CN103728463A - 超声波测风仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波测风仪及测量方法，该测风仪包括机壳、风速风向测量模块、方向校正模块及主控制模块。本发明采用一个超声波发射器和三个超声波接收器，使电路结构更加简单，只通过一次发送超声波，就可以测量出风速和方向。本发明具有方向校正模块，可在设备安装时无需考虑设备安装方向的问题，在测量过程中，可实现对测量方向进行修正到预先制定的方向，简化了安装的流程，提高了测量的准确性。发明提供的超声波测风仪电路设计简单、安装简便，测量方法简单，测量结果准确。

Description

超声波测风仪及测量方法

技术领域：

本发明涉及风速风向测量领域，尤其涉及一种超声波测风仪及风速风向的测量方法。

背景技术：

风速仪在气象、民航、公路、农业和新能源领域都发挥着重要的作用。目前超声波式风速仪已经成为风速仪应用和发展的主流。

目前的超声波式风速风向仪主要是基于时差法和相位差法的测量原理，装置在设计中，往往需要将超声波传感器安置在与地理南北、东西相同的方向上，在用户使用时，往往需要按照预先设定的方向与地理南北、东西方向校正安装，若安装方向发生误差，则会导致测量结果发生错误。同时，现有的超声波风速仪大多采用分时原则，即一对超声波换能器轮流发送和接收信号，需要测量的次数多，并且电路结构复杂，往往由于多次测量导致测量结果有误差。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种电路结构简单、安装简便、测量结果精准的超声波测风仪。

本发明的另一目的在于提供一种风速风向的测量方法，该方法测量过程简便、结果准确。

本发明的技术方案如下：

一种超声波测风仪包括机壳、风速风向测量模块、方向校正模块及主控制模块，

所述机壳包括上安装盒和下安装盒，上安装盒与下安装盒通过支架相连，所述下安装盒下方设有安装立柱，用于支撑固定作用；

风速风向测量模块包括一个超声波发射传感器和三个超声波接收传感器，它们分别与主控模块相连；所述方向校正模块也与主控模块相连；

所述主控制模块和方向校正模块放置在下安装盒中，三个超声波接收传感器内嵌在在下安装盒中并呈等边三角形分布，超声波发射传感器内嵌在上安装盒中，超声波发射传感器位于三个超声波接收传感器正上方，并对应位于三个超声波接收传感器形成的等边三角形的中心位置。

所述主控制模块包括CPLD/FPGA控制器、电源模块、RS485接口模块、超声波驱动电路、温度补偿模块、信号调理电路以及阈值比较电路，所述的电源模块、RS485接口模块、温度补偿模块、超声波驱动电路以及阈值比较电路均与CPLD/FPGA控制器相连接，所述电源模块还与超声波驱动电路模块连接，所述超声波发射传感器与超声波驱动电路模块连接，所述超声波接收传感器与信号调理电路连接。

方向校正模块包括一磁力传感器。超声波发射传感器与超声波接收传感器具有一定的辐射方向开角。

利用上述测风仪进行风速风向测量的方法，包括以下步骤：

1）主控制模块获取环境温度数据，根据计算来确定温度补偿；

2）主控制模块产生信号使超声波发射传感器发出脉冲信号，并同时启动主控制模块内的与超声波接收传感器相对应的计数器；

3）当超声波脉冲信号分别被三个超声波接收传感器接收，接收到的信号分别经各自的后续信号调理电路进行放大处理，并经阈值比较电路产生各自对应的计数器中断停止信号，分别获得超声波脉冲从发送到被各路超声波接收器接收到所经过的时间； 

4）主控制模块通过磁力传感器获得数据来进行风速风向校正，并得到所测风速风向；

5）主控制模块通过RS485接口模块将数据输出。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明超声波测风仪采用一个超声波发射器和三个超声波接收器，使电路结构更加简单。测量过程中只通过一次发送超声波，就可以测量出风速和方向。

