帶溫度修正的三維超聲波測風儀及其測量方法技術

本發明專利技術公開了一種帶溫度修正的三維超聲波測風儀及其測量方法。所述超聲波測風儀，包括多個具有超聲波收發功能的超聲波探頭，其特征在于：其中一半的探頭位于一個水平面內，另一半的探頭位于另一個水平面內，且兩個水平面與同一個垂直面垂直相交；一個水平面內的每一個探頭，與另一個水平面內相應的探頭組成一對超聲波探頭，相互收發，安裝時每一對探頭的發射面相互平行，且其中心連線垂直于兩個發射面。該測風儀采用新的陣列布設方式和信號處理模式，利用溫度傳感器進行聲速的修正，可以對三維風速進行精確測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及風速及風向測量
，特別涉及一種。
技術介紹
風是普遍存在的自然現象，由于大氣受氣壓、環流、地形、水域、溫度等影響而形成。風影響著農業、水利、環保、海洋等諸多行業，也廣泛地影響著我們的生活。目前，對風資源的測量是一種基礎測量。測量風速常用的設備為風速儀，包括風杯式風速儀、動壓力式風速儀、熱線式風速儀等。其中風杯式風速儀采用機械式原理，利用機械部件旋轉來感應風速大小，并結合風向標獲得風向。該方法簡單可靠，但由于其測量部分具有機械活動部件，在長期暴露于室外的工作環境下容易磨損，使用范圍受限，在惡劣環境下無法使用。動壓力式風速儀采用皮托管等傳感部件，利用伯努利原理測量風速。但由于在自然風的條件下，空氣的動壓力相對較小，測量小風速困難，且無法測量風向，所以多年來只能在實驗室使用，難以推廣。熱線式風速儀，將一根細的金屬絲放在流體中，當流體沿垂直方向流過金屬絲時，將帶走金屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫度下降。根據強迫對流熱交換理論，可導出熱線散失的熱量與流體的速度之間存在的關系式。其強度比機械式好很多，但是不宜在潮濕，有粉塵的自然條件下使用。近年來出現了利用超聲波信號的多普勒效應測量風速風向的超聲波測風儀。超聲波測量風速風向沒有活動的機械部件，適用于惡劣環境下使用，且其測量精度高，應用范圍廣。但是，現有的超聲波測風儀大部分針對二維風速進行測量，即便有針對三維風速的測量超聲波風速儀，但由于超聲波探頭的設置方式不合理，會對測量的精度帶來影響。而且超聲波測風儀對于環境溫度對聲速的影響也沒有考慮，使得測量的結果存在誤差。
技術實現思路
本專利技術提供一種，該測風儀采用新的陣列布設方式和信號處理模式，利用溫度傳感器進行聲速的修正，可以對三維風速進行精確測量。為達到上述目的，本專利技術采用如下技術方案來實現一種三維超聲波測風儀，包括多個具有超聲波收發功能的超聲波探頭，其特征在于其中一半的探頭位于一個水平面內，另一半的探頭位于另一個水平面內，且兩個水平面與同一個垂直面垂直相交；一個水平面內的每一個探頭，與另一個水平面內相應的探頭組成一對超聲波探頭，相互收發，安裝時每一對探頭的發射面相互平行，且其中心連線垂直于兩個發射面。同時，本專利技術還提供了一種三維超聲波測風儀的測量方法，其特征在于包括下述步驟步驟一探頭I發送超聲波信號，探頭4接收信號，測量超聲波探頭I到探頭4的收發時間TR14 ；步驟二 探頭2發送超聲波信號，探頭5接收信號，測量超聲波探頭2到探頭5的收發時間TR25 ；步驟三探頭3發送超聲波信號，探頭6接收信號，測量超聲波探頭3到探頭6的收發時間TR36 ；步驟四探頭4發送超聲波信號，探頭I接收信號，測量超聲波探頭4到探頭I的收發時間TR41 ；步驟五探頭5發送超聲波信號，探頭2接收信號，測量超聲波探頭5到探頭2的收發時間TR52 ；步驟六探頭6發送超聲波信號，探頭3接收信號，測量超聲波探頭6到探頭3的收發時間TR63 ；步驟七通過溫度傳感器測量溫度，根據溫度對聲速c進行修正；步驟八根據修正后的聲速c值和TR14、TR25、TR36、TR41、TR52、TR63計算徑向風速；步驟九對徑向風速進行矢量合成，求得風的三維分量，輸出測量結果。