[实用新型]超声波数字风速风向仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及气象观测和流体测量技术领域。特别是一种超声波数字风速风向仪。

背景技术

在气象观测预报，体育比赛场地环境测量等领域，都涉及到流体测量问题，使得风速仪得到了广泛的应用。

常用风速仪有机械式风速仪、动压力式风速仪、热式风速仪等。风杯式和螺旋桨式风速仪都是利用机械部件旋转来敏感风速大小，并结合风向标获得风向。尽管这种方法简单可靠，但由于其测量部分具有机械活动部件，在长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，寿命有限，维护成本较高；另外，其精度不高，体积也较大使用领域受到极大制约，如EY型电传风速风向仪，其启动风速为0.5m/s，测量范围为2-12m/s或5-40m/s，测量精度为0.3m/s，风向测量精度为±11°。也有采用流体压力测风速的压力式风速仪，采用的传感器就是皮托管，但由于在自然风的条件下，空气的动压力相对较小，需要测量微小压力的仪器，这种仪器价格较高，且要求的环境条件严格，多年来只能在实验室使用，难以推广。还有热球式风速仪，如QDF-3型风速仪，测量范围为0.5m/s-30m/s，测量误差为5％-10％，但是不宜在潮湿，有粉尘的自然条件下使用。

发明内容

本实用新型的目的是在于提供一种测量精度高、使用范围广、成本低、可靠性强、使用寿命长，并能测量瞬时风速和风向的数字式风速风向仪。

所述超声波数字风速风向仪，其特征是：所述风速风向仪由电源模块1、四个发射接收模块2、计时模块3、控制及数据处理模块4、显示单元5和四个成正交的两个方向设置收发一体的超声波探头6、7、8、9组成，所述计时模块3包括选通逻辑单元、计数器、锁存器；所述四个发射接收模块2的探头发射接收控制端2-8分别与控制及数据处理模块4的发射接收控制指令端连接，四个发射接收模块2的输出驱动信号端2-16分别通过计时模块3的选通逻辑控制端与计数器启动、停止端连接，四个发射接收模块2的超声波信号输入输出端2-6、2-13通过变压器10分别与收发一体超声波探头6、7、8、9连接。

所述计时模块3的选通逻辑单元、计数器和锁存器分别与控制及数据处理模块4的选通指令端、复位指令端和锁存指令端连接；电源模块1的直流12V和5V工作电源分别与发射接收模块2、计时模块3和控制及数据处理模块4的工作电源端连接。

所述风速风向仪还可采用三个互成60°三个方向布置的收发一体的超声波探头11、12、13分别与三个对应发射接收模块2连接。

它的工作原理是：

超声波是机械振动在媒质中的传播过程，其传播速度必然受媒质自身运动的影响。本实用新型四个探头均为收发一体探头，分为两组6和7、8和9布置，通过控制及数据处理模块4来控制各个探头的收发顺序和工作时间，6和7协同工作、8和9协同工作，测出图1a中虚线方向的风速。三探头超声波数字风速风向仪的三个探头均为收发一体探头，11、12和13互成60°布置，其中一个探头发射，另外两个探头接收，采取循环发射接收方式，测出图1b中虚线方向的风速。

在同一时刻，控制及数据处理模块4控制发射接收模块2，进行一个探头的发射及对应探头的接收。与此同时，发射接收模块2在启动发射探头发射超声波的同时，触发计时模块3开始计时，发射接收模块2在接收探头收到超声波信号时，触发计时模块3停止计时。同时控制及数据处理模块4记录本次测量时间并复位发射接收模块2和计时模块3。控制及数据处理模块4在获得某一方向上超声波往返时间后，进行下一方向的测量，所有方向上超声波往返时间测量完成即构成一个测量周期，在一个测量周期结束后，控制及数据处理模块4计算出各个方向上的风速分量，通过矢量合成，求出风速值和风向值。

由于采用对称测量方式，测量结果与声速无关，无须复杂的声速实时修正。

若在风场中沿X方向平行放置两对超声波探头：T1，T2为发射，R1，R 2为接收，它们相距为L，如图2所示。

设无风时空气中的声速为C，风速V沿X方向上的分量为Vx，沿X轴正交面上的分量是Vy，按正反方向从T1到R1、T2到R2的传播时间分别为：