一种基于超声共振原理的风速风向测量方法与流程

本发明属于风能发电中的风向测量技术领域，具体涉及一种基于超声共振原理的风速风向测量方法。

背景技术：

风力是绿色能源的重要来源，取之不尽用之不竭。据估计，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。用于风力发电的风力发电机组，主要包括风轮、尾舵、发电机和铁塔。风力发电机组的效率和安全取决于对当地风速风向的准确测量。因为过大风速负载会造成机组结构和发电线路的故障和耗损，而风轮和风向夹角与机电效率直接有关。因此准确测量在各种条件下的风速风向是保证风力发电机组安全、高效率运行的必要条件。

传统机械风速风向测量仪由于转动部件的机械磨损在寿命和精度方面都不能满足现代风力发电的要求。机械风速风向测量仪在抗环境干扰方面，如去冰冻和抗腐蚀，也存在先天的局限性。

传统超声波风速风向测量仪以风对声波传播时间的影响为机理代替了过去的机械传动机理，避免了仪器的机械磨损。但是超声波在大气中随距离衰减和传播时间的测量精度对超声波传播距离的依赖使得传统超声波风速风向测量仪具有体积大，能耗高的缺点。

近年来人们发现利用超声波在小空腔内共振的物理机理，可以克服传统超声波风速风向测量仪的缺点，可以做出体积小，效率高的风速风向测量仪。所以基于超声共振原理设计的风速风向测量装置具有巨大的实用价值。然而如何通过超声在共振腔内的发射和接受来准确计算风速风向是超声共振原理设计的风速风向测量装置的核心技术。

技术实现要素：

基于上述，本发明提供了一种基于超声共振原理的风速风向测量方法，为实现超声共振测量风速风向提供了核心技术。

一种基于超声共振原理的风速风向测量方法，包括如下步骤：

(1)对于超声波风速风向仪腔体内的任一对换能器，在无风情况下测量该换能器对的相位差之差，并作为系统误差；

(2)对于超声波风速风向仪腔体内的任一对换能器，在有风情况下测量该换能器对的相位差之差并利用系统误差进行补偿，得到该换能器对连线方向上的实际相位差之差；

(3)取绝对值最大的实际相位差之差所对应的一对换能器，计算该换能器对坐标系下的风向θ，该换能器对坐标系以该换能器对连线方向为0°方向；

(4)将该换能器对坐标系下的风向θ转换成地球坐标系下的风向进而根据各换能器对所对应的实际相位差之差计算出风速v。

所述的超声波风速风向仪腔体内等距设有三个换能器，三个换能器呈正三角形分布并可组合出三对换能器。

所述换能器对的相位差之差等于超声波由换能器A发出被换能器B接收所产生的相位差Φ_BA减去超声波由换能器B发出被换能器A接收所产生的相位差Φ_AB，换能器A和B组成该对换能器。

所述换能器对连线方向上的实际相位差之差等于有风情况下该换能器对的相位差之差减去无风情况下该换能器对的相位差之差。

所述的步骤(3)中首先将三对换能器所对应的实际相位差之差依次标记为γ₁、γ₂、γ₃，其中γ₂所对应换能器对的连线方向比γ₁所对应换能器对的连线方向大120°，γ₃所对应换能器对的连线方向比γ₁所对应换能器对的连线方向大240°；

