超聲波風速儀及運用超聲波測量風速和風向的方法

2023-04-24 12:10:11 2

專利名稱：超聲波風速儀及運用超聲波測量風速和風向的方法
技術領域：
本發明涉及風速及風向測量技術領域，特別涉及一種超聲波風速儀及運用超聲波 測量風速和風向的方法。
背景技術：
目前現有的風速儀主要包括機械式風速儀和熱敏式風速儀。其中，機械式風速儀 主要是通過風力帶動葉輪轉動獲得基本測量信息，將葉輪轉動的角速度或葉輪的轉數 轉化為電信號，並以此測算出風速。但這種風速儀對測量環境要求比較高，而且由於 未解決儀器密封問題，因此在北方沙塵暴天氣中無法正常工作，在低溫環境下還會因 結冰而將運動部件卡死；同時，機械式風速儀由於存在較多運動部件，導致了運動部 件磨損快和使用壽命短等缺點；此外，由於受機械結構及測量原理的限制，機械式風 速儀的靈敏度較低。另一種熱敏式風速儀，主要原理是將物體加熱至一定的溫度，然 後置於氣流中，通過測量被加熱的物體的熱量損失來計算風速。但是熱敏式風速儀是 將溫度作為基本測量參數，因此容易受環境溫度變化影響，只適用於測量低風速。發明內容本發明的目的在於提供一種通過超聲波進行風速和風向測量的設備以及運用超 聲波測量風速和風向的方法。該設備通過相對固定的兩對超聲波發射/接收探頭測量沿 空氣傳播的正反兩個不同方向發射的超聲波到達接收端的時間差，運用時差法計算出 空氣流動速度和方向，解決了由動作部件獲得測量信息的技術問題。同時也解決了現 有技術測量精度底、使用壽命短以及受環境影響大等多個技術問題。為實現上述目的，本發明提供了一種超聲波風速儀，包括底座、控制電路板、 四個測量臂和四個超聲波發射/接收探頭；所述四個測量臂分別與所述底座相連，並且 依次相鄰成90度夾角；所述四個超聲波發射/接收探頭分別安裝在所述四個測量臂遠 離所述底座的一端；在所述四個超聲波發射/接收探頭中，相對成180度角的兩對超聲波發射/接收探頭在同一水平面，並且與所述底座間的垂直距離相等。本發明提供的超聲波風速儀的控制電路板上安裝有中央處理單元，用於進行數 據處理，並發出各種控制指令；電源電路，用於從外部輸入電源並進行電壓變換，為 系統提供所需各種電源電壓；方波產生電路，用於產生方波脈衝；超聲波收發電路， 與所述方波產生電路相連接，用於接收和發射超聲波；時間測量電路，與所述方波產 生電路和所述超聲波收發電路相連接，用於測量超聲波在空氣中的傳播時間；數字通 信電路，與所述中央處理單元相連接，用於接收外部指令，並與所述中央處理單元間 進行數據傳輸；模擬通訊電路，與所述中央處理單元相連接，用於將測量的風速和風 向轉變成電流輸出；模擬開關電路，與所述數字通信電路及所述模擬通訊電路相連接， 用於選擇不同的數據輸出方式。本發明提供的超聲波風速儀還包括安裝在每個測量臂內的加熱器，用於對所述 超聲波發射/接收探頭進行加熱；相應的，在所述測量臂內還安裝有溫度測量電路，用 於測量環境溫度，並將測量結果傳入所述中央處理單元；相應的，在所述控制電路板 上還安裝有加熱電路，在所述中央處理單元的控制下控制所述加熱器工作；所述加熱 電路與所述加熱器通過導線相連接。本發明提供的超聲波風速儀的控制電路板可安裝於所述底座內。 本發明提供的超聲波風速儀的底座可為圓柱體或立方體。 本發明還提供了一種運用超聲波測量風速和風向的方法，所述方法包括 用第一超聲波發射/接收裝置和第三超聲波發射/接收裝置分別測量接收到來自對 方發送的超聲波的時間；用第二超聲波發射/接收裝置和第四超聲波發射/接收裝置分別測量接收到來自對方發送的超聲波的時間；根據測量到的時間、所述第一超聲波發射/接收裝置和第三超聲波發射/接收裝置 間的距離及所述第二超聲波發射/接收裝置和第四超聲波發射/接收裝置間的距離計算 出風速和風向。