[发明专利]一种超声波风速仪量程拓宽方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波风速仪的量程拓宽方法，特别是涉及一种基于相关法和时差法配合使用的超声波风速仪量程拓宽方法。当风速较高时，由单片机通过时差法方式测量风速，既保证了风速的测量精度，又维持了风速测量的低功耗特点；当风速较低时，由运算能力强大的DSP通过相关法方式测量风速，保证了对小风速测量的高精确度性。

背景技术

超声波风速仪是一种新型的风速测量仪器，拥有测量精度高、测量范围宽、低功耗等突出优势，因此，超声波风速仪最近几年在电力、钢铁、石化、节能等行业受到越来越广泛的应用。

根据测量通道数的不同，超声波风速仪一般可以分为二维超声波风速仪（两个互相垂直的测量通道）和三维超声波风速仪（三个互相垂直的测量通道）。一般而言，每个测量通道内，都安装有相对的两个超声波换能器，利用超声波波速在两个换能器之间的传播时间或频率受风速影响影响的原理，超声波风速仪能够测量出每个测量通道内的风速值，并根据多个测量通道内的风速值进一步推导出所在环境风速的空间矢量值和风向。

在实际的应用现场，往往对超声波风速仪的风速测量范围具有较高的要求：最高风速一般要求可达60米/秒，而最小风速一般要求低至0米/秒。同时，从最高风速到最小风速的测量范围内，超声波风速仪的测量精度一般需要维持低于2%的测量误差。这对于超声波风速仪的设计与生产，是一个极大的挑战，尤其是对微小风速的测量，由于在微小风速下，超声波风速仪接收到的与风速成比例的信号值本身就偏小，因此极易受到各类噪声的干扰，导致对风速的测量误差急剧上升。

为保证超声波风速仪从最高风速到最小风速都能有足够的测量精度，一般采用计算能力较强的信号处理与风速计算方法，如相关法、功率谱法、分层统计法等。尤其是测量微小风速时，上述信号处理与风速计算方法能有效地将与风速成比例的有用信号，从周围的干扰噪声中提取出来，从而保证超声波风速仪对微小风速的高精度测量。但是，上述信号处理与风速计算方法，通常会大幅度提升超声波风速仪的实际功耗，因为上述方法对计算能力的要求比较高，只有主频较高同时功耗也较高的处理器硬件才能实现上述算法。超声波风速仪的功耗上升，将严重缩短超声波风速仪内的电池工作寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相关法和时差法配合使用的超声波风速仪量程拓宽方法，由时差法测量模块、相关法测量模块共同实现。风速较高时，休眠相关法测量模块的硬件电路，启动时差法测量模块的硬件电路，使用时差法测量当前风速；风速较低时，休眠时差法测量模块的硬件电路，启动相关法测量模块的硬件电路，使用相关法测量当前风速，从而既保证了电池供电式超声波风速仪的持续工作时间，又有效地拓宽了超声波风速仪的风速测量范围，尤其是提高了超声波风速仪对微小风速的高精度测量性能。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种超声波风速仪量程拓宽方法，基于相关法和时差法配合使用，其特征在于，由时差法测量模块（4）、相关法测量模块（5）、第一换能器（2A）、第二换能器（3A）、第三换能器（2B）和第四换能器（3B）组成；风速较高时，休眠相关法测量模块（5）的硬件电路，启动时差法测量模块（4）的硬件电路，使用时差法测量当前风速；风速较低时，休眠时差法测量模块（4）的硬件电路，启动相关法测量模块（5）的硬件电路，使用相关法测量当前风速。

进一步的，所述时差法测量模块（4）由低功耗的单片机电路（4A）、第一多路选择器电路（4B）和阈值比较电路（4C）组成；使用时差法测量风速包括如下步骤：

步骤1：单片机电路（4A）通过第一多路选择器电路（4B）向第一换能器（2A）和第二换能器（3A）发送3～7个脉冲信号，使得第一换能器（2A）和第二换能器（3A）向外发送超声波波束，同时，单片机电路（4A）依靠内部或外部晶振开始计时；第三换能器（2B）和第四换能器（3B）接收到超声波波束后，产生的信号经过阈值比较电路（4C）后输入到单片机电路（4A），使得单片机电路（4A）停止计时，并存储时间T1；

步骤2：单片机电路（4A）通过第一多路选择器电路（4B）向第三换能器（2B）和第四换能器（3B）发送3～7个脉冲信号，使得第三换能器（2B）和第四换能器（3B）向外发送超声波波束，同时，单片机电路（4A）依靠内部或外部晶振开始计时；第一换能器（2A）和第二换能器（3A）接收到超声波波束后，产生的信号经过阈值比较电路（4C）后输入到单片机电路（4A），使得单片机电路（4A）停止计时，并存储时间T2；