专利名称：超声波风向风速仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及风向风速监测仪器，具体涉及超声波风向风速仪。
背景技术：
风向风速监测仪是用于监测风向风速的专用仪器，可自动记录风速与风向参数， 主要应用在工程机械(起重机、履带吊、门吊、塔吊等)、风力发电、光伏发电、太阳能发电、 铁路、港口、码头、电厂、索道、环境、温室、园林、养殖等领域，最大测量范围风速0-40m/s，风向0-360度。风向风速仪的种类较多，最常用的为风杯风速计，它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。另一种旋转式风速计为旋桨式风速计，由一个三叶或四叶螺旋桨组成感应部分，将其安装在一个风向标的前端，使它随时对准风的来向，桨叶绕水平轴以正比于风速的转速旋转。上述结构的风向风速仪，由于转动部件多，容易产生磨损，并且，在冬季，风杯或风摆经常由于结冰而卡死不能转动导致而无法测量。为此，中国发明专利CN101236213A公开了一种超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法，在底座上设置四个测量臂和四个超声波发射/接收探头，四个超声波发射/接收探头依次相邻成90度夹角，通过相对的两对超声波发射/接收探头测量沿空气传播的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时间差，并结合探头之间的距离计算出空气流动速度。但是，该发明提供的超声波风速仪在使用过程中存在以下一些问题(1)、由于此类超声波风向风速仪中电子元件众多，因此，电子元件之间的干扰不可避免，从而影响测量的准确性，尤其是模拟信号输出部分，因此模拟信号更容易受到干扰。O)、该超声波风速仪的数据输出部分通过切换开关实现数字与模拟信号的择一输出，仪器的可靠性有待进一步提高。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是解决如何提高超声波风速仪的抗干扰能力，从而提高测量准确性的问题。为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种超声波风向风速仪，包括底座和风力测量装置，所述风力测量装置包括设置在底座内的测量控制系统以及固定在底座上表面上的第一、第二两组超声波发射和接收探头，其特征在于，所述测量控制系统包括风向风速测量单元和数据输出单元，所述风向风速测量单元根据超声波分别在所述第一、第二两组超声波发射和接收探头之间的传输时间获得当前的风向和风速并由所述数据输出单元输出，所述数据输出单元包括数字信号输出接口、模拟信号输出接口和数字-模拟信号转换装置，所述数字信号输出接口连接至所述风向风速测量单元的风向和风速数字信号输出接口，所述模拟信号输出接口包括电流输出接口，所述数字-模拟信号转换装置包括数字电流环路输出转换器，其两个输出范围设定引脚分别连接由所述风向风速测量单元输出的输出选择信号，其DAC缓存输入端通过限流电阻连接到该数字电流环路输出转换器的电源引脚；扩流三极管，基极连接到所述数字电流环路输出转换器的电流输出引脚，集电极连接至所述数字电流环路输出转换器的外部晶体管连接引脚；瞬态二极管，正极连接扩流三极管的发射极，负极接地线；保护二极管，正极通过第一电阻连接扩流三极管的发射极，负极连接至电流输出接口。在上述方案中，所述保护二极管的负极还连接有第二电阻，所述模拟信号输出接口还包括电压输出接口和，所述第二电阻连接至所述电压输出接口。在上述方案中，所述数字-模拟信号转换装置还包括数字隔离器，由所述风向风速测量单元输出的输出选择信号以及时钟信号和当前的风向、风速数字信号分别接入所述数字隔离器的逻辑输入引脚，相应的逻辑输出引脚分别连接至所述数字电流环路输出转换
ο在上述方案中，所述风向风速测量单元的控制面板上设有4mA-20mA、0mA-20mA、 0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，所述风向风速测量单元根据用户在所述控制面板上的选择输出相应的所述输出选择信号。在上述方案中，所述第一、第二两组超声波发射和接收探头分别通过四个支架固定在所述底座上，所述支架内分别设有电加热装置，所述测量控制系统中设有电加热控制模块，所述电加热控制模块输出加热控制信号启动或关闭所述电加热装置。在上述方案中，所述支架上分别设有温度探头，所述电加热控制模块根据所述温度探头实时获得的当前环境温度是否低于设定值，发出相应的所述加热控制信号。在上述方案中，所述数字电流环路输出转换器采用的是AD420系列芯片，所述数字隔离器采用的是ADUM400四通道数字隔离器。本实用新型，采用了数字电流环路输出转换器进行数字-模拟信号转换，在电流模式下，大部分的电流由扩流三极管提供，这样降低了数字电流环路输出转换器功耗，利用保护二极管防止外部输入烧毁扩流三极管，利用瞬态二极管吸收外部干扰和浪涌，大大减少了电子元件之间的干扰，提高了仪器的工作可靠性。并且，本实用新型可以同时输出数字信号和模拟信号，当一个输出接口出现故障时，可以通过另一个输出接口输出数据，也可以根据用户的选择输出相应的数字信号或模拟信号，提高了仪器工作的可靠性。在本实用新型提供的另一种优选的技术方案中，由风向风速测量单元输出的输出选择信号、时钟信号以及当前的风向、风速数字信号分别通过数字隔离器连接至数字电流环路输出转换器，使中央处理器与输出单元隔离，进一步提高了电路的抗干扰能力。在本实用新型提供的另一种优选的技术方案中，控制面板上设有4mA-20mA、 0mA-20mA,0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，用户可以方便地选择相应的输出信号，提高了仪器应用的灵活性。
图1为本实用新型提供的超声波风向风速仪结构示意图；图2为本实用新型提供的超声波风向风速仪控制电路板原理框图；图3为本实用新型提供的超声波风向风速仪输出单元电路图；图4为本实用新型超声波风向、风速测试计算原理图。
具体实施方式
