TWI832466B - 基於三孔皮托管之風速量測方法及其裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種基於三孔皮托管之風速量測方法及其裝置，其包含：配置一中央管體，並於其兩側分別設置一側管體，使該中央管體係與所述側管體相互並排；擷取該中央管體係與所述側管體內之壓力值；依據位於所述側管體之壓力值該中央管體之壓力值之對比值以求得一風向參數，並將該風向參數代入壓力參數，以求得一實際壓力值；藉此，本發明整體之配置簡易，並可用以配置於一自由車之前端處，藉可精確量測騎乘者於騎乘時之所受之風向與風速，令騎乘者可精確得知其目前騎乘時所受之風阻者。
Description
本發明係提供一種基於三孔皮托管之風速量測方法及其裝置，尤指一種透過中央管體及側管體，以透過其內部分別之壓力訊號以求得一實際壓力值，進而可得知所受之風向與風速者。
按，隨著現代自由車的誕生自由車運動隨之興起，並在第1屆奧運會上將自由車競賽列入正式比賽項目；隨後更是發展出數以百種之賽事，如：公路賽、山地賽、室內計時賽的多種賽事，在這其中最為著名賽事為平均賽事距離超過3500公里的環法自由車賽（Tour de France）；現今各國選手為了在比賽中取的更好的成績，對於選手訓練方式、自行車車體設計、各式配套設備投入大量資源進行研究，這使的自行車比賽的平均速度不斷上升，但人體的體能是有限的，因此如何在相同功率輸出中能提升功率的運用就顯得非常重要；在騎乘過程中造成功率損耗的主要是機械摩擦力與空氣阻力，前者在現今金屬工藝的發展下已經非常微小，因此空氣阻力的部分成為各國研究的主要目標。
於自由車競技中，空氣阻力是選手最大的阻力，據相關風洞實驗發現，在騎乘時速達50公里（風速約13.9 m/s）以上時，空氣動力阻力約莫佔總阻力的90%，而其中人體又佔空氣動力阻力的70%，而若能減少空氣阻力，就意味著選手能比競爭對手更快或更省力。
然而，量測空氣阻力與阻力係數（Cd）並非容易，僅能於風洞環境內使用複雜的儀器測量，而在真實騎乘環境中要取得準確的阻力係數，便有兩大難題要克服，其一是騎手的迎風面積，以及真實風速的量測；而現有對真實風速及方向之量測發展較少，且亦未見有具體且簡易之量測之裝置，導致對於選手所受風阻仍無法精確的進行量測。
有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究真實風速之量測，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。
爰是，本發明之目的係為解決前述問題，為達致以上目的，吾等發明人提供一種基於三孔皮托管之風速量測裝置，其包含：一座體，其一端設有一中央管體，並於該中央管體兩側分別設有一側管體，該中央管體係與所述側管體並排設置，且所述側管體係具有一切角，藉以令該中央管體係與所述側管體間呈一楔形；該中央管體係與所述側管體分別配置有一壓力感測單元，用以分別量測其壓力值；以及一處理單元，其係耦接於所述壓力感測單元，並依據位於所述側管體之壓力值該中央管體之壓力值之對比值以求得一風向參數，將風向參數代入一角度關係式以求得一風向偏角值，並將該風向偏角值代入壓力關係式，以求得一壓力參數，並依據該壓力參數及所述壓力值以求得一實際壓力值者。
據上所述之基於三孔皮托管之風速量測裝置，其中，所述側管體與其管口平面之切角係介於40度至60度之間。
據上所述之基於三孔皮托管之風速量測裝置，其中，該處理單元更設有一傳輸模組，其係訊號連結於一通訊裝置，該傳輸模組係用以將該實際壓力值傳輸至該通訊裝置者。
據上所述之基於三孔皮托管之風速量測裝置，其中，該通訊裝置為電腦或智慧型手機。
據上所述之基於三孔皮托管之風速量測裝置，其中，該風向參數
與該中央管體係與所述側管體之壓力值之關係方程式為：
=
；
其中，
為該中央管體之壓力值；
分別為相異之所述側管體之壓力值；
為所述側管體之平均值。
據上所述之基於三孔皮托管之風速量測裝置，其中，該壓力參數
與該中央管體係與所述側管體之壓力值之關係方程式為：
=
；
其中，
為該實際壓力值。
