一種帶有雷射校準功能的超聲波測風儀的製作方法

2023-05-14 23:17:21 1

本實用新型涉及風速風向的測量儀器，具體涉及一種帶雷射校準功能的超聲波測風儀，可應用於風力發電機組的風速風向測量。

背景技術：

風速儀在氣象、民航、公路、農業和新能源領域都發揮著重要的作用。目前超聲波式風速儀已經成為風速儀應用和發展的主流。超聲波測風儀同時測量了風速、風向，一秒可以測量上百次，測量精度高，響應速度快，使用壽命長，取代了傳統的機械式風速計、風向標，在風電機組上得到了廣泛使用。作為風電機組的「順風耳」和「千裡眼」，風速、風向數據對風力發電機組高效運轉至關重要。

目前的超聲波式風速風向儀主要是基於時差法和相位差法的測量原理，超聲波測風儀的風向零度方向往往需要明顯標示在測風儀的顯著位置。用戶在使用時，則需要人眼按照標示的風向零度方向和風電機組機頭方向對準安裝，這種安裝方式常常使得安裝方向發生誤差，進而導致測量結果發生偏差。

此外，不同風電機組對風速、風向數據要求不同，例如有的機組要求風速、風向數據為模擬信號0～10V輸入，0V代表0風速和風向零度，10V代表50m/s風速和風向359.9度，以此類推；有些風電機組要求風速、風向數據為電流環信號4～20mA；有些風電機組要求風速信號為頻率信號，頻率越大風速值越大，風向為格雷碼信號；有些風電機組要求風速、風向為數字RS485信號，協議為VDT協議或NMEA協議等。由於風電機組對風速、風向數據要求不同，目前，沒有一種測風儀能兼容多種風速、風向數據輸出類型，同時兼容多種風電機組的使用。

由此可見，上述現有的超聲波測風儀在結構與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種帶有雷射校準功能的超聲波測風儀，使其安裝精度高，從而使得風向和風速測量結果準確度高、偏差小，克服現有的測風儀在安裝時採用人眼判斷校準常發生誤差的不足。

為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案：

一種帶有雷射校準功能的超聲波測風儀，包括殼體，所述殼體上安裝有多個超聲波探頭以及用於反射超聲波的反射體，所述殼體上還安裝有雷射器，所述雷射器沿所述測風儀的風向零度方向向下傾斜設置。

作為進一步地改進，所述雷射器沿所述測風儀的風向零度方向向下傾斜25～45度。

所述殼體包括間隔一定距離設置的底殼和上蓋，所述底殼側壁上安裝所述雷射器，所述底殼頂部設有安裝臺，所述安裝臺上安裝所述超聲波探頭；所述上蓋底部設置所述反射體，所述反射體具有與所述安裝臺相對的超聲波反射面。

所述底殼側壁上設有傾斜安裝孔，所述雷射器通過螺紋連接固定在所述傾斜安裝孔中。

所述超聲波探頭為4個，4個超聲波探頭沿同心圓周均勻布置，且均以45度指向所述反射面的中心線。

所述超聲波探頭外部套有膠套，所述膠套內部設有用於卡緊所述超聲波探頭的卡臺。

所述底殼底部設有風向零度指示缺口，所述上蓋頂部設置有風向零度指示標記。

所述底殼內部頂端和/或所述上蓋內部還設有用於防止冰凍的加熱電路。

所述底殼內部設有：通過風速風向測量電路與所述超聲波探頭連接、用於計算風速和風向的CPU單元；以及與所述CPU單元連接、用於輸出風速和風向數據的輸出接口單元。

所述輸出接口單元包括分別與所述CPU單元連接的多個轉換電路，用於支持多種通訊協議下的輸出形式。

由於採用上述技術方案，本實用新型至少具有以下優點：

(1)由於設置了雷射器，使得測風儀在安裝使用時可以方便的通過雷射器發射雷射進行位置校準，在風電機組機艙上安裝時，可以方便地實現測風儀零度風向和風電機組的機頭位置對準，安裝精度高。

(2)測風儀底殼內部頂端和/或所述上蓋內部設有用於防止冰凍的自動加熱電路，可以使測風儀在低溫下不結冰，超聲波探頭保持在正常工作溫度範圍內。

(3)底殼內部的輸出接口單元包括多個轉換電路，用於支持多種通訊協議下的輸出形式，可滿足在聯合動力、金風、歌美颯、華銳、GE、VESTAS、遠景等多種風電機組上直接使用，而無需額外配置協議轉換設備。

附圖說明

上述僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，以下結合附圖與具體實施方式對本實用新型作進一步的詳細說明。

圖1是本實用新型的超聲波測風儀的結構示意圖。

圖2是底殼結構中雷射器安裝示意圖。

圖3是本實用新型的超聲波測風儀雷射器發射光線角度示意圖。

圖4是本實用新型的超聲波測風儀在機艙上實施雷射校準示意圖。

圖5是圖4中超聲波測風儀安裝位置放大示意圖。

具體實施方式

本實用新型提供一種帶有雷射校準功能的超聲波測風儀，在安裝使用時可以方便的通過雷射器發射雷射進行位置校準，具有安裝精度高、測量結果精準的優點。應用於風電機組時，可以方便地在機艙上實施安裝校準，將測風儀零度風向和機頭對準。

本實用新型所述的帶有雷射校準功能的超聲波測風儀，包括殼體，所述殼體上安裝有多個超聲波探頭以及用於反射超聲波的反射體，作為本實用新型最主要的改進，所述殼體上還安裝有雷射器，所述雷射器沿所述測風儀的風向零度方向向下傾斜設置。

