一种基于总线通信方式的超声风速测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于总线通信方式的超声风速测量装置，包括安装在测风塔不同高度的多台总线通信式超声风速仪，安装在测风塔底部的中心控制器，以及用于所述多台总线通信式超声风速仪分别与中心控制器之间连接的公共通信总线；所述多台总线通信式超声风速仪，分别通过公共通信总线，连接至中心控制器。本实用新型所述基于总线通信方式的超声风速测量装置，可以克服现有技术中成本高、测量精度低、适用范围小和安装复杂等缺陷，以实现成本低、测量精度高、适用范围大和安装简单的优点。
【专利说明】一种基于总线通信方式的超声风速测量装置【技术领域】
[0001]本实用新型涉及风速测量装置，具体地，涉及一种基于总线通信方式的超声风速
测量装置。
【背景技术】
[0002]目前，测量风速风向的方法主要有机械测风法，传统的测量风速风向方法一种是采用螺旋桨式的旋转传感器技术。风经过传感器的桨叶时，带动桨叶的旋转，通过测量桨叶的旋转速度计算出风的速度。螺旋桨将自动调整方向，使得桨叶平面垂直于风吹来的方向，从而测得风向。
[0003]另一种传统方法是采用风杯式测风法。利用三杯式回转感应元件变化信号形式，将信号转化为霍尔开关模式。当起风时，风杯组旋转，伴随磁棒盘旋转会产生若干个小磁场，此时霍尔开关电路对应感应出相同数量的脉冲信号，其频率与风速成正比。风向的测量可利用风向标组件等感应元件，其将测量的角度转化为光电电路与格雷码盘。经电路整形反相后输出，继而求得风速风向。
[0004]传统的风速风向仪由于存在转动部件，容易磨损，尤其在大风等恶劣天气极易损坏，其测速精度也受到沙尘和盐雾锈蚀而产生的摩擦的影响。由于摩擦的影响，传统的风速风向仪还要求有启动风速，低于启动风速的风将不能驱动旋转传感器的桨叶，因此低于启动风速的风将无法测量。
[0005]另外，测风塔上需要安装多层风速、风向、温度、气压测量仪，采用传统测量设备时，设备数量多，需要多根供电线和信号线，精度差、成本高、现场安装复杂。
[0006]在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中至少存在成本高、测量精度低、适用范围小和安装复杂等缺陷。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种基于总线通信方式的超声风速测量装置，以实现成本低、测量精度高、适用范围大和安装简单的优点。
[0008]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:一种基于总线通信方式的超声风速测量装置，包括安装在测风塔不同高度的多台总线通信式超声风速仪，安装在测风塔底部的中心控制器，以及用于所述多台总线通信式超声风速仪分别与中心控制器之间连接的公共通信总线；所述多台总线通信式超声风速仪，分别通过公共通信总线，连接至中心控制器。
[0009]进一步地，所述多台总线通信式超声风速仪分别与中心控制器之间采用主从模式通信，即:
[0010]所述中心控制器作为主设备，多台总线通信式超声风速仪作为多台从设备，主设备和多台从设备之 间采用轮询方式通信，每台从设备具有唯一地址，主设备按顺序依次查询各台从设备的测量数据。[0011]进一步地，每台总线通信式超声风速仪，包括依次连接至公共通信总线的超声波驱动电路、超声波探头组、超声接收信号放大滤波调理单元、数字信号处理器单元和通信接口单元，以及分别与所述超声波驱动电路、超声波探头组、超声接收信号放大滤波调理单元和数字信号处理器单元连接的电源单元；所述数字信号处理器单元与超声波驱动电路连接；
[0012]所述超声波驱动电路，连接到超声波探头组，发射超声信号；超声接收信号调理单元连接到超声波探头组，接收超声信号，进行滤波和放大，并输出到数学信号处理器单元，先进行模数信号转换，再进行数字信号处理，进行时延估计，计算得到超声风速和风向；数学信号处理器单元测得的风速风向信号，通过通信接口单元和数据总线发送。
[0013]进一步地，所述超声波探头组，具体为多个超声波探头组成的超声收发阵列。
[0014]进一步地，二维超声测风时，所述超声波探头组为四个正交水平放置的超声波探头；三维超声测风时，所述超声波探头组为六个超声波探头组成的超声收发阵列；