本發明另提供一種基於三孔皮托管之風速量測方法，其步驟包含：配置一中央管體，並於其兩側分別設置一側管體，使該中央管體係與所述側管體相互並排；且所述側管體係具有一切角，藉以令該中央管體係與所述側管體間呈一楔形；擷取該中央管體係與所述側管體內之壓力值；以及依據位於所述側管體之壓力值該中央管體之壓力值之對比值以求得一風向參數，將風向參數代入一角度關係式以求得一風向偏角值，並將該風向偏角值代入壓力關係式，以求得一壓力參數，並依據該壓力參數及所述壓力值以求得一實際壓力值者。
據上所述之基於三孔皮托管之風速量測方法，其中，所述側管體與其管口平面之切角係介於40度至60度之間。
是由上述說明及設置，顯見本發明主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：
1.本發明整體之配置簡易，僅需將中央管體及側管體並排設置，並透過於側管體形成切角，令中央管體與側管體間形成楔形，即可配置於一自由車之前端之一定角度範圍內，即可藉由中央管體及側管體之壓力值，據以換算其整體之實際壓力值及風阻，藉可精確量測騎乘者於騎乘時之所受之風向與風速，令騎乘者可精確得知其目前騎乘時所受之風阻者。
關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供 鈞上深入了解並認同本發明。
請先參閱第1圖至第3圖所示，本發明係一種基於三孔皮托管之風速量測方法及其裝置，其量測方法之步驟係包含：
S001：配置一中央管體1，並於其兩側分別設置一側管體2，使該中央管體1係與所述側管體2相互並排；在一實施例中，為利於中央管體1及側管體2之配置，故係透過設置有一座體3，並於一端形成一固接孔31，且於該固接孔31內並排設置該中央管體1係與所述側管體2；而所述側管體2於相對該座體3一端係具有一切角𝜙，藉以令該中央管體1係與所述側管體2間呈一楔形，並如第4圖及第5圖所示者，本發明所述之切角，係所述側管體2與其管口平面之角度，其角度在一實施例中，係介於40度至60度之間。
S002：擷取該中央管體1係與所述側管體2內之壓力值，其中，該中央管體1及側管體2係如現有皮托管之設置，故可知悉者，中央管體1係與所述側管體2分別配置有一壓力感測單元4，用以分別量測其壓力值，其中，中央管體1及側管體2內之壓力感測單元4，其主要係據以量測總壓及靜壓P
s，並可藉由其差值而求得動壓P，故可藉由下數學式1以求得流體之速度V：
【數學式1】
；
其中，
為流體之密度。
而於本發明中，主要係透過量測其壓力值，並據以計算出風向與風速，其原理是利用皮托管與來流有夾角時會導致壓力變化的特性，故藉由將中央管體1與側管體2間形成楔形之設計，以量測來流之流向（yaw angle）；
S003：呈前所述，本發明係依據位於所述側管體2之壓力值該中央管體1之壓力值之對比值以求得一風向參數，將風向參數代入一角度關係式以求得一風向偏角值，其中風向偏角值為中央管體1及側管體2與實際風向間之角度，並將該風向偏角值代入壓力關係式，以求得一壓力參數，並依據該壓力參數及所述壓力值以求得一實際壓力值者。
具體而言，該風向參數
與該中央管體1係與所述側管體2之壓力值之關係方程式為下數學式2所示：
【數學式2】
=
；
其中，
為該中央管體1之壓力值；
分別為相異之所述側管體2之壓力值；
為所述側管體2之平均值。
據此，即可透過風向參數
及角度關係式來據以判斷風向及其風向偏角值，故可藉以將其代入壓力關係式，以求得一壓力參數
，透過其風向偏角值0度時的壓力與有風向偏角值時壓力間之差異，以反向推算出在風向偏角值0度時的壓力，其即為實際壓力值
，而壓力參數
與該中央管體1係與所述側管體2之壓力值之關係方程式，係如下數學式3所示：
【數學式3】
=
。
而在一具體之實施例中，本發明係配置一處理單元5，其係耦接於所述壓力感測單元4，且該處理單元5係可接收所述壓力感測單元4量測之壓力值，並據以如前所述求得風向參數及實際壓力值。