若γ₁的绝对值最大，则γ₁所对应换能器对坐标系下的风向θ₁表达式如下：

若γ₂的绝对值最大，则γ₂所对应换能器对坐标系下的风向θ₂表达式如下：

若γ₃的绝对值最大，则γ₃所对应换能器对坐标系下的风向θ₃表达式如下：

所述的步骤(4)中首先设定其中一换能器对的连线方向为基准方向，若风向θ所在换能器对坐标系是以基准方向为0°方向，则通过以下关系式将风向θ转换成地球坐标系下的风向

若γ＜0且0°≤θ≤90°，则

若γ＜0且-90°≤θ＜0°，则

若γ≥0，则

若风向θ所在换能器对坐标系的0°方向比基准方向大120°，则通过以下关系式将风向θ转换成地球坐标系下的风向

若γ＜0且0°≤θ≤90°，则ψ＝θ；

若γ＜0且-90°≤θ＜0°，则ψ＝θ+360°；

若γ≥0，则ψ＝θ+180°；

进一步判断，若120°≤ψ≤360°，则若0°≤ψ＜360°，则

若风向θ所在换能器对坐标系的0°方向比基准方向大240°，则通过以下关系式将风向θ转换成地球坐标系下的风向

若γ＜0且0°≤θ≤90°，则ψ＝θ；

若γ＜0且-90°≤θ＜0°，则ψ＝θ+360°；

若γ≥0，则ψ＝θ+180°；

进一步判断，若240°≤ψ≤360°，则若0°≤ψ＜240°，则其中：γ为绝对值最大的实际相位差之差，ψ为中间变量。

所述的步骤(4)中通过以下公式计算风速v：

其中：α为风速校准常数。

本发明为超声共振型风速和风向测量仪提供了一种核心技术，它综合校准和判定等方法，为通过测量信号准确计算出实际风速和风向提供了步骤和算法；本发明结合仪器的现状设计和其他加热控制机制，为做出体积小、效率高、气候适应性强的风速风向测量仪奠定了核心基础。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程示意图。

图2为腔体内换能器对的位置示意图。

图3为各换能器对在无风时相位差之差的示意图。

图4为风向为零度时各换能器对在不同风速下相位差之差的关系示意图。

图5为采用本发明测量得到的风速结果与实际风速结果的比较示意图。

图6为风速仪标定的零度方向与风向成90度，在不同风速下采用本发明测量得到的风向结果示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明基于超声共振原理的风速风向测量方法包括如下步骤：

步骤1：测量仪传感器对的空间分布。

整个测量过程是在一对上下平行的平板构成的腔体内完成的。腔体的其他方向与大气接触。构成腔体的结构外形尽量的对称，体积小。使对风场影响最小，可以正常地流过腔体。在一块或两块平行平板内嵌入超声波换能器(超声波由压电元件耦合的振动膜片，即超声波换能器产生和接收)。换能器之间尽量等距离，腔体的平行平板至少装有三个换能器。由图2可知换能器呈三角形分布。在测量过程中时刻，均有一个换能器处于电激励状态，换能器膜片表面产生超声波并向外传播，直至到达另一侧的平行平板进行近似全反射。由此产生的波前向上运行，到达上平板并再次反射。超声波继续在反射器之间反弹，直到在空气中能量损失并充分衰减变为不完全反射。测量仪总共采用了三个超声波传感器，即压电元件耦合的振动膜片，三个超声波传感器外壳均为圆形，三个传感器的圆心连线构成一个等边三角形，在图2中，矢量13方向与矢量32方向与矢量21方向的夹角均为120度。

步骤2：测量仪传感器对相位的系统误差。

在理想情况下，一对传感器位置固定，外界环境保持不变。超声波传感器1发出的超声波被超声波传感器2接收到，会产生一个时延，由此带来相位差φ_B21。同理，超声波传感器2发出的超声波被超声波传感器1接收到，会产生一个时延，由此带来相位差φ_B12。在无风情况下，不考虑传感器和测量线路带来的影响，φ_B21-φ_B12＝0。

但在实际情况中，无风情况下，一对换能器，发射和接收对换，产生的相位差的差Δφ_B21,12＝φ_B21-φ_B12≠0为此我们在不同环境温度下，在一段较长时间内测量了大量无风情况下的相位差的差的数据。图六展示小部分数据。经过长时间测量，发现在无风情况下各换能器对的相位差的差平均值，然后将作为系统误差进行相位补偿；图3表示的是无风时系统典型相位差之差。

步骤3：有风情况下传感器对的相位差的差。

在图2中，当传感器13矢量方向一个稳定的风(风速为v,风向为θ₁₃)吹来时，超声波由传感器1传输到传感器3产生与风速风向有关的相位差为φ₁₃。由传感器3传输到传感器1产生的与风速风向有关的相位差为φ₃₁。于是此时的相位差的差为：

其中，θ₁₃是换能器对13的方向与风向的夹角，逆时针为正。同理，以下定义的θ₂₁和θ₃₂也分别是换能器对21，32的方向与风向的夹角。图4表示的是在固定角度下，三个方向上的相位差的差与风速之间的关系。上式所示相位差的差包含风速和风向的信息。

需要强调的是相位差的差也是频率的函数。超声共振法测的相位差的差相应于小腔内与风速和风向有关的共振频率。

步骤4：计算风向的三种算法。

以平行平板中有三个超声波换能器为例，每两个组合，互为发射接收，总共可以产生三个方向上的相位差的差，风与三个方向的夹角不一样，对相位差的差产生的影响也不一样。三个方向上的相位差之差如下：

三个方向角θ₁₃、θ₂₁和θ₃₂都可以选作基准角，角度计算后换算成我们规定的统一的校准角度标准即可，所以计算风向存在三种不同的算法：

风向算法一：

风向算法二：

风向算法三：

在本发明的算法设计中，我们选取传感器13方向为输出风向角，所以采用公式得到的θ₁₃即风向角，利用另外两组公式计算的风速角θ₂₁和θ₃₂，需要进行相应的转换才能得到输出风向角。