本發明提供的運用超聲波測量風速和風向的方法中，所述第一超聲波發射/接收 裝置與第三超聲波發射/接收裝置在同一水平面;所述第二超聲波發射/接收裝置與第四超聲波發射/接收裝置在同一水平面。本發明提供的運用超聲波測量風速和風向的方法中，所述第一超聲波發射/接收 裝置、第二超聲波發射/接收裝置、第三超聲波發射/接收裝置和第四超聲波發射/接收 裝置依次相鄰成90度夾角，並且所述第一超聲波發射/接收裝置和第三超聲波發射/接 收裝置相對，所述第二超聲波發射/接收裝置和第四超聲波發射/接收裝置相對。本發明提供的運用超聲波測量風速和風向的方法中，所述第一超聲波發射/接收 裝置和第三超聲波發射/接收裝置間的距離與所述第二超聲波發射/接收裝置和第四超 聲波發射/接收裝置間的距離相等。本發明與現有技術相比的有益效果是本發明利用超聲波技術進行風速和風向的 測量，由於沒有動作部件，因此不受環境影響，能夠適用於惡劣氣候條件下風速的測 量，真正實現全天候可靠工作，並且在使用中不需要特別維護，節約了儀器的維護費 用，延長了儀器的使用壽命。同時本發明運用超聲波測量風速和風向的方法易於實現， 所需設備結構簡單，可適用於各種惡劣的測量環境，保證了測量結果準確，提高了測 量精度。


圖1是本發明實施例1提供的超聲波風速儀結構示意圖；圖2是本發明實施例1提供的控制電路板內部電氣原理框圖；圖3是本發明實施例1提供的中央處理單元單片機電路原理圖；圖4是本發明實施例1提供的400KHZ方波產生電路和時間測量電路原理圖；圖5是本發明實施例1提供的超聲波發射和接收電路原理圖；圖6是本發明實施例1提供的超聲波發射和接收電路工作波形圖；圖7是本發明實施例1提供的模擬輸入電路原理圖；圖8是本發明實施例1提供的4-20mA模擬輸出電路原理圖； 圖9是本發明實施例1提供的一次時間測量的流程圖； 圖10是本發明實施例1提供的加熱電路原理圖；圖11是本發明實施例2提供的運用超聲波測量風速和風向的方法原理示意圖；圖12是本發明實施例2提供的運用超聲波測量風速和風向的方法流程圖。
具體實施方式
為使發明的目的、技術方案更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一 步地詳細描述。 實施例1參見圖1，本發明實施例提供的超聲波風速儀包括底座1、控制電路板和安裝在底 座上的四個測量臂第一測量臂21、第二測量臂22、第三測量臂23和第四測量臂24。 底座l為圓柱體，四個測量臂分別被安裝在底座1頂端同一水平面，並且相鄰的測量 臂之間依次成90度夾角。測量臂由中空的不鏽鋼管彎折而成，在每個測量臂的頂端分 別安裝有由超聲波傳感器構成的超聲波發射/接收探頭，分別是第一超聲波發射/接收 探頭31、第二超聲波發射/接收探頭32、第三超聲波發射/接收探頭33和第四超聲波發 射/接收探頭34。第一超聲波發射/接收探頭31與第三超聲波發射/接收探頭33安裝於 同一水平面，並且兩探頭31和33到底座1頂端的垂直距離相等，這樣可以使第一超 聲波發射/接收探頭31與第三超聲波發射/接收探頭33間準確地相互發射和接收超聲 波；同樣的，第二超聲波發射/接收探頭32與第四超聲波發射/接收探頭34安裝於同一 水平面，兩探頭32和34到底座1頂端的垂直距離相等，這樣可以使第二超聲波發射/ 接收探頭32與第四超聲波發射/接收探頭34間準確地相互發射和接收超聲波。在本發 明的具體實施過程中，可以將四個超聲波發射/接收探頭安裝在同一水平面內，這樣四 個超聲波發射/接收探頭與底座1頂端的垂直距離都相等。為使超聲波風速儀的外型簡 潔，便於移動，本實施例提供的超聲波風速儀的底座內部設計為空腔結構，超聲波發 射/接收探頭與控制電路板通過導線連接，控制電路板安裝於底座l內。為使結構更加穩固，本實施例中的每根測量臂從與底座連接端至安裝超聲波發射/ 接收探頭端經過三次彎折成型。