专利名称：一种风电场超声波风速检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波测量方法，特别涉及一种利用超声波测量风电场风速、风向的检测方法及装置。
背景技术：
随着化石能源的逐渐减少，风能作为一种无污染且蕴藏巨大能量的能源，它的开发利用受到人们关注。据统计全世界风能的总量约为1.3*105GW，风能的主要利用形式是风力发电，全球风能产业正以每年20%的增速扩张，2015年风能行业总产值将增至目前水平的5倍。随着大型风力发电场的开发和建设，风电场规划和运行的研究工作越来越重要，要达到系统安全稳定运行且最大化利用风能这个目标，无论是在风电机组选址安装前还是在风电场运行后，都非常有必要对风速温度进行实时监测。风速、风向、温度等参数检测在风电场的运行中起到关键作用，在欧美和亚洲少数发达国家纷纷建立自动气象参数观测站，建立包括风电站的历史数据、测风数据、温度数据、风电场资源评价数据、风电场参数预报和服务资料的数据库。目前国内的风能检测站采用的风速风向和温度测量设备基于不同的技术，风速风向检测设备是机械式的，机械式设备存在转动部件，容易产生磨损，可能会受到恶劣天气(沙尘和盐雾等)的损害。同时由于摩擦的存在，风速低于启动值时将不能驱动螺旋桨或者风杯进行旋转。而温度测量则采用热电偶、热电阻等，存在精度不高等问题。采用超声波技术可对风速、风向和温度同时测量，具有测量速度快、精确高、测量范围广等优点，而且利用高精度的气流、温度实时数据可实现三维气流、温度流场图像重建，满足风电场对局部环境风速风向和温度分布的需求。中国专利200810101288.6“超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法”只能测量二维风速。中国专利201010608611.6 “一种风力发电机组超声波风速风向测量装置”也仅能测量二维风速、风向；中国专利201110123546.2 “超声波三维测风方法和三维超声波风速风向仪”可以简单的获取三维风速风向，但当风向垂直于其中一对水平探头时，导致水平方向上的2对探头支架所受风力相差很大，在一定程度上影响测量精度。
发明内容
本发明目的是克服现有二维超声波风速、风向技术的不足，提出一种新型风电场三维超声波风速、风向测量方法及装置。本发明在环境、能源和气象等领域具有广阔的应用前景。本发明采用以下技术方案:—种风电场超声波风速检测方法，该方法利用超声脉冲直接时差法实现对风电场三维风速的全方位检测。首先利用三组成120度夹角的超声波探头对分时发射和接收超声脉冲信号，然后根据每对超声波探头之间的距离和超声脉冲信号传输的时间计算得到超声波探头对所在方向上的风速，最后计算得到实际三维风速、风向值。
本发明利用120度夹角的超声波探头对可以使任何一个方向上来风时安装超声波探头的小支架受力均衡，减小测量误差。应用本发明测量方法的风电场超声波风速检测装置包括:底座、支撑结构和电路模块。所述的底座固定在测风塔或者风电场任何需要测量风速的固定架上，底座中心位置开有螺孔，通过螺钉连接支撑结构的不锈钢筒。底座形状可以是圆形的也可以是方形的，也可以根据风电场安装环境设计成任意形状。支撑结构固定在底座上，电路模块置于支撑结构的不锈钢筒内。所述的支撑结构主要包括保护电路模块的不锈钢筒、6个测量臂、支撑测量臂的支撑架、支撑测量臂的支架和6个超声波探头。所述的不锈钢筒的底端通过螺钉固定在底座上，不锈钢筒的上端连接支架。不锈钢筒的形状可以为圆柱形，也可以是长方体形或者其它任何柱体形状。所述的支撑架包括第一支撑架和第二支撑架，第一支撑架的下端与支架直接相连，第一支撑架的上端密封；第二支撑架的上端与支架相连，第二支撑架的下端密封。第一支撑架和第二支撑架上下对称分布。所述的支架是由连接第一支撑架和第二支撑架的支撑杆经过弯曲成型而成，支撑杆可以是两次直角弯曲或者是弧形弯曲。所述的支撑杆可以是I根，也可以是2根或者3根，支撑杆为中空结构。采用2根支撑杆时，2根支撑杆位于同一平面；采用3根支撑杆时，则3根支撑杆成120°放置。支架起到固定第一支撑架和第二支撑架的作用。第一支撑架与第二支撑架同轴，且第一支撑架与第二支撑架的轴线与底座垂直。支撑架为中空结构的圆柱状桶体，圆柱状桶体的桶壁上有三个均匀分布的连接测量臂的螺孔。所述的6个测量臂带有螺纹的一端和支撑架相连，6个超声波探头分别安装在6个测量臂的另一端。测量臂为中空结构。测量臂分成2组，一组通过螺纹直接固定在在第一支撑架的三个螺孔中，另一组通过螺纹固定在第二支撑架的三个螺孔中。每一组的3个测量臂都呈立体120°布置，且与第一支撑架与第二支撑架的轴线夹角为60°，6个测量臂的长度相等。6个超声波探头分别安装在所述的6个测量臂上远离支撑架的一端，且超声波探头的发射平面与测量臂成90°角，同时保证安装在第一支撑架上的3个超声波探头与安装在第二支撑架上的3个超声波探头两两相对，两两相对的超声波探头同轴布置，且两两相对的超声波探头之间的距离相
