一种超声波换能器测风阵列及其测风方法与流程

本发明涉及气象要素测量技术领域，特别涉及一种超声波换能器测风阵列及其测风方法。

背景技术：

风速测量仪器应用领域广泛，如风力灾害预警，风力发电，环境监测，航海航空，军事活动等。超声波测风损耗小，范围广，响应快，精度高，能够克服机械测风迟滞、精度低等缺陷，将逐渐取代传统机械测风设备。

当前的一种超声波测风仪器中，可以采用两组超声波探头垂直对射结构为十字相交阵列，但是该结构在空气绕换能器和支柱流动时受卡门涡街和其他湍流引起的阴影效应影响严重，导致测量结果不准确；此外，另一种测风装置中超声波探头所在发射板面和信号反射板面间测大风速时受湍流影响严重，风速在两板间纵剖面梯度风速差异大，也会使得测量结果不准确。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超声波换能器测风阵列及其测风方法，能够提高测风精度。

为实现上述目的，本发明提供一种超声波换能器测风阵列，包括主壳体、支撑所述主壳体的连接臂以及设置于所述主壳体上的测风机构，所述主壳体内安装有测风电路，所述测风机构包括预设数量的超声波换能器、安装固定接头以及柱臂，其中，所述预设数量的超声波换能器分为三个对射组，每个对射组均封装于各自的安装固定接头内，各个所述安装固定接头分别通过所述柱臂与所述主壳体相连，三个所述安装固定接头处于同一水平面上并且构成等边三角形。

进一步地，三个所述安装固定接头所在的水平面高于所述主壳体的顶盖，三个所述安装固定接头所在的水平面与所述顶盖之间相距300毫米。

进一步地，所述主壳体的底部设置有扩展口以及与所述测风电路相连的数据通讯接口。

进一步地，所述顶盖上还设置有数字指南针和指北方向标。

进一步地，相邻两个对射组之间的间距为200毫米，各个所述超声波换能器的晶片为直径为10毫米的圆形晶片，所述柱臂和所述安装固定接头的直径均为20毫米。

为实现上述目的，本申请还提供哪一种测风方法，所述方法包括：根据当前风向与三个对射组构成的等边三角形中的第一边的夹角，建立各条边分别对应的当前风速与所述夹角之间的关联关系；确定当前顺风时间关系值，并根据所述当前顺风时间关系值所在的范围以及建立的所述关联关系，确定当前的风向和风速。

进一步地，当所述夹角的范围为大于或者等于0°并且小于20°时，按照下述公式建立与第二边对应的当前风速与所述夹角之间的关联关系：

按照下述公式建立与第三边对应的当前风速与所述夹角之间的关联关系：

其中，d表示相邻两个对射组之间的间距，t_AC表示所述第二边对应的顺风时间差值，t_CA表示所述第二边对应的逆风时间差值，t_CB表示所述第三边对应的顺风时间差值，t_BC表示所述第三边对应的逆风时间差值，v_声表示超声波的声速，v_风表示当前风速，θ表示所述夹角。

进一步地，当所述夹角的范围为大于或者等于20°并且小于或者等于30°时，按照下述公式建立与第二边对应的当前风速与所述夹角之间的关联关系：

按照下述公式建立与第一边对应的当前风速与所述夹角之间的关联关系：

其中，d表示相邻两个对射组之间的间距，t_AC表示所述第二边对应的顺风时间差值，t_CA表示所述第二边对应的逆风时间差值，t_AB表示所述第一边对应的顺风时间差值，t_BA表示所述第一边对应的逆风时间差值，v_声表示超声波的声速，v_风表示当前风速，θ表示所述夹角。

进一步地，按照下述公式确定当前的风向和风速：

其中，v_风表示当前风速，θ表示当前风向与三个对射组构成的等边三角形中的第一边的夹角，d表示相邻两个对射组之间的间距，t_AC表示所述第二边对应的顺风时间差值，t_CA表示所述第二边对应的逆风时间差值，t_CB表示所述第三边对应的顺风时间差值，t_BC表示所述第三边对应的逆风时间差值，t_AB表示所述第一边对应的顺风时间差值，t_BA表示所述第一边对应的逆风时间差值。

由上可见，本发明采用六个收发一体的超声波换能器，设置独立的三条测风路径，并根据不同来流方向，建立了风速计算模型，从而可以结合换能器晶片的工作特性，优化了测风阵列的设计，降低了阴影效应的影响，从而提高了测风精度。

