專利名稱：一種高精度抗干擾超聲波風速風向測量方法
技術領域：
本發明涉及風速風向測量領域，具體涉及一種三維超聲波風速風向儀及超聲波三維測風方法。
背景技術：
目前現有的風速風向儀主要包括機械式風速風向儀、熱敏式風速風向儀以及超聲波風速風向儀。其中，機械式風速風向儀存在活動的機械部件，對測量環境要求比較高，在沙塵或者低溫結冰環境中無法正常工作，并且因活動部件磨損導致使用壽命短。此外，受機械結構及測量原理的限制，機械式風速風向儀的測量精度較低。熱敏式風速風向儀的基本原理將置于氣流中的物體加熱到一定溫度，通過計算物體的熱量損失來計算風速。這種熱敏式風速風向儀受環境溫度變化影響較大，只適用于溫度變化慢的低風速測量，而且實際應用不多。超聲波測量風速風向沒有活動的機械部件，具有適用于惡劣測量環境及測量結果準確等優點。但現有的超聲波測風設備大都只針對平面的二維風速風向的測量，沒有對三維的風速風向進行測量。
發明內容
鑒于現有技術的以上不足，本發明旨在提供一種三維的風速風向進行精確測量的方法。本發明的目的通過如下手段來實現。—種高精度抗干擾超聲波風速風向測量方法，采用八只具有超聲波收發功能的超聲波探頭，高頻與低頻各四個，兩兩相對地設置構成二副低頻超聲波探頭對TD12和TD34及二副高頻超聲波探頭對TD56和TD78;分別獲取各探頭對中二探頭接收到來自對方發送的超聲波的傳播時間；依據測量的傳播時間，以及每個超聲波探頭對中面面相對的兩個探頭的間距，獲求自然風的三維風速風向。現有技術相比，本發明利用超聲波技術進行風速風向的測量，沒有活動的機械部件，受環境的影響很小，可以適用于沙塵及低溫結冰環境下的全天候的穩定可靠的風速風向的測量。此外，選用兩種頻率的超聲波進行風速風向的測！，還可以提高測風設備的抗干擾能力，當在低頻超聲波波段存在干擾時，可以只選用高頻超聲波探頭進行風速風向的測量；同時，當在高頻超聲波波段存在干擾時，可以只選用低頻超聲波探頭進行風速風向的測量。與現有超聲波測風方法相比，本發明能同時保證各種風速條件下的風速風向的測量精度，并提高測風設備的抗干擾能力。此外，本發明還公布了使用氣壓對所測風速風向進行修正的一種方法，使得所測風速風向可以轉換為標準大氣壓強下的標準風速風向，使得測風設備可以更有效的應用于風電行業等同樣關心風速風向與氣壓的領域。
如下
圖1是本發明提供的原理框圖；圖2是本發明提供的超聲波探頭的第一種安裝示意圖； 圖3是本發明提供的超聲波探頭的第二種安裝示意圖4是本發明提供的新型帶氣壓修正的高精度超聲波測量風速風向的方法的流程圖； 圖5是本發明提供的一次測量超聲波在兩對相對的探頭之間傳播的時間的流程圖； 圖6是本發明提供的一次測量大氣氣壓的流程圖； 圖7是本發明提供的低頻超聲波探頭發射與接收超聲波的波形示意圖； 圖8是本發明提供的高頻超聲波探頭發射與接收超聲波的波形示意圖； 圖9是本發明提供的利用氣壓傳感器進行氣壓測量的波形示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施作進一步的描述。但是應該強調的是，下面的實施方式只是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及應用。圖1是本發明提供的新型帶氣壓修正的高精度超聲波測量風速風向的方法的硬件組成原理框圖。圖1中四個低頻的超聲波探頭組成一個測量單元，利用低頻超聲波測量風速風向；四個高頻的超聲波探頭組成另一個測量單元，利用高頻超聲波測量風速風向； 超聲波驅動及接收信號處理電路負責驅動八個超聲波探頭，并將八個超聲波探頭接收到的弱信號進行放大濾波等處理；氣壓傳感器負責大氣壓強的測量；氣壓驅動電路與氣壓傳感器匹配，驅動氣壓傳感器；中央處理單元控制超聲波驅動及接收信號處理電路與氣壓驅動電路的工作，并對采集到的信號進行處理，得到低頻超聲波測量的風速風向、高頻超聲波測量的風速風向、氣壓、標準大氣壓強下的風速風向等數據，并根據要求輸出相應數據。