本專利技術采用超聲波技術進行三維風速風向的測量，無活動的機械部件，受外界環境的影響小，適合全天候工作的戶外環境。本專利技術能保證在各種風速條件下風速風向的精確測量。此外本專利技術還使用溫度對聲速進行修正，從而提高風速風向的檢測精度。附圖說明圖1是本專利技術實施例提供的超聲波測風儀六個超聲波探頭的位置布置圖；圖2是本專利技術實施例提供的一對超聲波探頭安裝的剖面示意圖；圖3是本專利技術實施例提供的超聲波測風儀六個超聲波探頭配對收發信號的示意圖；圖4是本專利技術實施例提供的超聲波測風儀六個超聲波探頭配對示意圖；圖5是本專利技術實施例提供的超聲波測風儀的電路原理框圖；圖6是本專利技術實施例提供的回波放大電路的電路框圖；圖7是本專利技術實施例提供的一個徑向方向的傳播時間的測量流程圖；圖8是本專利技術實施例提供的帶溫度修正的超聲波測風儀的測量方法流程圖；圖9是本專利技術實施例提供的溫度測量的流程圖。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術所述內容作詳細說明。本專利技術的三維超聲波測風儀，包括多個具有超聲波收發功能的超聲波探頭，其特征在于其中一半的探頭位于一個水平面內，另一半的探頭位于另一個水平面內，且兩個水平面與同一個垂直面垂直相交；一個水平面內的每一個探頭，與另一個水平面內相應的探頭組成一對超聲波探頭，相互收發，安裝時每一對探頭的發射面相互平行，且其中心連線垂直于兩個發射面。下面的實施例將以六個超聲波探頭的超聲波測風儀為例進行說明，本領域技術人員根據下述實施例的記載，可以將測風儀的超聲波探頭擴充為其他數目，并進行適應的修改。圖1是本專利技術實施例提供的超聲波測風儀六個超聲波探頭的位置布置圖。超聲波探頭1、探頭2、探頭3位于一個水平面內，呈等邊三角形；超聲波探頭4、探頭5、探頭6位于另一個水平面內，呈等邊三角形；且兩個水平面與同一個垂直面垂直相交，其中探頭1、探頭3、探頭4、探頭5位于同一個垂直面內，呈長方形，探頭1、探頭2、探頭5、探頭6位于同一個垂直面內，呈長方形，探頭2、探頭3、探頭4、探頭6位于同一個垂直面內，呈長方形。圖2是本專利技術實施例提供的一對超聲波探頭安裝的剖面示意圖。安裝時，每一對超聲波探頭的發射面相互平行，且其中心連線垂直于兩個發射面。圖3是本專利技術實施例提供的超聲波測風儀六個超聲波探頭配對示意圖。其中探頭1、探頭4為一對，安裝時其發射面相互平行，且其中心連線垂直于兩個發射面，這一對探頭間信號的收發時間分別為TR14、TR41 ;探頭2、探頭5為一對，安裝時其發射面相互平行，且其中心連線垂直于兩個發射面，這一對探頭間信號的收發時間分別為TR25、TR52 ;探頭3、探頭6為一對，安裝時其發射面相互平行，且其中心連線垂直于兩個發射面，這一對探頭間信號的收發時間分別為TR36、TR63。圖4是本專利技術提供的三維風速的空間分量示意圖。在空間坐標系中，定義風速的三維矢量為東向、北向、垂直向上為正。一對探頭沿傳播方向的路徑為L，其與垂直線的夾角為0。圖5是本專利技術實施例提供的超聲波測風儀的電路原理框圖。