[0015]测量各方向上的风速和风向时，需要采用多对超声波探头组成超声波探头组，二维超声测风时，采用两对探头在水平面上的相互垂直的方式同时测得水平面上相互垂直的两个方向上的风速，然后进行正交合成，计算得到水平面上的风速和风向；三维超声测风时，需要三对超声波探头实现三维的风速风向测量。
[0016]进一步地，二维超声测风时，四个正交水平放置的超声波探头，为相互垂直放置的四个超声波探头，两对超声波探头之间的距离相等，并安装在同一水平面上，分别表示东、南、西、北；
[0017]相对的两超声波探头信号的传播，通过机械外壳顶盖上的相应反射面实现，以相同频率发射超声波信号并测量其顺、逆向的传播时间；通过相应计算，得到水平风速风向数值。
[0018]进一步地，所述超声波驱动电路，具体为功率放大器。
[0019]进一步地，所述公共通信总线，采用RS-485接口作为物理接口，并采用一条双绞线实现总线通信。
[0020]本实用新型各实施例的基于总线通信方式的超声风速测量装置，由于包括安装在测风塔不同高度的多台总线通信式超声风速仪，安装在测风塔底部的中心控制器，以及用于多台总线通信式超声风速仪分别与中心控制器之间连接的公共通信总线；多台总线通信式超声风速仪，分别通过公共通信总线，连接至中心控制器；可以采用超声波测风技术，同时测量风速和风向，且利于数字总线方式传输测量数据；从而可以克服现有技术中成本高、测量精度低、适用范围小和安装复杂的缺陷，以实现成本低、测量精度高、适用范围大和安装简单的优点。
[0021]本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。
[0022]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中:[0024]图1为本实用新型基于总线通信方式的超声风速测量装置中超声风速仪的二维正交超声波探头布置图；
[0025]图2为本实用新型基于总线通信方式的超声风速测量装置中超声风速仪的工作原理框图；
[0026]图3为本实用新型基于总线通信方式的超声风速测量装置的总线式连接示意图。
[0027]结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下:
[0028]11、12、13、14_超声波探头；21_超声波探头组；22-超声驱动单元(即超声波驱动电路);23-电源单元；24_超声接收信号调理单元；25_数字信号处理单元；26_通信接口单元；27_数据总线；31_数据总线；32,33,34-超声风速仪；35_中心控制器。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0030]为了克服传统机械风速风向仪功能和安装连接的不足，根据本实用新型实施例，如图1-图3所示，提供了一种基于总线通信方式的超声风速测量装置，采用超声波测风技术，同时测量风速和风向，且利于数字总线方式传输测量数据，是用于风电场测风塔上的具有总线通信功能的超声测风装置。该基于总线通信方式的超声风速测量装置，利用超声波在不同风速中传播的速度不同的原理，测量风速；利用多对超声波探头组成的超声波探头组实现不同方向的风速和风向测量；利用总线通信方式实现测量数据的传输(例如，利用RS-485总线接口，采用主从轮询式通信方式实现超声风速仪测量数据的传输)。
[0031]在图1中，超声波探头11、12、13、14为相互垂直放置的四个超声波探头，每对超声波探头间距离相等，并安装在同一水平面上，分别表示东、南、西、北。相对的两超声波探头信号的传播是通过机械外壳顶盖上的相应反射面来实现的，以相同频率发射超声波信号并测量其顺、逆向的传播时间。通过相应计算，可以得到水平风速风向数值。
[0032]在图2中，超声风速仪包括超声波探头组21，超声驱动单元22，电源单元23，超声接收信号放大滤波调理单元24，数字信号处理器单元25、通信接口单元26。超声波探头组21为多个超声波探头组成的超声收发阵列，二维超声测风为四个正交水平放置的超声波探头，三维超声测风时，为六个超声波探头组成的超声收发阵列。超声驱动单元22为功率放大器，连接到超声波探头组21，发射超声信号。超声接收信号调理单元24连接到超声波探头组21，接收超声信号，进行滤波和放大，并输出到数学信号处理器单元25，先进行模数信号转换，再进行数字信号处理，进行时延估计，计算得到超声风速和风向。数学信号处理器单元25测得的风速风向信号通过通信接口单元26和数据总线27发送。