而為令使用者可得知當前所受之實際壓力或風速，故在一實施例中，係可於該處理單元5設置有一傳輸模組51，其係訊號連結於一通訊裝置6，該傳輸模組51係可據以透過有線或無線方式，將該實際壓力值傳輸至該通訊裝置6，而在一較佳之實施例中，該通訊裝置6為電腦或智慧型手機，該傳輸模組51係可透過無線網路或藍芽，藉以與通訊裝置6進行訊號連結，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定。
藉此，如第6圖所示者，本發明係可將座體3配置於一自由車7之前端，並令中央管體1及側管體2朝向自由車之前方；而在一風洞實驗中，本發明係透過側管體2相異之切角進行風洞實驗，並於切角（Wedge Angle）於20、30、45及55度時，其分別與風向參數
及壓力參數
之關係圖，如第7圖及第8圖所示，由圖中，其線性區域（R²至1）之範圍可定義為其有效範圍，因此可判斷於本實施例中，較佳之切角為55度，並如第9圖所示者，其係切角為55度，且風速為7.7m/s時之風向參數
與風向偏角值之關係圖，其中，而由第9圖所示者，此情形下所可得風向偏角值最大的線性相關性區間為正負25度之間，故中央管體1及側管體2之風向偏角值配置係以正負25度之間配置為較佳者；此外，如第10圖所示，透過量測中央管體1及側管體2之壓力值，即可如前述之數學式2求得風向參數
，而由前述風洞實驗中，可得10圖所示之偏角與風向參數
之關係圖，並可據以進行線性回歸求得該角度關係式，因此，透過將風向參數
代入該角度關係式，即可得出現行之風向。
續如第11圖至第13圖所示，其係風洞實驗中，切角為55度時，風向偏角值與壓力參數
之關係圖，並可據以將第13圖中各點進行線性回歸，以求得風向偏角值θ與壓力參數
間之壓力關係式，故如前述者，將風向偏角值代入壓力關係式即可求得一壓力參數
，並依據數學式3，即可求得於風向偏角值為0度時之壓力，此即為實際壓力值P
t。
而於一實施例中，本發明之壓力關係式係如下數學式4所示：
【數學式4】
= 2E-05θ
3+ 0.0002θ
2+ 0.0011θ + 0.0007
在一第一實驗例中，本發明係安裝於自由車7之把手下方，於環境風速為1至2 m/s5之環境下進行騎乘實驗，其透過GPS量測之行進速度與本發明所測得之風速，第14圖所示，由於風速較低，且於風向穩定的環境中，量測到的風速與實際行進速度相差較小。
續於具有平均風速為5.6m/s環境風速之環境進行實驗，其係本發明之第二實驗例，自由車之騎乘速度為5-10m/s，本發明所量測之結果如第15圖及第16圖所示者，此時之風向基本都落在正負25度左右，且超過6成的風向落在正負15度內，故其皆於本發明之有效量測區間內，此外，因本發明所量測之風向係自由車的前進速度與環境風速之耦合，故所得到的風速計風向會比環境風向小。
綜上所述，顯見本發明確實可據以準確量測出具體之真實風向及風速，藉可有助於令使用者知悉其當下所騎乘之環境風速及阻力，且其數據亦可用來進行相關騎乘之分析，使利於相關產業之發展者。
綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈 鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。
惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:中央管體
2:側管體
3:座體
31:固接孔
4:壓力感測單元
5:處理單元
51:傳輸模組
6:通訊裝置
第1圖係本發明之立體示意圖。
第2圖係本發明之系統架構示意圖。
第3圖係本發明之流程圖。
第4圖係本發明側管體切角為45度時之示意圖。
第5圖係本發明側管體切角為55度時之示意圖。
第6圖係本發明安裝於自由車時之立體示意圖。
第7圖係本發明於不同切角下，其風向參數與偏角值之關係圖。
第8圖係本發明於不同切角下，其壓力參數與偏角值之關係圖。
第9圖係本發明於切角為55度時，風向參數與偏角值之關係圖。
第10圖係本發明於切角為55度時，風向參數與偏角值之線性關係圖。
第11圖係本發明於切角為55度時，壓力參數與偏角值之關係圖。
第12圖係本發明於切角為55度時，壓力參數與偏角值之局部關係放大圖。
第13圖係本發明於切角為55度時，壓力參數與偏角值之局部關係放大圖。
第14圖係本發明於第一實驗例之騎乘速度對比實際風速之比較圖。