請參閱圖1、2所示，所述的超聲波測風儀的殼體包括間隔一定距離設置的底殼6和上蓋1，其中，所述底殼6頂部設有安裝臺41，所述安裝臺41上安裝多個超聲波探頭42，所述上蓋1底部設置反射體2，所述反射體2具有與安裝臺41相對的超聲波反射面。所述底殼6底部還設有風向零度指示缺口，所述上蓋1頂部設有風向零度指示標記。所述雷射器5傾斜安裝在底殼6的側壁上，從而使其發射的雷射與測風儀的風向零度方向成一銳角夾角α。

請配合參閱圖3所示，風向零度指向與雷射器5發出的光線在垂直方向的投影重合，在機艙上使用本實用新型的測風儀，設測風儀安裝在高度為h的立杆上，雷射器5發出的光線在機艙上投影的水平距離為l，此時測風儀的安裝高度h與雷射束在機艙上的投影距離l之間的關係為：l/h＝cotα。因此，根據測風儀通常的安裝高度(一般h為1.5米)和機艙長度設計合理的安裝角度，上述夾角α優選為25～45度，即雷射器5與所述測風儀的縱向軸線之間的夾角為45～65度。示例性地，在機艙上1.5米的立杆上安裝本實用新型的測風儀，按三角函數可以計算出雷射器5發射的雷射會打到機艙上距離測風儀水平大約1.5至2.5米左右的位置，便於操作員在對應位置測量雷射束落點並調整測風儀的零度方向。具體應用時，請配合參閱圖4、5所示，超聲波測風儀安裝在機艙上的支架位置A或者位置B處，調節超聲波測風儀使得雷射器5發出的雷射在機艙上形成的光點與機艙中線距離D和測風儀與機艙中線距離C相等，即說明測風儀風向零度對準了風機的機頭方向。

進一步地，所述底殼6的內部頂端和/或所述上蓋1的內部還設置用於防止冰凍的加熱電路。較佳地，所述加熱電路自動加熱控溫，底殼6內部設置溫度傳感器，用於採集工作環境溫度，根據所述溫度傳感器採集的環境溫度所述加熱電路自動控溫加熱，以使本實用新型的超聲波測風儀在低溫下不結冰，所述超聲波探頭42能夠保持在正常工作溫度範圍內。

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型的帶有雷射校準功能的超聲波測風儀進行詳細說明。

作為具體的實施例，如圖1所示，本實用新型的帶有雷射校準功能的超聲波測風儀包括上蓋1、底殼6，上蓋1底端設置反射體2，底殼6頂端設置安裝臺41，所述上蓋1和反射體2通過螺釘連接，兩者接觸面設置有密封圈。安裝臺41和反射體2通過4個空心螺栓3連接，接觸面為螺紋連接並設置有密封圈。安裝臺41和底殼6通過螺釘連接，接觸面設置有密封圈。安裝臺41上設置4個超聲波探頭42，4個超聲波探頭42沿同心圓周均勻布置(其中1個探頭42設置在風向零度上)，且均以45度指向所述反射體2的超聲波反射面的中心軸線。為更有效的反射聚集發射來的超聲波信號並反射給發射探頭對向的探頭，所述反射面的中心設置成球面。所述超聲波探頭42從底殼6內部安裝，探頭42外部套裝有膠套，所述膠套內部設有用於卡緊所述超聲波探頭42的卡臺，可防止探頭沿軸向移動，膠套和安裝臺41接觸面設置有密封膠，可實現防水減震。此外，底殼6內部填充合適的材料，並在底部預留氣壓平衡孔。

如圖2所示，底殼6的側壁上設置傾斜安裝孔，雷射器5通過螺紋連接固定在該傾斜安裝孔內，且連接處設置有密封圈。安裝後，雷射器5發射的雷射束與測風儀的風向零度方向成一銳角夾角α。本例中設置夾角α為30度，則請配合圖3所示，即雷射器5與測風儀軸線成60度夾角。因此，如圖4、5中所示，在風電機組上安裝上述超聲波測風儀時，超聲波測風儀安裝在機艙上的位置A或者位置B處，由於支架高度h已知，距離l可通過計算獲知，因此，在機艙上的距離l處尋找雷射器5發出的雷射落點，並測量其與機艙中線距離D，再與測風儀離機艙中線的距離C相比較，若相等，即說明測風儀風向零度對準了風機的機頭方向。

為保障本實用新型的超聲波測風儀在冰凍天氣能夠正常工作，在所述上蓋1和反射體2的內部設置有半導體加熱電路，所述安裝臺41內部也設置有半導體加熱電路，以保持超聲波探頭42在正常溫度範圍內工作。加熱電路支持自動工作模式，即上電自動工作直至溫度達到硬體設定溫度，以保障上蓋1和安裝臺41不會被冰雪覆蓋結冰。

底殼6內部還設置CPU單元及輸出接口單元，CPU單元通過風速風向測量電路與超聲波探頭42連接，所述風速風向測量電路用於控制超聲波探頭42發射、接收時序、獲取反射回波信號，CPU單元負責計算風速和風向大小，輸出接口單元包括分別與所述CPU單元連接的多個轉換電路，可實現支持多種通訊協議下的輸出形式，支持的通訊協議形式包括：頻率、電流環、電壓、RS485(NEMA、VDT)等。CPU單元根據風電機組的主控系統的請求，根據風電機組通訊協議的不同，切換轉換電路和通訊協議，從而將數據成功傳送至不同風電機組的主控系統。

由於採用了以上技術方案，本實用新型的超聲波測風儀，通過在殼體上自帶安裝校準用雷射器，安裝精度高，測量結果精準；此外，通過設置具有多個轉換電路的輸出接口，能夠與不同的風電機組匹配，支持多種風速、風向輸出類型。

以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，並非對本實用新型作任何形式上的限制，本領域技術人員利用上述揭示的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本實用新型的保護範圍內。