在實際設計製造過程中，各測量臂彎折段的長度及彎 折曲度可以根據具體需要來確定，要保證相對的兩對超聲波發射/接收探頭能夠相互準 確地發射或接收超聲波即可。測量臂及底座可以採用不鏽鋼、銅等較堅固的材質製成。 另外，本實施例中的底座1還可以設計成立方體或圓錐體等不同形狀。在實際應用中，本實施例中的四個超聲波發射/接收探頭可以選用工作頻率為 400KHz的超聲波傳感器FUS-400A來實現，該傳感器既可作為發射也可作為接收來使 用，解決了要分立安裝超聲波發射探頭和接收探頭的困難。圖2示出了實施例1中提供的控制電路板內部電氣原理框圖，具體包括超聲波收發電路44、方波產生電路42、時間測量電路43、數字通信電路45、模擬通訊電路 46、電源電路47、中央處理單元41 (CPU)和模擬開關電路50。中央處理單元41，用於進行數據處理，並發出各種控制指令。在實際應用中，中 央處理單元41可以採用TI公司生產的低功耗16位單片機MSP430F1611IPM來實現， 它可以完成各種指令的發出，計算風速、風向和空氣溫度等參數。圖3示出了該單片 機的電路原理圖，單片機MSP430F1611IPM內部集成有兩路12位的數模轉換器，輸 出電壓範圍是0-2.5伏，外加電壓/電流轉換電路就可實現4-20mA電流輸出；單片機 MSP430F1611IPM內部還集成有8路12位A/D，外部輸入的0-10V模擬信號經分壓電 路和隔離放大器IS0124和外部隔離，得到0-2.5V信號，直接輸入到單片機 MSP430F1611IPM進行模數轉換。電源電路47，用於從外部輸入電源並進行電壓變換，為系統提供所需各種電源電 壓。電源電路47實現直流電壓到直流電壓的變換(DC-DC)，由外部輸入24V (±10%) 電源，電源電路輸出端輸出土5V、 土15V和24V五種直流電壓，分別為各有源器件提 供電源。方波產生電路42，用於產生方波脈衝；時間測量電路43，與方波產生電路42和 超聲波收發電路44相連接，用於測量超聲波在空氣中的傳播時間。在實際應用中，時 間測量電路43和方波產生電路42可以集成在LATTICE公司生產的可編程邏輯控制器 LC4256V-75TN100I內來實現，該晶片的最高工作頻率為133MHz，本實施例中電路設 計工作頻率為lOOMHz。 LC4256V-75TN100I內有兩大模塊24位計數器和400KHz 方波產生模塊。圖4示出了 400KHz方波產生電路和時間測量電路的原理圖。超聲波收發電路44，與方波產生電路42相連接，用於接收和發射超聲波。圖5 示出了超聲波收發電路44的電路原理圖，該電路的工作波形如圖6所示。數字通信電路45，與中央處理單元41相連接，用於接收外部指令，並與中央處 理單元41間進行數據傳輸。在實際應用中，為了保證長距離可靠的信號傳輸，數字通 信電路45可以採用RS485電路來完成，該電路主要由MAXIM公司生產的 RS485/RS422轉換晶片MAX1485構成，MAX1485由外部引腳控制它工作在全雙工或 半雙工模式。模擬通訊電路46，與中央處理單元41相連接，用於將測量的風速和風向轉變成電流輸出。在實際應用中，為了保證長距離精確的信號傳輸，模擬通訊電路46可以採 用模擬輸入電路和4-20mA模擬輸出電路來完成，把測量的風速和風向轉變成電流輸 出，例如4mA代表風速或風向為零，20mA代表風速和風向的最大值。圖7示出了模 擬輸入電路的原理圖，圖8示出了 4-20mA模擬輸出電路的原理圖。模擬開關電路50，與數字通信電路45及模擬通訊電路46相連接，用於選擇不 同的數據輸出方式。其中，數字通信電路45和模擬通訊電路46保證了超聲波風速儀可以進行數字信 號和模擬信號的傳輸，增加了測量的可靠性。