[0033]在图3中，多台总线通信式超声风速仪32、33、34(即图2中的超声风速仪)安装在测风塔的不同高度，通过公共的通信总线，连接到位于测风塔底部的中心控制器35上。通信总线采用RS-485接口作为物理接口，一条双绞线实现总线通信。设备间采用主从模式通信，中心控制器35作为主设备，超声风速仪32、33、34作为从设备，主从采用轮询方式通信，每台设备具有唯一地址，主设备按顺序依次查询各个从设备的测量数据。
[0034]在上述实施例的基于总线通信方式的超声风速测量装置中，通信数据帧格式见下表。在下表中，通信数据帧格式，开始字符表示通信数据帧的开始，目的地址和源地址标识不同的设备，以及数据流向；命令号表示不同的功能，用不同的命令号读取不同的数据；校验字节用来检测通信数据错误，结束字符表示通信帧的结束。
[0035]
【权利要求】
1.一种基于总线通信方式的超声风速测量装置，其特征在于，包括安装在测风塔不同高度的多台总线通信式超声风速仪，安装在测风塔底部的中心控制器，以及用于所述多台总线通信式超声风速仪分别与中心控制器之间连接的公共通信总线；所述多台总线通信式超声风速仪，分别通过公共通信总线，连接至中心控制器。
2.根据权利要求1所述的基于总线通信方式的超声风速测量装置，其特征在于，所述多台总线通信式超声风速仪分别与中心控制器之间采用主从模式通信，即: 所述中心控制器作为主设备，多台总线通信式超声风速仪作为多台从设备，主设备和多台从设备之间采用轮询方式通信，每台从设备具有唯一地址，主设备按顺序依次查询各台从设备的测量数据。
3.根据权利要求1或2所述的基于总线通信方式的超声风速测量装置，其特征在于，每台总线通信式超声风速仪，包括依次连接至公共通信总线的超声波驱动电路、超声波探头组、超声接收信号放大滤波调理单元、数字信号处理器单元和通信接口单元，以及分别与所述超声波驱动电路、超声波探头组、超声接收信号放大滤波调理单元和数字信号处理器单元连接的电源单元；所述数字信号处理器单元与超声波驱动电路连接； 所述超声波驱动电路，连接到超声波探头组，发射超声信号；超声接收信号调理单元连接到超声波探头组，接收超声信号，进行滤波和放大，并输出到数学信号处理器单元，先进行模数信号转换，再进行数字信号处理，进行时延估计，计算得到超声风速和风向；数学信号处理器单元测得的风速风向信号，通过通信接口单元和数据总线发送。
4.根据权利要求3所述的基于总线通信方式的超声风速测量装置，其特征在于，所述超声波探头组，具体为多个超声波探头组成的超声收发阵列。
5.根据权利要求4所述的基于总线通信方式的超声风速测量装置，其特征在于，二维超声测风时，所述超声波探头组为四个正交水平放置的超声波探头；三维超声测风时，所述超声波探头组为六个超声波探头组成的超声收发阵列； 测量各方向上的风速和风向时，需要采用多对超声波探头组成超声波探头组，二维超声测风时，采用两对探头在水平面上的相互垂直的方式同时测得水平面上相互垂直的两个方向上的风速，然后进行正交合成，计算得到水平面上的风速和风向；三维超声测风时，需要三对超声波探头实现三维的风速风向测量。
6.根据权利要求5所述的基于总线通信方式的超声风速测量装置，其特征在于，二维超声测风时，四个正交水平放置的超声波探头，为相互垂直放置的四个超声波探头，两对超声波探头之间的距离相等，并安装在同一水平面上，分别表示东、南、西、北； 相对的两超声波探头信号的传播，通过机械外壳顶盖上的相应反射面实现，以相同频率发射超声波信号并测量其顺、逆向的传播时间；通过相应计算，得到水平风速风向数值。
7.根据权利要求3所述的基于总线通信方式的超声风速测量装置，其特征在于，所述超声波驱动电路，具体为功率放大器。
8.根据权利要求1或2所述的基于总线通信方式的超声风速测量装置，其特征在于，所述公共通信总线，采用RS-485接口作为物理接口，并采用一条双绞线实现总线通信。
【文档编号】G01P5/24GK203465287SQ201320574404
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】汪宁渤, 夏慧, 刘光途, 刘国强, 路亮, 王定美, 黄欣, 赵龙, 李士强, 吕清泉, 李艳红, 邓棋文 申请人:国家电网公司, 甘肃省电力公司, 中国科学院电工研究所, 甘肃省电力公司风电技术中心