坐寸ο所述的电路模块位于不锈钢筒内部，不锈钢筒的底端通过螺钉固定在底座上，不锈钢筒与底座之间完全密封连接，对电路模块起保护作用。电路模块主要由中央处理单元、超声波收发处理电路、超声波收发电路、数据显示和存储电路组成。中央处理单元的控制端分别连接超声波收发处理电路、超声波收发电路以及数据显示和存储电路。所述的中央处理单元用于进行数据处理，并发出控制指令通过信号线控制超声波收发电路和超声波收发处理电路。超声波收发电路用于超声波的发射和接收，主要由匹配发射电路、滤波电路和放大电路组成。匹配发射电路的信号输入端连接中央处理单元，输出端连接超声波探头。滤波电路的输入端连接超声波探头，输出端电路放大电路的输入端，放大电路的输出端连接超声波收发处理电路的信号输入端。首先发射电路发射超声波信号，然后通过相对应的超声波探头进行接收超声波信号，接收到的超声波信号进行滤波电路和放大电路后由超声波收发处理电路进行处理。超声波收发处理电路用于测量超声波在空气中的传播时间。所述的超声波收发处理电路的核心是TDC-GPl芯片，它是ACAM公司基于0.8uCM0S工艺设计的高精度时间数字(Time digital converter)转换芯片，它利用延时线法可对两个脉冲或多个脉冲之间的时间间隔进行精确测量，单通道测量精度为250ps，双通道耦合精度可达150ps，测量范围从3ns-200ms不等，因此其不但测量精度高，测量范围也很大。采用本发明风电场超声波风速检测装置测量风速和风向的方法如下:本发明风电场超声波风速检测装置中的六个超声波探头分成2组，其中第一超声波探头、第二超声波探头和第三超声波探头分别通过第一测量臂、第二测量臂和第三测量臂固定在第一支撑架上，且三个测量臂成120°排列，3个测量臂与中心轴线呈60°夹角。第四超声波探头、第五超声波探头和第六超声波探头分别通过第四测量臂、第五测量臂和第六测量臂固定在第二支撑架上，且三个测量臂成120°排列，3个测量臂与中心轴线呈60°夹角。本发明中第一超声波探头和第五超声波探头相对布置，分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号，利用超声波收发处理电路分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。本发明中第二超声波探头和第六超声波探头相对布置，分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号，利用超声波收发处理电路分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。本发明中第三超声波探头和第四超声波探头相对布置，分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号，利用超声波收发处理电路分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。其中第一超声波探头和第五超声波探头之间的距离与第二超声波探头和第六超声波探头之间的距离以及第三超声波探头和第四超声波探头之间的距离相等。利用直接时差法分别计算得到第一超声波探头和第五超声波探头相对直线方向上的风速为vl，第二超声波探头和第六超声波探头相对直线方向上的风速为v2，第三超声波探头和第四超声波探头相对直线方向上的风速为v3，然后根据该风电场超声波风速检测装置的架设方位，确定vl的风速分量方向在水平方向上的投影与地理坐标系统中正北向的夹角，假设夹角为Θ，则可以计算得到地理坐标下平行正北向的水平风速Vx、垂直正北向的水平风速Vy和垂直风速Vz:
权利要求
1.一种风电场超声波风速检测方法，其特征在于，所述的风电场超声波风速检测方法利用超声脉冲直接时差法实现对风电场三维风速的全方位检测；首先利用三组成120度夹角布置的超声波探头对分时发射和接收超声脉冲信号，然后根据每对超声波探头之间的距离和超声脉冲信号传输的时间计算得到超声波探头对所在方向上的风速，最后计算得到实际三维风速、风向值。
2.根据权利要求1所述的风电场超声波风速检测方法，其特征在于，所述的超声脉冲直接时差法步骤如下: 利用时差法分别计算得到第一超声波探头(5)和第五超声波探头(12)相对直线方向上的风速vl，第二超声波探头(7)和第六超声波探头(14)相对直线方向上的风速v2，第三超声波探头(15)和第四超声波探头(8)相对直线方向上的风速v3，然后根据超声波风速仪的架设方位，确定第一超声波探头(5)和第五超声波探头(12)相对直线方向上的风速vl方向在水平方向上的投影与地理坐标系统的夹角，假设该夹角为Θ，则计算得到地理坐标下平行正北向的水平风速Vx、垂直正北向的水平风速Vy和垂直风速Vz:
3.根据权利要求1所述的风电场超声波风速检测方法，其特征在于，所述的三组成120度夹角布置的超声波探头为:第一超声波探头(5)和第五超声波探头(12)相对，第二超声波探头(7)和第六超声波探头(14)相对，第三超声波探头(15)和第四超声波探头(8)相对;每对超声波探头之间的直线距离相等；三组超声波探头分时发射超声波，并接收来自对方的超声波信号。