本實施例提供的超聲波風速儀的工作原理為圖9示出了超聲波風速儀完成一次時間測量的流程圖，24位計數器等待中央處理單元41的控制啟動信號，當24位計數器收到控制啟動信號後，24位計數器復位；，啟動400KHz的方波產生模塊，發射50us的超聲波信號，經變壓器升壓驅動超聲波發射探頭髮出超聲波，同時啟動計時器；超聲波收發電路收到超聲波後，對接收到的微弱超聲波信號進行放大和整形，並輸出方波，觸發計數器停止計數。根據計數器的計數值7V，及LC4256V-75TN100I工作頻率為lOOMHz，超聲波在空氣中的傳播時間可以通過式(1)計算得到formula see original document page 9(1)滿x106其中，iv為計數器的計數值，r為超聲波在空氣中的傳播時間，單位為秒。 另外，當超聲波風速儀在低溫(溫度低於o攝氏度)環境下使用時，超聲波發射/ 接收探頭上會因結冰而導致靈敏度降低，為了使超聲波風速儀可以在低溫環境下正常工作，在本發明實施例提供的控制電路板上還可以安裝有溫度測量電路48加熱電路 49，相應的，還在每個測量臂內靠近超聲波發射/接收探頭處安裝加熱器。其中，溫度 測量電路48，用於測量環境溫度，並將測量結果傳入中央處理單元41;加熱電路49， 在中央處理單元41的控制下控制加熱器工作；加熱器，用於對超聲波發射/接收探頭 進行加熱；加熱電路與加熱器通過導線相連接。在實際應用中，溫度測量電路48可以 採用Tl公司生產的數字溫度傳感器TMP175AID來實現，該溫度傳感器在-25攝氏度 到85攝氏度的準確度為1.5攝氏度，解析度為0.0625攝氏度，接口為兩線接口；溫度測量電路48將測量到的環境溫度參數傳送至中央處理單元41;中央處理單元41根據 溫度參數向加熱電路49，發送控制指令；加熱電路49接收到控制指令後，驅動加熱 器對超聲波發射/接收探頭進行加熱，圖IO示出了加熱電路原理圖。加熱電路49內的 溫度控制可以選用LM26CIM5-NPA集成器件來實現，該器件集成有溫度傳感器和報 警電路，可輸出一個和溫度成正比的電壓信號。中央處理單元41內部的模數轉換器採 樣這個電壓並計算出溫度。例如當環境溫度低於10攝氏度時，加熱電路開始工作， 並由溫控電路把溫度維持在20攝氏度；當溫度高於20攝氏度時，加熱器停止加熱。 LM26CIM5-NPA的另外功能是報警功能，如果中央處理單元41出現故障接通加熱電路49，當溫度達到45攝氏度時，強行關閉加熱器。本實施例提供的超聲波風速儀結構簡單，沒有動作部件，克服了現有技術中依靠 動作部件進行風速測量的缺陷，將環境因素對測量結果的幹擾降到最低。另外，本實 施例提供的超聲波風速儀在0攝氏度以下的低溫環境中仍然可以正常工作，適用於各 種不同氣候環境。 實施例2圖11示出了利用超聲波風速儀實現運用超聲波測量風速和風向的方法原理示意 圖，該方法運用時差法測量沿空氣傳播的正反兩個不同方向發射的超聲波到達接收端 的時差從而計算出空氣流動速度。下面通過實施例1提供的超聲波風速儀，具體以超聲波發射/接收探頭作為超聲波 發射/接收裝置來詳細闡述本發明實施例提供的運用超聲波測量風速和風向的方法，具 體包括以下步驟，參見圖1和圖12:步驟200:第一超聲波發射/接收探頭31向第三超聲波發射/接收探頭33發送超 聲波，並測量超聲波在第一超聲波發射/接收探頭31與第三超聲波發射/接收探頭33 之間的傳播時間，記為^『；步驟201:第三超聲波發射/接收探頭33向第一超聲波發射/接收探頭31發送超 聲波，並測量超聲波在第三超聲波發射/接收探頭33與第一超聲波發射/接收探頭31之間的傳播時間，記為？