据权利要求1所述的超声波风速风向仪，其特征在于：四个所述超声波收发一体换能器两两相对成180°且每对超声波传感器间距离相等，并安装在同一水平面上。

3.根据权利要求1所述的超声波风速风向仪，其特征在于：所述发射接收控制电路、所述信号放大滤波电路、所述FPGA主控芯片、所述数模转换电路、四个所述发射接收电路、所述温度检测模块、所述加热模块、所述模拟输出模块和所述RS485数字输出模块均通过金属外壳密封。

4.根据权利要求3所述的超声波风速风向仪，其特征在于：所述温度检测模块的探头与所述金属外壳接触，所述加热模块的加热元件布置在所述金属外壳的表面。

5.根据权利要求3所述的超声波风速风向仪，其特征在于：所述金属外壳设置有顶盖，四个所述超声波收发一体换能器均位于所述金属外壳的顶盖的下方，四个所述超声波收发一体换能器均以45°角朝向所述金属外壳的顶盖。