[发明专利]风洞风速廓线仪及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风洞风速廓线仪及其控制方法，特别是涉及一种基于热膜传感器和无线传感网络的风洞风速廓线仪及其控制方法。

背景技术

土壤风蚀是干旱、半干旱以及部分半湿润地区土地沙漠化与沙尘暴灾害的首要因素，也是世界上许多国家和地区的主要环境问题之一。风沙运动同洪水、干旱和暴风等自然灾害一样危害甚大，它可以掩埋农田牧场、毁坏庄稼并吹走表土和种子，严重侵蚀人类赖以生存的土地。同时，风沙运动还可以阻碍交通、掩埋铁路和公路，危及行车安全。

在我国，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所于1967年建成了第一座大型室内风洞，进行了有关风蚀运动模拟实验，从而开创了我国风蚀运动研究的新局面，常使用风速廓线仪和集沙仪在风洞中模拟自然风进行土壤风蚀研究。

目前，测量风速常用的风速仪有机械式、压差式和热线式等。机械式风速仪主要以风杯和叶轮为感应元件，其响应滞后，加之在风沙环境中可动元件造成的磨损和卡滞，使仪器的可靠性不高，误差较大；压差式风速仪由皮托管配以微压变送器而输出信号，由于连接管路导致的气压沿程损失和在风沙流中导致的皮托管堵塞等现象，影响了风速的测量精度；热线风速仪是基于热传递原理制成的，由于在测量中需要使用一根通电加热的金属细丝(一般为直径为3～5μm的铂丝)置于气流中，易被污染和损坏，影响传热效果，从而降低了测量精度。另外，上述风速仪在数据采集和传输中都需要大量的线路连接，在使用过程中线路也容易导致折弯和折断，一方面影响测量精度，另一方面给测试工作带来诸多不便。

图1示出了现有技术中的风速测量装置的结构示意图。如图1所示，现有技术中的由皮托管和保护箱组成风速测量装置，测量时皮托管连接微差压变送器，将皮托管中接收的气流总压和静压信号通过变送器转换成动压的电信号，此电信号经过调理(如滤波、放大)后输入A/D转换器进行模数转换，再经微机采样系统采集信号，最后用软件对数据进行处理。

图1中所示的风速测量装置存在以下缺陷：(1)系统使用皮托管和长橡胶管作为主要测量元件，灵敏度和精确度差。在一定的风速范围内，用皮托管测得的压气绝对值远小于用静压差测得的差压值，差压传感器的测量误差是一定的，其结果会导致速压测量结果的相对误差增大，因此，皮托管只适合于风速大于4m/s的测量条件；而且在野外工作时，风速传感器的测压孔可能被空气中的灰尘或沙尘堵塞而失去测速作用。此外，连接皮托管和微差压变送器的橡胶管较长时，橡胶管极易弯曲变形造成测量灵敏度降低。而且由于测量系统的惯性，测量介质与被测介质要达到平衡需要一定时间，这使气流的脉动变化要产生一定的时间延迟，在高频脉动气流中，会造成测量结果小于实际值。(2)测量装置连线过多，测点移动不方便。在野外测量风速时，测点会随时移动，而现有风速的采集和数据的处理装置是连接在一起的，移动时需要安装、拆卸，这给测量结果的精度和准确度带来不确定性，同时使用上也不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、性能可行、成本低、便于携带和安装、现场连线简单、使用灵活可靠的风洞风速廓线仪及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：一种风洞风速廓线仪，其特征在于：包括数据采集部、无线数据传输部和控制处理装置，所述数据采集部包括多个热膜探头和数据采集卡；所述无线数据传输部包括无线发送设备和无线接收设备，所述热膜探头与所述数据采集卡连接，所述热膜探头采集到的风速信号经校准后转换成电压信号送到所述数据采集卡中的A/D转换器，从而使所述数据采集卡完成对所述热膜探头的输出的风速信号的采集，并将其采集到的风速数据发送给所述无线发送设备；所述无线发送设备将其接收到的风速数据以无线的方式发送给所述无线接收设备，所述控制处理装置与无线接收设备连接，从而获取所述无线接收设备接收到的风速数据，并对其获取到的风速数据进行分析和处理。

进一步，所述无线发送设备分时地将其接收到的风速数据向外发送。

进一步，每个所述热膜探头被构建为传感器节点，进一步，优选地，所述传感器节点组成传感器网络。

进一步，所述控制处理装置包括插值运算模块、数据存储模块和结果数据分析模块。

进一步，所述插值运算模块用于将电流形式的风速数据转换成相应的风速值。

进一步，所述热膜探头在竖直方向上的分布满足对数关系。

进一步，所述数据采集部和无线发送设备是可移动的。