[发明专利]风速风向仪

说明书

技术领域  本发明涉及一种风速风向测量技术。

背景技术

风速风向测量技术应用领域十分广泛：如在气象领域，为台风的监测提供准确数据；在民航领域中，为飞机起降提供可靠的风速风向参考；公路桥梁建设中，为其设计与施工提供依据；在新能源领域，尤其是发展前景很好的风力发电领域中，测风技术具有重要的作用。

在风力发电领域，应用最为广泛的测风设备为风杯与风向标组成的测风系统，面临的主要问题是机械式旋转部件易磨损，在气候发生变化时可能发生冰冻、阻塞、断裂等；目前，超声测风技术以其很高的精度和非接触特点受到了广泛的关注和深入的研究，而国内的高性能产品尚处于研究阶段，国外较复杂的超声测风仪精度高，但价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种精度较高、稳定性好、成本低廉，可广泛应用于风力发电、气象、交通、建设等领域的风速风向测量仪。

为了实现上述目的，本发明提供的风速风向仪，包括测风头、信号处理装置，其中测风头由壳体、拉压力传感器、支撑部件构成，支撑部件含有支撑杆与紧固件。空心壳体水平截面为圆形，圆截面上分布有三只拉压力传感器，围绕圆心成120°对称分布，传感器一端固定于壳体内壁上，另一端固定于支撑杆上。壳体与支撑杆无直接接触，它在风中所受压力，简称风压力，通过三只传感器汇聚于支撑杆上，传感器对壳体的作用力与风对壳体的压力相平衡，故传感器感受到的三个拉压力之合力与风压力相对应。风压力的方向指示风向，风压力的大小与风速成一定的函数关系，它决定于壳体形状尺寸，可由流体力学理论算出或由风洞试验标定获得。传感器将拉压力转换为电信号，在信号处理装置中对其进行调理和计算，得到风速风向。

上述壳体，水平截面为圆形，以保证风向改变时迎风面相同；有一定的刚性，在受到风的压力时形变很小，保证了测量精度。

上述拉压力传感器，安装时须满足应变片在正常工作中所感应力的方向为水平方向；三个传感器规格相同，它们中心线位于同一水平面上，且延长线相交于壳体中轴线上一点，夹角互为120°，成Y型分布。

壳体受到的风压力与风速风向的存在一定的函数关系，三个拉压力传感器分担的拉压力的合力与壳体所受的风压力大小相等方向相同，因此测量三个传感器的拉压力信号，得到三个在同一水平面上关于中轴线120°对称的拉力或压力，通过简单的力学合成分析，就可以根据三个方向分力的矢量求和得到合力的大小与方向，获得风速与风向的指示信号。

信号处理装置，包括调理电路与运算模块。通过调理电路对传感器输出的电信号进行调理；在运算模块中，依据电信号-拉压力、拉压力-风压力以及风压力-风速风向的对应关系，设计出运算方法，将三路电信号相继还原为三个方向的分力、风压力、风速风向。

本发明中测风头为壳体与拉压力传感器组成的特殊结构，此结构中风速风向与风压力之间存在对应关系，据此计算出风速风向。本发明结构简单，方法可靠，可满足精度较高、稳定性好、成本低廉的要求。

附图说明

本发明附图说明：

图1为本发明测风头原理图。

图2为本发明测风头圆柱壳体与传感器装配示意图。

图3为本发明风速风向测量装置框图。

图4为本发明运算模块程序流程图。

具体实施方式

本发明提出的测风头原理如图1所示：

壳体1，水平截面为圆形，可以采用圆柱壳体或椭球壳体实现。其圆柱壳体结构的实现方式见图2。依据壳体的形状尺寸，确定壳体所受风压力与风速风向的对应关系，在此基础上设计出风速风向的计算方法。

传感器2-1、2-2、2-3，均采用同参数拉压力传感器，在同一水平面上成Y型120°对称分布，在壳体受到风的压力时，承担相应方向的分力，并将其转换成电信号。

支撑部件3，位于壳体中轴线上，包含支撑杆和紧固件，固定传感器的一端，支撑部件与壳体之间通过传感器连接。

风速风向仪组成如图3所示，测风头拉压力传感器将拉压力转换为电信号，输入到信号处理装置；信号处理装置包括调理电路4，运算模块5，对电信号进行调理和计算，得到风速风向。

调理电路4，主要包括运算放大器和光耦芯片，将传感器输出的毫伏级电压信号放大为控制芯片可接受的信号，且实现电信号的线性隔离。

运算模块5，主要由MCU芯片、电源、通信电路组成，对信号的处理过程见图4。首先，对输入的电信号进行AD采样，之后对三路数据进行矢量求和运算，从而得到壳体所受风压力的大小和方向，进一步根据风压力的大小和方向与风速风向的对应关系，求出风速风向，并可与上位机通信并进行显示。