步骤5：判断选择高精度算法的依据。

当风吹入测量仪的腔体内，风向与换能器对的三个方向夹角各不相同，因此风速在三个方向上的分量也有差别，在上文中有阐述相位差的差与风速相关。因此三个方向上产生的相位差的差也有区别，当风速大小一定时，风向与某换能器对的方向夹角越小(夹角越接近零度)，该方向上的相位差的差越大，风向与某换能器对的方向夹角越接近垂直，该方向上的相位差的差越小。相位差的差越大，计算的风向角的精度越高。因此我们在选择算法时的规则是：首先比较三个方向上的相位差的差，找到相位差的差绝对值最大的方向。然后选择与绝对值最大的相位差的差相应的算法。

例如，三个方向的相位差的差中，γ_31,13(v,θ₁₃)的绝对值最大，说明风向与换能器13方向最为接近，此时的风向算法就采用公式(4)。如果三个方向的相位差的差中，γ_23,32(v,θ₃₂)的绝对值最大，则风向算法就采用公式(5)。如果三个方向的相位差的差中，γ_12,21(v,θ₂₁)的绝对值最大，则风向算法就采用公式(6)。

以下具体实施方式在测量仪的平行平板内放置三个超声波传感器，三个传感器都具备发射与接受的功能。当风吹过腔体时，三个换能器依次发射与接受，具体过程为：首先换能器1发射，换能器3接收，接着换能器3发射，换能器1接收。接下来换能器2发射，换能器3接收，接着换能器3发射，换能器2接收。然后换能器1发射，换能器2接收，最后换能器2发射，换能器1接收。换能器发射或者接收状态的改变由外部芯片进行控制，每一次发射或者接收状态持续时间大约为11.2ms，时间非常短，远低于风速风向变化的时间常数，以保证测量过程中风速风向的稳定性。

得到三个方向的相位差的差后，然后对算法通过相位差的差的绝对值大小进行选择。采用风向角精度最大的算法。

为了计算和输出方便，公式(1)、(2)和(3)的相位差之差重新定义为：

γ₁＝γ_31,13(v,θ₁₃) (7)

γ₂＝γ_23,32(v,θ₃₂) (8)

γ₃＝γ_12,21(v,θ₂₁) (9)

其中还定义：

θ₁＝θ₁₃ θ₂＝θ₃₂ θ₃＝θ₂₁ (10)

输出的角度是以θ₁为准。输出算法首先比较γ₁，γ₂和γ₃的绝对值。选出相应最大值的γ_max。

如果γ_max＝γ₁，用以下公式计算风向角：

θ₁的范围是可是用以上公式计算的角度输出却是在-90°≤θ₁≤90°。

如果γ₁＜0，以上公式计算的角度输出角度要做以下变换：

如果0°≤θ₁≤90°，

如果-90°≤θ₁＜0°，

如果γ₁≥0，以上公式计算的角度输出角度要做以下变换：

如果0°≤θ₁≤90°，

如果-90°≤θ₁＜0°，

如果γ_max＝γ₂，用以下公式计算风向角：

同样θ₂的范围是0≤θ₂≤360°。可是用以上公式计算的角度输出却是在-90°≤θ₂≤90°。我们同样可以用公式(12)～(15)的判断来决定的输出。

因为比大120°，所以把转换成输出时要做以下变换：

如果

如果

最后，如果γ_max＝γ₃，用以下公式计算风向角：

我们同样可以用公式(12)～(15)的判断来决定的输出。

因为比大240°，所以把换成输出时要做以下变换：

如果

如果

通过上述算法，即可获得当前风向值。风速的计算公式为：

其中，α为风速校准常数，它的获得过程是，把空腔放入标准风洞中，使传感器对13方向尽量与平行于风洞中的风向，然后记录风洞中的风速V_o和相应的相位差的差。然后计算校准前的风速：

最后校准系数α由以下公式确定：

图5所示了2015年11月初在浙江省乐清市贝良风能电子有限公司35m/s风洞里测量任一角度下的相位差的差计算的风速与实际风速(实线)的比较结果。结果表明测量的风速与风洞标准风速的误差在15m/s以下时都小于±0.5m/s，大于15m/s时，误差小于±4％。图6所示了风速仪标定的零度方向与风向成90度(垂直方向)，在不同风速下通过测量得到的风向结果，其误差在±2°内。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。