圖2是本發明提供的超聲波探頭的第一種安裝示意圖。低頻超聲波探頭對TD12 和TD34在同一水平面呈正交設置；所述高頻超聲波探頭對TD56和TD78亦以同樣的方式與低頻超聲波探頭呈45度交替分布。圖2中，第一、第二、第三與第四超聲波探頭為低頻超聲波探頭，第五、第六、第七與第八超聲波探頭為高頻超聲波探頭。第一超聲波探頭與第二超聲波探頭相對成180度安裝，第三超聲波探頭與第四超聲波探頭相對成180度安裝，同一頻率的超聲波探頭對中面面相對的兩個探頭的間距相等。第一超聲波探頭與第二超聲波探頭的間距和第三超聲波探頭與第四超聲波探頭的間距相等。第五超聲波探頭與第六超聲波探頭相對成180度安裝，第七超聲波探頭與第八超聲波探頭相對成180度安裝，且第五超聲波探頭與第六超聲波探頭的間距和第七超聲波探頭與第八超聲波探頭的間距相等。八個超聲波探頭均勻分布于同一水平面的八個方向。圖3是本發明提供的超聲波探頭的第二種安裝示意圖。低頻超聲波探頭對TD12 和TD34在同一水平面呈正交設置；所述高頻超聲波探頭對TD56和TD78亦以同樣的方式與低頻超聲波探頭對疊合分布。圖3中，第一、第二、第三與第四超聲波探頭為低頻超聲波探頭，第五、第六、第七與第八超聲波探頭為高頻超聲波探頭。第一超聲波探頭與第二超聲波探頭相對成180度安裝，第三超聲波探頭與第四超聲波探頭相對成180度安裝，且第一超聲波探頭與第二超聲波探頭的間距和第三超聲波探頭與第四超聲波探頭的間距相等。第五超聲波探頭與第六超聲波探頭相對成180度安裝，第七超聲波探頭與第八超聲波探頭相對成180度安裝，且第五超聲波探頭與第六超聲波探頭的間距和第七超聲波探頭與第八超聲波探頭的間距相等。八個探頭低頻與高頻一組，均勻分布于同一水平面的四個方向。在此需要指出的是圖2與圖3給出的安裝圖只是僅為本發明給出較佳的兩種安裝示意圖，任何在不改變本發明原理的前提下所做的改變均涵蓋在本發明的保護范圍內。例如低頻超聲波探頭對TD12和TD34與高頻超聲波探頭對TD56和TD78可不在同一安裝平面，超聲波探頭如果傾斜安裝時，需要提供一個反射超聲波的物理平面，使得相對的兩對探頭可以收到對方發送的超聲波信號。下面結合圖1、圖2、圖3與圖4來闡述本新型帶氣壓修正的高精度超聲波測量風速風向的方法，具體包括以下操作步驟
步驟1 用TD12內相對成180度的第一超聲波收發裝置(低頻)和第二超聲波收發裝置 (低頻)分別測量接收到來自于對方發送的超聲波的傳播時間T12和T21 ；
步驟2 用TD34內相對成180度的第三超聲波收發裝置(低頻)和第四超聲波收發裝置 (低頻)分別測量接收到來自于對方發送的超聲波的傳播時間T34和T43 ；
步驟3 用TD56內相對成180度的第五超聲波收發裝置(高頻)和第六超聲波收發裝置 (高頻)分別測量接收到來自于對方發送的超聲波的傳播時間T56和T65 ；
步驟4 用TD78內相對成180度的第七超聲波收發裝置(高頻)和第八超聲波收發裝置 (高頻)分別測量接收到來自于對方發送的超聲波的傳播時間T78和T87 ； 步驟5 利用氣壓傳感器測量大氣氣壓；
步驟6 根據測量到的延時T12、T21, T34、T43、T56, T65, T78與T87，以及每兩對相對收發裝置間的距離分別計算出使用低頻超聲波時的風速與風向與使用高頻超聲波時的風速與風向；
步驟7 當兩組風速有一個小于某一閥值風速時選用低頻超聲波時測量的風速與風向，當兩組風速都大于某一閥值風速時選用高頻超聲波時測量的風速與風向；
步驟8:根據測量到的大氣氣壓與上一步中的風速風向數據，計算出標準大氣壓強下的絕對風速風向；
