[发明专利]一种多功能超声波风速仪

说明书

本发明公开了一种多功能超声波风速仪，属于超声波风速仪领域，包括四个超声波探头、支撑板和上位机，所述支撑板内设置有控制电路，与控制电路连接的信号发射电路、信号采集电路和串口通信电路；所述信号发射电路与超声波探头连接，驱动超声波探头发射超声波信号；所述信号采集电路与信号发射电路连接，驱动超声波探头接收超声波信号；所述串口通信电路与上位机连接，控制上位机显示当前风速、风向信息；所述控制电路利用微控制器中的定时器计算时间差，将时间差计算转换成风速与风向信息传送给上位机。本发明解决了现有超声波风速仪的电路存在电路复杂、成本较高，测量精度和工作效率较低的问题。

技术领域

本发明属于超声波风速仪领域，涉及一种多功能超声波风速仪。

背景技术

风速仪，是测量空气流速的仪器，它的种类较多，常用的风速仪有：杯式风速仪、热敏风速仪、叶轮风速仪和超声波风速仪。

杯式风速仪，感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成，空杯固定在互成120°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上，当风吹来时，风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。随着风压和风压差的不断变化，经过一段时间后，风速不变时，作用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动，这样根据风杯的转速(即每秒钟转的圈数)就可以确定风速的大小。当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。目前的杯式风速仪大多都是采用三杯的，当风速增加时转杯能迅速增加转速，以适应气流速度，但当风速减小时，由于惯性影响，转速却不能立即下降，导致杯式风速仪在阵性风里指示的风速一般是偏高的，产生的平均误差约为10％。因此，杯式风速仪存在由于转动需要一定的机械摩擦，无风或风速较小时，空杯转动不起来，以及空杯体积较大、惯性也大，高风速的时候测量结果会偏大的问题。

热敏风速仪的风速探头为敏感部件，当恒定电流流过其加热线圈时，其敏感部件内，温度升高并于静止空气中达到一定数值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生的基准反电势互相抵消，使输出信号为零，仪表指针也指于零点。若风速探头端部的热敏感部件暴露于空气流中时，由于进行热交换，将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号被测量指示仪表系统放大并推动电表，由指针示值即可读出被测风速大小。热敏风速仪主要是利用流动的空气对加热的金属丝进行散热来实现对风速的测量。先用电流对金属丝进行加热，风速的平方与散热速率成正比，因此根据热敏电阻转换成温度值进而转换成风速值。但是，热敏风速仪的探头中连接热敏的铂丝比较脆弱，在使用中若不小心容易造成探头损坏，无法修复。因此，热敏风速仪存在工作效率慢，误差大，使用过程中需要人员参与，不易实现工业智能化、全自动化的问题。

叶轮风速仪是将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝，称为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热线散失的热量与流体的速度之间存在关系式。但是叶轮风速仪存在由于摩擦损耗导致其寿命短和很难维护，抗干扰能力较差的问题。

超声波风速仪是利用发送声波脉冲，测量接收端的时间或频率(多普勒变换)差别来计算风速和风向的测量仪器。超声波风速仪是超声波检测技术在气体介质中的一种应用，它利用超声波在空气中传播速度受空气流动(风)的影响来测量风速，主要是利用超声波时差法来实现风速的测量，声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。与常规的风杯或旋翼式风速仪相比这种测量方法的最大特点在于整个测风系统没有任何机械转动部件，属于无惯性测量，故能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分，结合现代计算机技术，可在更高层次上揭示自然风的特性对于提高抗风减灾能力和风资源的合理利用有重大意义。