[發明專利]一種風電場三維超聲波風速溫度檢測系統及其測量方法

有效

• 申請號: 201310081265.4
• 申請日: 2013-03-14
• 公開（公告）號: CN103163324A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 汪寧渤;夏慧;劉光途;劉國強;路亮;黃欣;馬彥宏;李士強;趙龍;李艷紅;王定美;鄧棋文;馬明
• 申請（專利權）人: 甘肅省電力公司;中國科學院電工研究所
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01P13/02;G01K11/24
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

1.一種風電場三維超聲波風速溫度檢測系統，其特征在于，所述的檢測系統主要由底座（1）、超聲波換能器陣列、支撐架組件、電路模塊和上位機組成；所述的支撐架組件固定在底座（1）上，所述的超聲波換能器陣列安裝在支撐組件上，超聲波換能器與電路模塊連接，超聲波換能器發送和接收的信號經電路模塊處理后送入上位機（22），上位機（22）實現風速風向溫度采集和風速溫度分析的功能，并進行數據處理和存儲。

2.根據權利要求1所述的風電場三維超聲波風速溫度檢測系統，其特征在于，所述的超聲波換能器陣列包括6只超聲波換能器，6只超聲波換能器分成三組，三組之間成120°夾角布置：每一組超聲波換能器中的兩個超聲波換能器相對布置，交替發射超聲波信號，并接收與之對向布置的超聲波換能器發出的超聲波信號。

3.根據權利要求1所述的風電場三維超聲波風速溫度檢測系統，其特征在于，所述的支撐架組件由不銹鋼筒（2）、支撐架（3）和6個測量臂組成；不銹鋼筒（2）的底部固定在底座（1）上，不銹鋼筒（2）的上部連接支撐架（3），不銹鋼桶（2）的中心軸與（1）垂直；電路模塊置于不銹鋼筒（2）內；支撐架（3）為C形結構；所述的6個測量臂分成兩組，一組固定在支撐架（3）的上端，另一組固定在支撐架（3）的下端；測量臂成弧形彎曲，測量臂的另一端連接超聲波換能器；所述的支撐架（3）與測量臂內部為空腔，超聲波換能器與電路模塊之間連接的導線穿過此空腔。

4.根據權利要求3所述的風電場三維超聲波風速溫度檢測系統，其特征在于，所述的6個測量臂中,第一測量臂（4）、第二測量臂（6）和第三測量臂（8）為一組，固定在支撐架（3）的下端：第四測量臂（11）、第五測量臂（13）和第六測量臂（14）為另一組，固定在支撐架（3）的上端。

5.根據權利要求1所述的風電場三維超聲波風速溫度檢測系統，其特征在于，所述的電路模塊包括中央處理單元（20）、超聲波驅動電路（17）、超聲波收發處理電路（18）、信號調理單元（19）、串口驅動單元（21）及電源單元（23）；電路模塊置于不銹鋼筒（2）內，電路模塊通過導線與超聲波換能器連接；中央處理單元（20）的控制端連接超聲波驅動電路（17）的控制端和超聲波收發處理電路（18）的計數單元；電源單元（23）連接中央處理單元（20）、超聲波驅動電路（17）、超聲波收發處理電路（18）、信號調理單元（19）和串口驅動單元（21）的電源輸入端，為電路模塊的各單元供電。

6.應用權利要求1所述的檢測系統測量溫度的方法，其特征在于，所述的方法是利用聲速和虛溫之間的對應關系，根據計算得到的聲速，進一步計算得到虛溫，在已知測量區域歷年化學組分的情況下通過查找法對計算得到的虛溫進行補償，得到溫度值。

7.根據權利要求6所述的測量溫度的方法，其特征在于，所述的測量溫度方法是利用時差法分別計算得到第一超聲波換能器（5）和第六超聲波換能器（15）相對直線方向上的風速V1，第二超聲波換能器（7）和第五超聲波換能器（12）相對直線方向上的風速V2，第三超聲波換能器（9）和第四超聲波換能器（14）相對直線方向上的風速V3；然后根據所述的風電場三維超聲波風速溫度檢測系統的架設方位，確定風速V1、風速V2和風速V3三個方向在水平方向上的投影與地理坐標系統的夾角，假設夾角為θ，則計算得到水平方向平行風速V_x和垂直風速V_y以及垂直方向的風速V_z：

其中為超聲波換能器與中心垂直軸的夾角，本發明中為60°；

已知V_x、V_y、V_z，則可以得到平均風速V以及水平風向角φ：

V=Vx2+Vy2+Vz2]]>

φ=arctan(VxVy)]]>

利用參考空氣濕度為0%的干空氣進行假設：

T_v＝c²/402.31466-273.15

其中c為計算得到的聲速T_v為超聲波測量計算得到的虛溫；虛溫與正常溫度之間的近似的關系為：

T_r＝T_v-0.135K*m³/g*a

其中T_r是實際空氣溫度，T_v是通過超聲波設備測量的虛溫，a是每立方米空氣中水分子的質量；然后再根據檢測區域歷年化學組分的變化情況對計算得到的虛溫進行補償，得到溫度值。