;￡;步驟202:第二超聲波發射/接收探頭32向第四超聲波發射/接收探頭34發送超 聲波，並測量超聲波在第二超聲波發射/接收探頭32與第四超聲波發射/接收探頭34之間的傳播時間，記為T，；步後203:第四超聲波發射/接收探頭34向第二超聲波發射/接收探頭32發送超聲波，並測量超聲波在第四超聲波發射/接收探頭與第二超聲波發射/接收探頭之間的傳播時間，記為『船；步驟204:根據測量到的時間；『、r附、r朋和r船，第一超聲波發射/接收探頭31與第三超聲波發射/接收探頭33間的距離及第二超聲波發射/接收探頭32與第四超聲波發射/接收探頭34間的距離丄M ，計算出風速和風向；在具體的實施過程中，為了便於計算，通常將第一超聲波發射/接收探頭31與第 三超聲波發射/接收探頭33設置在同一水平面，將第二超聲波發射/接收探頭32與第四 超聲波發射/接收探頭34設置在同一水平面，即第一超聲波發射/接收探頭31與第三超 聲波發射/接收探頭33到底座1的垂直距離相等，第二超聲波發射/接收探頭32與第四 超聲波發射/接收探頭34到底座l的垂直距離相等；第一超聲波發射/接收探頭31、第 二超聲波發射/接收探頭32、第三超聲波發射/接收探頭33和第四超聲波發射/接收探頭 34依次相鄰成90度夾角，並且第一超聲波發射/接收探頭31和第三超聲波發射/接收 探頭33正向相對，第二超聲波發射/接收探頭32和第四超聲波發射/接收探頭34正向 相對;將第一超聲波發射/接收探頭31與第三超聲波發射/接收探頭33間的距離及第二 超聲波發射/接收探頭32與第四超聲波發射/接收探頭34間的距離調整為相同距離，即丄^^等於丄^，具體計算過程為formula see original document page 11(3)formula see original document page 11(4)formula see original document page 11(5)formula see original document page 12(6)計算出r,和P^則有formula see original document page 12(7)(8)f，、 4￡、 rM、 ^sv可以測量出，Z^和A^為固定值，這樣就可以計算出風速(r)、風向(e)和聲速(c)其中 ￡ 超聲波從W傳播到E的時間，單位^ ;超聲波從N傳播到S的時間，單位^ ;超聲波從S傳播到N的時間，單位s ;丄船、兩組超聲波探頭間的距離，單位w^，風沿E『的速度，單位w";風沿iV5的速度，單位W";K :風速，單位m/s;<9 :風速和正北方向的夾角，單位度； C : 聲速，單位m/5:。在實際應用中，可以採用工作頻率為400KHz的超聲波傳感器FUS-400A來作為超 聲波發射/接收探頭，該傳感器的工作頻率為400KHz，周期為2.5us，由此可得出超聲 波風速儀的理論最大解析度AV為固formula see original document page 12(10)在本實施例中設定丄M二丄陛二0.2m， C = 340w"，代入公式(10)中得 到v二0.02w/s 。本發明利用超聲波技術進行風速和風向的測量，由於沒有動作部件，因此不受環 境影響，能夠適用於惡劣氣候條件下風速的測量，真正實現全天候可靠工作，並且在 使用中不需要特別維護，節約了儀器的維護費用，延長了儀器的使用壽命。同時本發 明運用超聲波測量風速和風向的方法易於實現，所需設備結構簡單，可適用於各種惡 劣的測量環境，保證了測量結果準確，提高了測量精度。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種超聲波風速儀，其特徵在於，所述風速儀包括底座、控制電路板、四個測量臂和四個超聲波發射/接收探頭；所述四個測量臂分別與所述底座相連，並且依次相鄰成90度夾角；所述四個超聲波發射/接收探頭分別安裝在所述四個測量臂遠離所述底座的一端；在所述四個超聲波發射/接收探頭中，相對成180度角的兩對超聲波發射/接收探頭在同一水平面，並且與所述底座間的垂直距離相等。