本实用新型提供的一种超声波风向风速仪，主要对测量控制系统进行了改进设计，提高了仪器的抗干扰能力，同时增加了保护措施，提高了超声波风速仪测量结果的准确性以及工作可靠性。下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作出详细的说明，以便于本领域技术人员更好地理解。图1为本实用新型提供的超声波风向风速仪结构示意图，如图所示，本实用新型提供的超声波风向风速仪包括底座1和风力测量装置2。风力测量装置包括设置在底座1内的测量控制系统以及第一、第二两组超声波探头，第一超声波探头包括相对设置的超声波发射探头21和超声波接收探头23，第二超声波探头包括相对设置的超声波发射探头22和超声波接收探头24，四个超声波探头21、22、23、 M在同一平面内相互间隔90度布置，并分别通过一个支架3固定在底座1上(支架3其四个)，支架3内分别设有电加热装置。如图2所示，测量控制系统包括风向风速测量单元、电加热控制模块和数据输出单元，支架3上分别设有温度探头，电加热控制模块根据温度探头实时获得的当前环境温度是否低于设定值，发出相应的加热控制信号，当环境温度低于10度时，各电加热装置开始工作并维持在20度。由于本实用新型中的各电加热装置分别实现了自动控制，一来省去了人工操作的麻烦，节约了成本；二来可以及时关闭相应的电加热装置，避免浪费能源。本实用新型利用了超声波测量风向和风速，其原理是利用两对相对设置的超声波发射和接收探头，运用时差法测量沿空气传播的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时差，计算出这两个方向的超声波传播速度，再根据叠加原理求出风速的大小和方向。计算原理如图4所示设超声波发射和接收探头(N、S、E、W)之间的距离分别是Lns和Lwe，超声波在空气中的传播速度为C，速度为V的风从和正北方向成θ的角度吹来，则有
权利要求1.超声波风向风速仪，包括底座和风力测量装置，所述风力测量装置包括设置在底座内的测量控制系统以及固定在底座上表面上的第一、第二两组超声波发射和接收探头，其特征在于，所述测量控制系统包括风向风速测量单元和数据输出单元，所述风向风速测量单元根据超声波分别在所述第一、第二两组超声波发射和接收探头之间的传输时间获得当前的风向和风速数字信号并由所述数据输出单元输出，所述数据输出单元包括数字信号输出接口、模拟信号输出接口和数字-模拟信号转换装置，所述数字信号输出接口连接至所述风向风速测量单元的风向和风速数字信号输出接口，所述模拟信号输出接口包括电流输出接口，所述数字-模拟信号转换装置包括数字电流环路输出转换器，其两个输出范围设定引脚分别连接由所述风向风速测量单元输出的输出选择信号，其DAC缓存输入端通过限流电阻连接到该数字电流环路输出转换器的电源引脚；扩流三极管，基极连接到所述数字电流环路输出转换器的电流输出引脚，集电极连接至所述数字电流环路输出转换器的外部晶体管连接引脚；瞬态二极管，正极连接扩流三极管的发射极，负极接地线；保护二极管，正极通过第一电阻连接扩流三极管的发射极，负极连接至电流输出接口。
2.如权利要求1所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述保护二极管的负极还连接有第二电阻，所述模拟信号输出接口还包括电压输出接口和，所述第二电阻连接至所述电压输出接口。
3.如权利要求1所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述数字-模拟信号转换装置还包括数字隔离器，由所述风向风速测量单元输出的输出选择信号以及时钟信号和当前的风向、风速数字信号分别接入所述数字隔离器的逻辑输入引脚，相应的逻辑输出引脚分别连接至所述数字电流环路输出转换器。
4.如权利要求2所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述风向风速测量单元的控制面板上设有4mA-20mA、0mA-20mA、0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，所述风向风速测量单元根据用户在所述控制面板上的选择输出相应的所述输出选择信号。
5.如权利要求1所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述第一、第二两组超声波发射和接收探头分别通过四个支架固定在所述底座上，所述支架内分别设有电加热装置，所述测量控制系统中设有电加热控制模块，所述电加热控制模块输出加热控制信号启动或关闭所述电加热装置。
6.如权利要求5所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述支架上分别设有温度探头，所述电加热控制模块根据所述温度探头实时获得的当前环境温度是否低于设定值，发出相应的所述加热控制信号。
7.如权利要求3所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述数字电流环路输出转换器采用的是AD420系列芯片，所述数字隔离器采用的是ADUM400四通道数字隔离器。
专利摘要本实用新型公开了一种超声波风向风速仪，风力测量装置中设有数字-模拟信号转换装置，数字-模拟信号转换装置包括数字电流环路输出转换器、扩流三极管、瞬态二极管和保护二极管，数字电流环路输出转换器的两个输出范围设定引脚分别连接输出选择信号，DAC缓存输入端经限流电阻连接到数字电流环路输出转换器的电源引脚，扩流三极管的基极连接到数字电流环路输出转换器的电流输出引脚，集电极连接至数字电流环路输出转换器的外部晶体管引脚。在电流模式下，大部分的电流由扩流三极管提供，降低了数字电流环路输出转换器的功耗，保护二极管防止烧毁扩流三极管，瞬态二极管吸收外部干扰和浪涌，提高了抗干扰能力，增强了可靠性。
文档编号G01P13/02GK202057673SQ20112018547
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者陈昌捷 申请人:陈昌捷