2.本发明超声波测风仪具有方向校正模块，可在设备安装时无需考虑设备安装方向的问题，在测量过程中，可实现对测量方向进行修正到预先制定的方向，简化了安装的流程，提高了测量的准确性。

3.本发明超声波测风仪电路设计简单、成本低，电路采用模块化设计。

4.本发明环境适应性强。上安装盒可以遮挡雨雪和沙尘，降低异物对风速测量的影响，同时上安装盒也可以阻止垂直方向上的风的干扰，提高了整个系统测量精度。

附图说明:

图1为超声波测风仪的结构示意图。

图2超声波测风仪的俯视结构示意图。

图3为主控制模块电路组成框图。

图4为本发明风速风向测量装置利用磁力传感器对所测参数进行校正，从而得出实际环境条件下的风速风向参数的方法原理示意图。

图5为本发明的超声波发射传感器发射驱动电路。

图6为本发明的超声波接收传感器信号调理电路及阈值比较电路原理图。

图7为本发明的方向校正模块电路原理图。

图8为温度补偿电路原理图。

图中：1-上安装盒； 21-支架；22-支架；23-支架；31-超声波接收传感器A；32-超声波接收传感器B；33-超声波接收传感器C；4-超声波发射传感器；5.下安装盒；6.安装立柱。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行说明。

如图1、图2所示，本发明的超声波测风仪包括机壳、风速风向测量模块、方向校正模块及主控制模块。

机壳包括上安装盒1和下安装盒5，上安装盒1与下安装盒5通过支架3相连，下安装盒5底部连接在安装立柱6上，安装立柱用于支撑固定作用。上安装盒1与下安装盒5相对设置，并通过三根支架连接为一体。

风速风向测量模块包括一个超声波发射传感器4和三个超声波接收传感器A、B、C，它们分别与主控模块相连；方向校正模块也与主控模块相连；

主控制模块和方向校正模块放置在下安装盒5中，三个超声波接收传感器内嵌在下安装盒5中并呈等边三角形分布，超声波发射传感器4内嵌在上安装盒1中，超声波发射传感器4位于三个超声波接收传感器正上方，并对应位于三个超声波接收传感器形成的等边三角形的中心位置。其正投影位于三角形的中心。

如图3所示，主控制模块包括：CPLD/FPGA控制器、电源模块、RS485接口模块、超声波驱动电路、温度补偿模块、信号调理电路以及阈值比较电路，所述的电源模块、RS485接口模块、温度补偿模块、超声波驱动电路以及阈值比较电路均与CPLD/FPGA控制器相连接。

本实施例中超声波发射器/超声波接收器选择需要具有一定的辐射方向开角，以保证由超声波发射器发出的超声波脉冲信号能够稳定可靠的被超声波接收器接收。

本发明中选用的超声波发射/接收传感器具有较高的灵敏度并具有一定的开角，采用型号为DYA-125-02A收发一体式传感器，构成风速风向测量模块。

本发明主控制模块中CPLD/FPGA控制器采用Altera公司的CPLD芯片EPM240T100C5，其性能稳定、低功耗、性价比高，具有可并行处理的特性，可实现对3路超声波调理电路的信号同时处理。

图5中给出了上述超声波驱动电路（即超声波发射传感器发射驱动电路）。图中QU1与控制器CPLD的I/O引脚相连，由控制器CPLD产生信号控制开关三极管Q1的通断，从而使变压器T1的副边产生120V左右的直流脉冲电压，来驱动超声波发射器FS1产生一段超声波脉冲信号。

图6中给出了上述信号调理电路（即超声波接收传感器信号调理电路）及阈值比较电路原理图。图中超声波接收器FS2接收超声波发射器发送的超声波信号，信号经由运算放大器U1构成的两级放大电路进行放大处理产生后续电路所需电压信号，并送至比较器U2构成的阈值比较电路产生计时中断信号，中断信号送入CPLD与INT2相连接的端口进行处理。