步驟9 輸出風速風向根據實際需求選用利用大氣氣壓修正前或者修正后的風速風向。其中，一次測量超聲波在兩對相對的探頭之間傳播時間的流程圖見圖5 ；測量大氣氣壓的流程圖見圖6。流程圖中的時間僅供參考，具體可以根據實際調試情況而定。在空氣中傳播的超聲波因擴散、散射及吸收等會引發衰減，衰減系數 按Kirchoff理論為
權利要求
1.一種高精度抗干擾超聲波風速風向測量方法，采用八只具有超聲波收發功能的超聲波探頭，高頻與低頻各四個，兩兩相對地設置構成二副低頻超聲波探頭對TD12和TD34及二副高頻超聲波探頭對TD56和TD78;分別獲取各探頭對中二探頭接收到來自對方發送的超聲波的傳播時間；依據測量的傳播時間，以及每個超聲波探頭對中面面相對的兩個探頭的間距，獲求自然風的三維風速風向。
2.根據權利要求1所述之高精度抗干擾超聲波風速風向測量方法，其特征在于，所述分別獲取各探頭對中二探頭接收到來自對方發送的超聲波的傳播時間包含包括如下步驟1)、用TD12的二超聲波探頭相互測量接收到來自于對方發送的超聲波的傳播時間T12 和 T21 ；2)、用TD34的二超聲波探頭相互測量接收到來自于對方發送的超聲波的傳播時間T34 和 T43 ；3)、用TD56的二超聲波探頭相互測量接收到來自于對方發送的超聲波的傳播時間T56 和 T65 ；4)、用TD78的二超聲波探頭相互測量接收到來自于對方發送的超聲波的傳播時間T78 和 T87 ；5)、利用氣壓傳感器測量大氣氣壓；6)、根據測量到的延時T12、T21、T34、T43、T56、T65、IV8與T87，以及每個超聲波探頭對中面面相對的兩個探頭的間距分別計算出使用低頻超聲波時的風速與風向與使用高頻超聲波時的風速與風向；7)、當兩組風速有一個小于某一閥值風速時選用低頻超聲波時測量的風速與風向，當兩組風速都大于某一閥值風速時選用高頻超聲波時測量的風速與風向；8)、根據測量到的大氣氣壓與上一步中的風速風向數據，計算出標準大氣壓強下的絕對風速風向；9)、輸出風速風向根據實際需求選用利用大氣氣壓修正前或者修正后的風速風向。
3.根據權利要求1或2所述之高精度抗干擾超聲波風速風向測量方法，其特征在于，所述低頻超聲波探頭對TD12和TD34在同一水平面呈正交設置；所述高頻超聲波探頭對TD56 和TD78亦以同樣的方式與低頻超聲波探頭對疊合分布。
4.根據權利要求1或2所述之高精度抗干擾超聲波風速風向測量方法，其特征在于，所述低頻超聲波探頭對TD12和TD34在同一水平面呈正交設置；所述高頻超聲波探頭對TD56 和TD78亦以同樣的方式與低頻超聲波探頭呈45度交替分布。
5.根據權利要求4所述之高精度抗干擾超聲波風速風向測量方法，其特征在于，所述低頻超聲波探頭對TD12和TD34與高頻超聲波探頭對TD56和TD78可不在同一安裝平面。
6.根據權利要求1所述之高精度抗干擾超聲波風速風向測量方法，其特征在于，同一頻率的超聲波探頭對中面面相對的兩個探頭的間距相等。
全文摘要
本發明公開了一種高精度抗干擾超聲波風速風向測量方法，采用八只具有超聲波收發功能的超聲波探頭，高頻與低頻各四個，兩兩相對地設置構成二副低頻超聲波探頭對TD12和TD34及二副高頻超聲波探頭對TD56和TD78；分別獲取各探頭對中二探頭接收到來自對方發送的超聲波的傳播時間；依據測量的傳播時間，以及每個超聲波探頭對中面面相對的兩個探頭的間距，獲求自然風的三維風速風向。本發明可以對測量三維的風速風向進行精確求算，選用兩種頻率的超聲波進行風速風向的測量，提高了測風設備的抗干擾能力，能適用于惡劣環境條件下的全天候風速風向測量。
文檔編號G01P5/24GK102288779SQ201110123549
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者吳宗玲, 周國華, 張宇行, 曾德兵, 潘煒, 苗強, 閆連山, 陳娟子 申請人:成都阜特科技有限公司, 西南交通大學