[實用新型]自校準超聲波風速測量裝置

有效

• 申請號: 201220566465.X
• 申請日: 2012-10-31
• 公開（公告）號: CN202903820U
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 金龍浩;張學科
• 申請（專利權）人: 大連金天科技發展有限公司
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01P13/02;G01P21/00;G01P21/02
• 代理公司: 大連非凡專利事務所 21220
• 代理人: 閃紅霞

技術領域

本實用新型涉及一種超聲波風速測量裝置，尤其是一種可以精確測量風速、風向的自校準超聲波風速測量裝置。

背景技術

以往，對于風速風向的測量基本上是采用由風杯、風向標、葉片組成的機械式風速風向儀。機械式風速風向儀不僅在使用過程中受低溫、沙塵等環境限制，而且其機械部分也極易磨損老化，無法保證長期可靠運行，其測量范圍窄（2~40m/s）、誤差大（大于2%）且不能測量瞬時風速。為此，目前普遍使用的是超聲波風速風向儀。超聲波風速風向儀與機械式風速儀相比，不含有運動部件，無機械磨損，可靠性高、使用壽命長；環境適應性好，可滿足風沙、高低溫（-40~70℃）等惡劣環境的使用且可測量瞬時風速；精度相對較高，測量范圍大，已廣泛應用于環境監測、風電、氣象、隧道、航海、航空等領域。

現有超聲波風速風向儀一般采用點對點時差法測量風速。硬件結構是設有MCU控制模塊，與MCU控制模塊相接有超聲發射模塊、探頭溫度傳感器、加熱模塊及通信模塊，超聲接收模塊通過回波處理模塊與MCU控制模塊相接，與超聲發射模塊及超聲接收模塊相接有可安裝在一維（X）、兩維（X、Y）或三維（X、Y、Z）的同一維A、B兩點的超聲波探頭組（多對超聲波探頭）。測試方法是啟動后超聲波收發模塊，獲得在同一維（X、Y或Z）超聲波傳播路徑上來回傳播時間（Tab、Tba），再根據公式????????????????????????????????????????????????計算出矢量風在一維/兩維/三維上的分量（D為超聲波探頭間距），經過矢量合成運算得到標準坐標系下兩維/三維風速，并用三角函數方法計算風向θ，通過通信模塊輸出風速風向。現有風速風向儀安裝時，使用指北針調整風向原點與方位南/北對齊，由于安裝過程存在測量方位誤差，為此需要安裝后再用軟件調整補償。所設置的探頭溫度傳感器可適時檢測探頭溫度，通過加熱模塊控制探頭溫度。現有超聲波風速風向儀存在如下問題：

1．由于公式中的D是恒定不變的設計值（預設值），因此所測風速精度依賴于探頭間距的精度，如探頭間距在加工、裝配或使用過程中發生改變，則所測量風速誤差隨之呈正比變化；

2．安裝后軟件調整補償操作繁瑣，費時費力。特別是在如車船、移動平臺等運動設備頂部安裝風速風向儀，風向角度會隨設備基座移動而變換，重新定向不僅麻煩也容易引起誤差，影響所測風向精度。

發明內容

本實用新型是為了解決現有技術所存在的上述技術問題，提供一種可以精確測量風速、風向的自校準超聲波風速測量方法。

本實用新型的技術解決方案是：一種自校準超聲波風速測量裝置，設有MCU控制模塊，與MCU控制模塊相接有超聲發射模塊、探頭溫度傳感器、加熱模塊及通信模塊，超聲接收模塊通過回波處理模塊與MCU控制模塊相接，與超聲發射模塊及超聲接收模塊相接有超聲波探頭組，其特征在于：與所述MCU控制模塊相接有環境溫度傳感器。

與所述MCU控制模塊相接有電子羅盤。

與所述MCU控制模塊相接有通道切換模塊，所述通道切換模塊分別控制超聲發射模塊及回波處理模塊。

本實用新型是通過所設置的環境溫度傳感器采集超聲波環境溫度參數，可適時計算超聲波傳播速度，并通過超聲波探頭間雙向超聲波傳播時長適時計算超聲波探頭間距，當發生嚴重機械形變導致超聲波探頭間距改變時，仍可以精確測量風速、風向。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例1的電路原理框圖。

具體實施方式

下面將結合附圖說明本實用新型的具體實施方式。如圖1所示：與現有技術相同，設有MCU控制模塊，與MCU控制模塊相接有超聲發射模塊、探頭溫度傳感器、加熱模塊及通信模塊，超聲接收模塊通過回波處理模塊與MCU控制模塊相接，與超聲發射模塊及超聲接收模塊相接有超聲波探頭組，與現有技術所不同的是與MCU控制模塊相接有環境溫度傳感器、電子羅盤，與MCU控制模塊還相接有通道切換模塊，通道切換模塊分別控制超聲發射模塊及回波處理模塊。

通過所設置的環境溫度傳感器可以采集超聲波環境溫度，可按公式Vs=?331.3+0.607*C?，計算超聲波在空氣中的傳播速度Vs；按公式?計算同一維超聲波探頭間距D；按公式計算風速Vw、風向θ；輸出風速風向。即使發生嚴重機械形變導致超聲波探頭間距改變時，仍可以精確測量風速、風向。

所設置的電子羅盤可使風速儀自動校準北，省去因安裝校準所存在的誤差和麻煩，只需要將本實用新型固定到建筑物的頂端，風向方位原點即可自動判斷定位。

所設置的通道切換模塊可選用6選1電子開關，以支持6通道超聲波發送和接收切換，保證在超聲波發射和接收時，超聲波探頭組內有一條超聲波傳播路徑是打開的。