如图7所示，本发明中采用型号为LSM303DLM的磁力传感器构成方向校正模块，该芯片采用I2C协议进行数据传输，具有较高的数据传输率。其电路原理图如图7所示。该芯片控制端口和数据端口引脚直接与CPLD相连接，CPLD通过INT1和INT2引脚产生中断控制信号来读取当前安装方位角数据，方向传感器通过I²C接口将数据送入CPLD进行处理实现对方向校正。

风速仪测量过程中主控制器需要获得当前的环境温度数据来实时对测量单元进行温度补偿保证测量精度。本发明中的温度补偿模块主要包括温度检测电路和低温补偿电路，温度检测电路采用数字温度传感器DS18B20芯片构成检测模块，其低温测温范围可达-55摄氏度，测温误差小于0.5摄氏度，测量精度高，在使用中不需要任何外围元件，测温电路简单，其直接与CPLD控制器相连接。图8所示为低温补偿电路，电热丝H1分别放置于上安装盒和下安装盒中，实现对上、下安装盒之间的区域进行加热，补偿电路控制端Con1直接与CPLD相连接，通过控制开关三极管Q5通断来控制电热丝工作。

本发明的超声波测风仪进行风速风向的测量方法，具体包括以下步骤:

图4中为两个坐标系，虚线为实际安装时的坐标系，实线是要修正到的坐标系。在以下步骤中，步骤（4）和步骤（5）是对于实线坐标系来计算风速风向值，其他是按照虚线坐标系来进行。

(1)主控制器CPLD/FPGA获取温度补偿模块数据，判断是否需要进行温度补偿，通过补偿使声速在测量过程中始终维持恒定值为340m/s。温度补偿的计算公式如下：

                                                 

其中为声速，

为当前环增温度值；

(2)由主控制器CPLD/FPGA产生信号使超声波驱动电路模块驱动超声波发射器发出脉冲信号，并同时启动主控制器CPLD/FPGA内部的与3个超声波接收器相对应的计数器，当超声波脉冲信号分别被下安装盒中的超声波接收器接收；

（3）超声波接收器接收到的信号分别经各自的后续信号调理电路进行放大处理，并经阈值比较电路产生各自对应的计数器中断停止信号，分别获得超声波脉冲从发送到被各路超声波接收器接收到所经过的时间t，通过计算可以获得3个超声波接收器所构成的等边三角形结构上各边上的风速值分量：

其中为3个超声波接收器所构成的等边三角形结构上边上风速值，c为声速，t为超声波脉冲信号从超声波发射器发送到被超声波接收器接收到所传播的时间，

为超声波发射器与3个超声波接收器构成的空间结构的最大截面角。

（4）主控制器通过磁力传感器获得相应数据来进行风速风向校正并得到所测风速风向；

（5）最后主控制器通过RS485接口模块将数据送出。

图4为本发明风速风向测量装置利用磁力传感器对所测参数进行校正，从而得出实际环境条件下的风速风向参数的方法原理示意图。其中X、Y虚线坐标为整个风速风向测量装置安装时所指向的地理方位，X、Y虚线坐标为以传感器A为指定方向上建立的坐标系。实线坐标为实际地理南北、东西方向上的坐标，其中角度r为磁力传感器测量出的实际安装方向与地理南北、东西方向上的偏向角度，图4中A、B、C为图1示意图中下安装盒上的3个超声波接收器。角度a为超声波发射器与3个超声波接收器构成的空间结构的最大截面角。

如图4所示，设由上安装盒中的超声波发射器发出的超声波脉冲信号到达下安装盒中的超声波接收器A、B、C所传播的时间为： 。

   根据公式

，可以得出风速值在A、B、C组成的等边三角形各边上的风速分量值：

     

      

      

   根据等边三角形基本定理，可以得到图中所示的风向在安装方向X、Y方向上的风速分量值

:

     

   

   根据磁力传感器读取的数据，可以得到实际地理南北、东西的方向与安装方向的偏向角r,根据该偏向角度可以得出实际风的风速值分量

，并根据该风速值风量可以得出风向：

     

      

   根据矢量合成的原理，可以得出实际风速和风向的值：

        

        。

Claims (7)

1.一种超声波测风仪，其特征在于：包括机壳、风速风向测量模块、方向校正模块及主控制模块，

所述机壳包括上安装盒和下安装盒，上安装盒与下安装盒通过支架相连，所述下安装盒下方设有安装立柱，用于支撑固定作用；

风速风向测量模块包括一个超声波发射传感器和三个超声波接收传感器，它们分别与主控模块相连；所述方向校正模块也与主控模块相连；

所述主控制模块和方向校正模块放置在下安装盒中，三个超声波接收传感器内嵌在在下安装盒中并呈等边三角形分布，超声波发射传感器内嵌在上安装盒中，超声波发射传感器位于三个超声波接收传感器正上方，并对应位于三个超声波接收传感器形成的等边三角形的中心位置。

2.如权利要求1所述的超声波测风仪，其特征在于：所述主控制模块包括CPLD/FPGA控制器、电源模块、RS485接口模块、超声波驱动电路、温度补偿模块、信号调理电路以及阈值比较电路，所述的电源模块、RS485接口模块、温度补偿模块、超声波驱动电路以及阈值比较电路均与CPLD/FPGA控制器相连接，所述电源模块还与超声波驱动电路模块连接，所述超声波发射传感器与超声波驱动电路模块连接，所述超声波接收传感器与信号调理电路连接。

3.如权利要求1或2所述的超声波测风仪，其特征在于：所述的方向校正模块包括一磁力传感器。

4.如权利要求1或2所述的超声波测风仪，其特征在于：所述的超声波发射传感器与超声波接收传感器具有一定的辐射方向开角。

5.一种利用权利要求1至4之一所述的测风仪进行风速风向测量的方法，包括以下步骤：

主控制模块获取环境温度数据，根据计算来确定温度补偿；

主控制模块产生信号使超声波发射传感器发出脉冲信号，并同时启动主控制模块内的与超声波接收传感器相对应的计数器；

当超声波脉冲信号分别被三个超声波接收传感器接收，接收到的信号分别经各自的后续信号调理电路进行放大处理，并经阈值比较电路产生各自对应的计数器中断停止信号，分别获得超声波脉冲从发送到被各路超声波接收器接收到所经过的时间；

主控制模块通过磁力传感器获得数据来进行风速风向校正，并得到所测风速风向；

主控制模块通过RS485接口模块将数据输出。

6.如权利要求5所述的风速风向的测量方法，其特征在于：所述步骤（1）中，主控制模块获取当前温度补偿电路模块的环境温度数据，确定是否需要进行相应的温度补偿，通过补偿使声速在测量过程中始终维持恒定值为340m/s；

温度补偿的计算公式如下：

                                                    

其中

为声速，

为当前环境温度值。

7.如权利要求6所述的风速风向的测量方法，其特征在于：所述步骤（4）中，通过测量获得的超声波发射传感器发出的超声波脉冲信号到达三路超声波接收传感器器A、B、C所传播的时间为： ，角度r为磁力传感器测量出的实际安装方向与地理南北、东西方向上的偏向角度，

c为声速，可以得出风速值在A、B、C组成的等边三角形各边上的风速分量值：

         

   

   

       根据等边三角形基本定理，可以得到图中所示的风向在安装方向X、Y方向上的风速分量值

:

         

根据磁力传感器读取的数据，可以得到实际地理南北、东西的方向与安装方向的偏向角r,根据该偏向角度可以得出实际风的风速值分量

，并根据该风速值风量可以得出风向：

         

   

       根据矢量合成的原理，可以得出实际风速和风向的值：

        

        

。

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