其中超聲波模塊中由六個超聲波探頭構成陣列，按照圖1的方式進行布設。收發切換電路實現對發射信號/接收信號與換能器(圖中未示出)的連接，控制信號的收/發狀態。當系統工作在發射狀態時，通過收發切換電路將出超聲波探頭與發射驅動電路相連；發射驅動電路對產生的六路發射信號分別進行驅動放大，使得信號放大到足以推動超聲波探頭工作；此時超聲波探頭發出超聲波信號。當系統處于接收狀態時，超聲波探頭接收信號；通過收發切換電路將出超聲波探頭與回波放大電路相連；回波放大電路對接收到的信號進行放大。溫度傳感器檢測電路檢測環境溫度，實現對聲速的修正，并用修正后的聲速進行風速的計算。主控制器實現整個超聲波測風儀的運算和控制功能。圖6是本專利技術實施例提供的回波放大電路的電路框圖。回波放大電路包括六路前置放大電路、N選I選擇電路、帶通濾波器、門限比較器。其中六路前置放大電路首先對接收到的回波信號進行放大，送入N選I選擇電路，然后進入帶通濾波器進行處理，接著進入門限比較器，門限本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三維超聲波測風儀，包括多個具有超聲波收發功能的超聲波探頭，其特征在于：其中一半的探頭位于一個水平面內，另一半的探頭位于另一個水平面內，且兩個水平面與同一個垂直面垂直相交；一個水平面內的每一個探頭，與另一個水平面內相應的探頭組成一對超聲波探頭，相互收發，安裝時每一對探頭的發射面相互平行，且其中心連線垂直于兩個發射面。

【技術特征摘要】
1.一種三維超聲波測風儀，包括多個具有超聲波收發功能的超聲波探頭，其特征在于其中一半的探頭位于一個水平面內，另一半的探頭位于另一個水平面內，且兩個水平面與同一個垂直面垂直相交；一個水平面內的每一個探頭，與另一個水平面內相應的探頭組成一對超聲波探頭，相互收發，安裝時每一對探頭的發射面相互平行，且其中心連線垂直于兩個發射面。2.根據權利要求1所述的測風儀，其特征在于，所述的測風儀包括6個探頭，按照以下方式進行布設其中探頭1、探頭2、探頭3位于一個水平面內，呈等邊三角形；探頭4、探頭5、探頭6位于另一個水平面內，呈等邊三角形；且兩個水平面與同一個垂直面垂直相交，其中探頭1、探頭3、探頭4、探頭5位于同一個垂直面內，呈長方形，探頭1、探頭2、探頭5、探頭6位于同一個垂直面內，呈長方形，探頭2、探頭3、探頭4、探頭6位于同一個垂直面內，呈長方形。3.根據權利要求2所述的測風儀，其特征在于，其中探頭1、探頭4為一對，探頭2、探頭5為一對，探頭3、探頭6為一對。4.根據權利要求2所述的測風儀，其特征在于，所述測風儀的電路模塊包括超聲波模塊、收發切換電路、發射驅動電路、回波放大電路、主控制器以及溫度傳感器檢測電路；所述超聲波模塊中由所述6個探頭構成陣列，按照權利要求2所述的方式進行布設；收發切換電路控制信號的收/發狀態；發射驅動電路對產生的六路發射信號分別進行驅動放大；回波放大電路對接收到的回波信號進行放大；主控制器進行運算和控制；溫度傳感器檢測電路檢測環境溫度，實現對聲速的修正，所述測風儀使用修正后的聲速進行風速風向的計算。5.根據權利要求4所述的測風儀，其特征在于，所述回波放大電路中包括六路前置放大電路、N選I選擇電路、帶通濾波器、門限比較器；其中六路前置放大電路首先對接收到的回波信號進行放大，送入N選I選擇電路，然后...

【專利技術屬性】
技術研發人員：彭燕，陳克堅，趙煥軍，肖科，黃巍，羅英南，
申請(專利權)人：湖南賽能環保科技有限公司，
類型：發明
國別省市：