第15圖係本發明於第二實驗例之風向圖。
第16圖係本發明於第二實驗例之風速圖。
1:中央管體
2:側管體
3:座體
31:固接孔
Claims (6)
- 一種基於三孔皮托管之風速量測裝置，其包含：一座體，其一端設有一中央管體，並於該中央管體兩側分別設有一側管體，該中央管體係與所述側管體並排設置，且所述側管體係具有一切角，藉以令該中央管體係與所述側管體間呈一楔形；該中央管體係與所述側管體分別配置有一壓力感測單元，用以分別量測其壓力值；以及一處理單元，其係耦接於所述壓力感測單元，並依據位於所述側管體之壓力值與該中央管體之壓力值之對比值以求得一風向參數；該風向參數k β 與該中央管體係與所述側管體之壓力值之關係方程式為：
為所述側管體之平均值；界定一角度關係式，其係依據一風洞實驗中，將一風向之偏角與該風向參數進行線性回歸求得者；將風向參數代入該角度關係式以求得一風向偏角值；界定一壓力關係式，其係依據該風洞實驗中，將該風向偏角值與一實驗壓力參數進行線性回歸求得，用以將該風向偏角值代入該壓力關係式，以求得一壓力參數，並依據該壓力參數及所述壓力值以求得一實際壓力值；且該壓力參數k t 與該中央管體係與所述側管體之壓力值之關係方程式為：
- 如請求項1所述之基於三孔皮托管之風速量測裝置，其中，所述側管體與其管口平面之切角係介於40度至60度之間。
- 如請求項1所述之基於三孔皮托管之風速量測裝置，其中，該處理單元更設有一傳輸模組，其係訊號連結於一通訊裝置，該傳輸模組係用以將該實際壓力值傳輸至該通訊裝置者。
- 如請求項3所述之基於三孔皮托管之風速量測裝置，其中，該通訊裝置為電腦或智慧型手機。
- 一種基於三孔皮托管之風速量測方法，其步驟包含：配置一中央管體，並於其兩側分別設置一側管體，使該中央管體係與所述側管體相互並排；且所述側管體係具有一切角，藉以令該中央管體係與所述側管體間呈一楔形；擷取該中央管體係與所述側管體內之壓力值；以及依據位於所述側管體之壓力值該中央管體之壓力值之對比值以求得一風向參數，該風向參數k β 與該中央管體係與所述側管體之壓力值之關係方程式為：
為所述側管體之平均值；界定一角度關係式，其係依據一風洞實驗中，將一風向之偏角與該風向參數進行線性回歸求得者；將風向參數代入該角度關係式以求得一風向偏角值；界定一壓力關係式，其係依據該風洞實驗中，將該風向偏角值與一實驗壓力參數進行線性回歸求得，用以將該風向偏角值代入該壓力關係式，以求得一壓力參數，並依據該壓力參數及所述壓力值以 求得一實際壓力值；且該壓力參數k t 與該中央管體係與所述側管體之壓力值之關係方程式為：
；其中，p t 為該實際壓力值。
- 如請求項5所述之基於三孔皮托管之風速量測方法，其中，所述側管體與其管口平面之切角係介於40度至60度之間。
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| JP6091884B2 (ja) * | 2012-12-21 | 2017-03-08 | 株式会社日立製作所 | 地上風計測システム |
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| CN111856072A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-10-30 | 中国汽车工程研究院股份有限公司 | 一种气流速度计算方法、系统、设备及一种存储介质 |
-
2022
- 2022-10-03 TW TW111137604A patent/TWI832466B/zh active
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| CN111856072A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-10-30 | 中国汽车工程研究院股份有限公司 | 一种气流速度计算方法、系统、设备及一种存储介质 |
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