[发明专利]带温度修正的三维超声波测风仪及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及风速及风向测量技术领域，特别涉及一种带温度修正的三维超声波测风仪及其测量方法。

背景技术

风是普遍存在的自然现象，由于大气受气压、环流、地形、水域、温度等影响而形成。风影响着农业、水利、环保、海洋等诸多行业，也广泛地影响着我们的生活。目前，对风资源的测量是一种基础测量。

测量风速常用的设备为风速仪，包括风杯式风速仪、动压力式风速仪、热线式风速仪等。其中风杯式风速仪采用机械式原理，利用机械部件旋转来感应风速大小，并结合风向标获得风向。该方法简单可靠，但由于其测量部分具有机械活动部件，在长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，使用范围受限，在恶劣环境下无法使用。动压力式风速仪采用皮托管等传感部件，利用伯努利原理测量风速。但由于在自然风的条件下，空气的动压力相对较小，测量小风速困难，且无法测量风向，所以多年来只能在实验室使用，难以推广。热线式风速仪，将一根细的金属丝放在流体中，当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热线散失的热量与流体的速度之间存在的关系式。其强度比机械式好很多，但是不宜在潮湿，有粉尘的自然条件下使用。

近年来出现了利用超声波信号的多普勒效应测量风速风向的超声波测风仪。超声波测量风速风向没有活动的机械部件，适用于恶劣环境下使用，且其测量精度高，应用范围广。但是，现有的超声波测风仪大部分针对二维风速进行测量，即便有针对三维风速的测量超声波风速仪，但由于超声波探头的设置方式不合理，会对测量的精度带来影响。而且超声波测风仪对于环境温度对声速的影响也没有考虑，使得测量的结果存在误差。

发明内容

本发明提供一种带温度修正的三维超声波测风仪及其测量方法，该测风仪采用新的阵列布设方式和信号处理模式，利用温度传感器进行声速的修正，可以对三维风速进行精确测量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种三维超声波测风仪，包括多个具有超声波收发功能的超声波探头，其特征在于：其中一半的探头位于一个水平面内，另一半的探头位于另一个水平面内，且两个水平面与同一个垂直面垂直相交；一个水平面内的每一个探头，与另一个水平面内相应的探头组成一对超声波探头，相互收发，安装时每一对探头的发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面。

同时，本发明还提供了一种三维超声波测风仪的测量方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：探头1发送超声波信号，探头4接收信号，测量超声波探头1到探头4的收发时间TR14；

步骤二：探头2发送超声波信号，探头5接收信号，测量超声波探头2到探头5的收发时间TR25；

步骤三：探头3发送超声波信号，探头6接收信号，测量超声波探头3到探头6的收发时间TR36；

步骤四：探头4发送超声波信号，探头1接收信号，测量超声波探头4到探头1的收发时间TR41；

步骤五：探头5发送超声波信号，探头2接收信号，测量超声波探头5到探头2的收发时间TR52；

步骤六：探头6发送超声波信号，探头3接收信号，测量超声波探头6到探头3的收发时间TR63；

步骤七：通过温度传感器测量温度，根据温度对声速c进行修正；

步骤八：根据修正后的声速c值和TR14、TR25、TR36、TR41、TR52、TR63计算径向风速；

步骤九：对径向风速进行矢量合成，求得风的三维分量，输出测量结果。

本发明采用超声波技术进行三维风速风向的测量，无活动的机械部件，受外界环境的影响小，适合全天候工作的户外环境。本发明能保证在各种风速条件下风速风向的精确测量。此外本发明还使用温度对声速进行修正，从而提高风速风向的检测精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的超声波测风仪六个超声波探头的位置布置图；

图2是本发明实施例提供的一对超声波探头安装的剖面示意图；

图3是本发明实施例提供的超声波测风仪六个超声波探头配对收发信号的示意图；

图4是本发明实施例提供的超声波测风仪六个超声波探头配对示意图；

图5是本发明实施例提供的超声波测风仪的电路原理框图；

图6是本发明实施例提供的回波放大电路的电路框图；

图7是本发明实施例提供的一个径向方向的传播时间的测量流程图；

图8是本发明实施例提供的带温度修正的超声波测风仪的测量方法流程图；