2. 根據權利要求1所述的超聲波風速儀，其特徵在於，所述控制電路板上安裝 有中央處理單元，用於進行數據處理，並發出各種控制指令；電源電路，用於從外 部輸入電源並進行電壓變換，為系統提供所需各種電源電壓；方波產生電路，用於產 生方波脈衝；超聲波收發電路，與所述方波產生電路相連接，用於接收和發射超聲波； 時間測量電路，與所述方波產生電路和所述超聲波收發電路相連接，用於測量超聲波 在空氣中的傳播時間；數字通信電路，與所述中央處理單元相連接，用於接收外部指 令，並與所述中央處理單元間進行數據傳輸；模擬通訊電路，與所述中央處理單元相 連接，用於將測量的風速和風向轉變成電流輸出；模擬開關電路，與所述數字通信電 路及所述模擬通訊電路相連接，用於用於選擇不同的數據輸出方式。
3. 根據權利要求2所述的超聲波風速儀，其特徵在於，所述超聲波風速儀還包 括安裝在每個測量臂內的加熱器，用於對所述超聲波發射/接收探頭進行加熱；相應 的，在所述測量臂內還安裝有溫度測量電路，用於測量環境溫度，並將測量結果傳入 所述中央處理單元；相應的，在所述控制電路板上還安裝有加熱電路，在所述中央處 理單元的控制下控制所述加熱器工作；所述加熱電路與所述加熱器通過導線相連接。
4. 根據權利要求1-3中任意一項權利要求所述的超聲波風速儀，其特徵在於， 所述控制電路板安裝於所述底座內。
5. 根據權利要求1-3中任意一項權利要求所述的超聲波風速儀，其特徵在於， 所述底座為圓柱體或立方體。
6. —種運用超聲波測量風速和風向的方法，其特徵在於，所述方法包括 用第一超聲波發射/接收裝置和第三超聲波發射/接收裝置分別測量接收到來自對方發送的超聲波的時間；用第二超聲波發射/接收裝置和第四超聲波發射/接收裝置分別測量接收到來自對 方發送的超聲波的時間；根據測量到的時間、所述第一超聲波發射/接收裝置和第三超聲波發射/接收裝置 間的距離及所述第二超聲波發射/接收裝置和第四超聲波發射/接收裝置間的距離計算 出風速和風向。
7. 根據權利要求6所述的運用超聲波測量風速和風向的方法，其特徵在於，所 述第一超聲波發射/接收裝置與第三超聲波發射/接收裝置在同一水平面;所述第二超聲 波發射/接收裝置與第四超聲波發射/接收裝置在同一水平面。
8. 根據權利要求6所述的運用超聲波測量風速和風向的方法，其特徵在於，所 述第一超聲波發射/接收裝置、第二超聲波發射/接收裝置、第三超聲波發射/接收裝置 和第四超聲波發射/接收裝置依次相鄰成90度夾角，並且所述第一超聲波發射/接收裝 置和第三超聲波發射/接收裝置相對，所述第二超聲波發射/接收裝置和第四超聲波發射 /接收裝置相對。
9.根據權利要求6所述的運用超聲波測量風速和風向的方法，其特徵在於，所述 第一超聲波發射/接收裝置和第三超聲波發射/接收裝置間的距離與所述第二超聲波發 射/接收裝置和第四超聲波發射/接收裝置間的距離相等。
全文摘要
本發明公開了一種超聲波風速儀，它包括底座、控制電路板、四個測量臂和四個超聲波發射/接收探頭。四個測量臂分別與底座相連，並且依次相鄰成90度夾角；四個超聲波發射/接收探頭分別安裝在四個測量臂遠離底座的一端，且相對成180度角的兩對探頭在同一水平面，並與底座間的垂直距離相等。同時本發明還公開了一種運用超聲波測量風速和風向的方法，所述方法包括通過相對的兩對超聲波發射/接收探頭測量沿空氣傳播的正反兩個不同方向發射的超聲波到達接收端的時間差，並結合探頭之間的距離計算出空氣流動速度。本發明解決了由動作部件獲得測量信息的技術問題，同時提高測量精度、延長了儀器使用壽命以及適用於各種惡劣的測量環境。
文檔編號G01P13/02GK101236213SQ200810101288
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月3日 優先權日2008年3月3日
發明者鍾永勇 申請人:鍾永勇