4.应用权利要求1所述的风电场超声波风速检测方法的装置，其特征在于，所述的装置主要包括:底座(I)、支撑结构和电路模块；所述的底座(I)固定在测风塔或者风电场任何需要测量风速的固定架上，底座(I)的中心位置开有螺孔，通过螺钉连接支撑结构的不锈钢筒(2);所述的支撑结构固定在底座(I)上，所述的电路模块置于支撑结构的不锈钢筒(2)内。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的支撑结构包括保护电路板的不锈钢筒(2)、6个测量臂(4、6、16、9、11、13)、第一支撑架(3)、第二支撑架(10)、支撑测量臂的支架(17)和6个超声波探头；不锈钢筒(2)的上端连接支架(17);第一支撑架(3)的下端与支架(17)相连，第一支撑架(3)的上端密封；第二支撑架(10)的上端与支架(17)相连，第二支撑架(10)的下端密封；第一支撑架(3)和第二支撑架(10)上下对称布置，第一支撑架(3)和第二支撑架(10)的轴线与不锈钢筒(2)的中心轴线平行；支架(17)固定第一支撑架(3)和第二支撑架(10);第一支撑架(3)与第二支撑架(10)同轴，且第一支撑架(3)与第二支撑架(10)的轴线与底座垂直；支撑架为中空结构的圆柱状桶体，圆柱状桶体的桶壁上有三个均匀分布的连接测量臂的螺孔；所述的6个测量臂带有螺纹的一端连接支撑架，6个超声波探头分别安装在6个测量臂远离支撑架的另一端，所述的超声波探头的发射平面与测量臂成90°角。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的测量臂为中空结构；6个测量臂分成2组，其中第一测量臂(4)、第二测量臂(6)和第三测量臂(16)为一组，固定在第一支撑架(3)的三个螺孔中，第一测量臂(4)、第二测量臂(6)和第三测量臂(16)之间的立体夹角为120°，三个测量臂与第一支撑架(3)和第二支撑架(10)的轴线夹角为60° ;第四测量臂(9)、第五测量臂(11)和第六测量臂(13)为另一组，固定在第二支撑架(10)上，第四测量臂(9)、第五测量臂(11)和第六测量臂(1 3)之间的立体夹角为120°，三个测量臂与第一支撑架(3)和第二支撑架(10)的轴线夹角为60° ;6个测量臂的长度相等。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的支撑测量臂的支架(17)由连接第一支撑架(3)和第二支撑架(10)的支撑杆弯曲成型而成；所述的支撑杆为I根或多根；采用2根支撑杆时，2根支撑杆位于同一平面；采用3根支撑杆时，则3根支撑杆成120°布置；所述的支架(17)、支撑杆、第一支撑架(3)和第二支撑架(10)均采用中空结构。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的电路模块由中央处理单元(18)、超声波收发处理电路(19)、超声波收发电路(22)、数据显示和存储电路(21)组成；中央处理单元(18)的控制端分别连接超声波收发处理电路(19)、超声波收发电路(22)以及数据显示和存储电路(21);所述的中央处理单元(18)进行数据处理，并通过信号线发出控制指令控制超声波收发电路(22)和超声波收发处理电路(19);所述的超声波收发电路(22)用于超声波的发射和接收，超声波收发电路(22)主要由匹配发射电路和接收电路组成；接收电路由滤波电路和放大电路组成；所述的匹配发射电路的输入端连接中央处理单元(18)，匹配发射电路的输出端连接超声波探头；滤波电路的输入端连接超声波探头，滤波电路的输出端电路放大电路的输入端，放大电路的输出端连接超声波收发处理电路(19 )的信号输入端；超声波收发处理电路(19)用于测量超声波在空气中的传播时间；数据显示和存储电路(21)接收中央处理单元(18)传送的风速风向值进行显示和存储。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的超声波收发处理电路(19)采用芯片TDC-GPI ;所述的超声波收发处理电路(19)采用测量范围(2)的计数方法和分辨率调整模式，并通过中央处理单元(18)的芯片STM32F103RBT6控制。
全文摘要
一种风电场超声波风速检测方法，利用超声脉冲直接时差法实现对风电场三维风速的全方位检测；首先利用三组成120度夹角布置的超声波探头对分时发射和接收超声脉冲信号，然后根据每对超声波探头之间的距离和超声脉冲信号传输的时间计算得到超声波探头对所在方向上的风速，最后计算得到实际三维风速、风向值。使用本发明方法的装置由呈120°张角的三组超声波探头对组成，每组超声波探头对中的两个探头交替发射超声波信号，并接收来自对向布置的超声波探头发射的超声波脉冲信号。
文档编号G01P5/24GK103197096SQ201310081679
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者汪宁渤, 夏慧, 路亮, 刘国强, 刘光途, 黄欣, 王定美, 李艳红, 马彦宏, 李士强, 赵龙, 邓棋文, 马明 申请人:甘肃省电力公司, 中国科学院电工研究所