附图说明

图1为本发明实施方式提供的测风阵列的结构示意图；

图2为本发明实施方式提供的测风阵列的俯视图；

图3为本发明实施方式提供的测风阵列的仰视图；

图4为本发明实施方式提供的测风方法的原理图；

图5为本发明实施方式提供的测风方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

请参阅图1至图3，本申请实施方式提供的超声波换能器测风阵列，包括主壳体9、支撑所述主壳体9的连接臂9以及设置于所述主壳体8上的测风机构。所述主壳体内安装有测风电路(未示出)，所述测风机构包括预设数量的超声波换能器10至15、安装固定接头1、2、3以及柱臂4、5、6，其中，所述预设数量的超声波换能器分为三个对射组，每个对射组均封装于各自的安装固定接头内，各个所述安装固定接头分别通过所述柱臂与所述主壳体8相连，三个所述安装固定接头处于同一水平面上并且构成等边三角形。

在本实施方式中，三个所述安装固定接头1、2、3所在的水平面高于所述主壳体8的顶盖7，三个所述安装固定接头1、2、3所在的水平面与所述顶盖7 之间相距300毫米。

在本实施方式中，所述主壳体8的底部设置有扩展口19以及与所述测风电路相连的数据通讯接口18。这样，主壳体内的测风电路可以将测得的风速、风向值通过数据通讯接口18发送给外部的信息控制箱。开发人员可通过扩展口19对所述测风阵列进行升级调试或进行二次开发。

在本实施方式中，所述顶盖7上还设置有数字指南针16和指北方向标17。

在本实施方式中，相邻两个对射组之间的间距为200毫米，各个所述超声波换能器的晶片为直径为10毫米的圆形晶片，所述晶片可以获得12°左右的声束角，所述柱臂和所述安装固定接头的直径均为20毫米。

请参阅图4和图5，本申请实施方式还提供一种测风方法。所述方法可以包括以下步骤：

步骤S1：根据当前风向与三个对射组构成的等边三角形中的第一边的夹角，建立各条边分别对应的当前风速与所述夹角之间的关联关系；

步骤S2：确定当前顺风时间关系值，并根据所述当前顺风时间关系值所在的范围以及建立的所述关联关系，确定当前的风向和风速。

具体地，可以将三个对射组等效成A，B，C三个点，从而可以得到如图4所示的等边三角形，三个顶点之间的间距为d，虚线AH与CB平行。在本实施方式中，可以将实测风进入换能器阵列分为三种情况：

1、风向与三角形某边垂直。此时其余两组换能器所测得时间差值相同，垂直组v_顺＝v_逆，其中，v_顺为顺风风速，v_逆为逆风风速。

2、风向与三角形某边平行。此时其余两组换能器所测得时间差值相同，但平行组v_顺≠v_逆。

3、风向与三角形某边夹角0°＜θ＜30°。

在本实施方式中，假设当前风向与AB边夹角0°≤θ＜20°，则该边迎风端换能器将受阴影效应影响。此时另外两条边AC和BC与风向夹角分别为π/3-θ＞20°，2π/3-θ＞20°。受阴影效应湍流影响，路径AB上所测得时差值不用于风速风向 值计算，根据路径AC上测得顺时间值逆风，可得：

同理可得路径BC上时间和风速间关系

其中，AB可以为等边三角形的第一边，AC可以为第二边，BC可以为第三边，d表示相邻两个对射组之间的间距，t_AC表示所述第二边对应的顺风时间差值，t_CA表示所述第二边对应的逆风时间差值，t_CB表示所述第三边对应的顺风时间差值，t_BC表示所述第三边对应的逆风时间差值，v_声表示超声波的声速，v_风表示当前风速，θ表示所述夹角。

由方程组(1)、(2)得

令式(3)、(4)等号右侧分别为N₁和Q₁，则有

假设风向角与AB边夹角20°≤θ≤30°，则可忽略阴影效应对路径AB的影响。此时AB路径上时间和风速间关系为

由方程组(1)、(6)得

令式(7)、(8)等号右侧分别为N₂和Q₂，得

三条测风路径沿顺风方向与实际风向夹角中，最小角与最大角之间相差π/3，则顺风时间关系令所述顺风时间关系值为R，最终风向角和风速值为：

这样，通过等边三角形阵列相互独立的三条路径，可以为不同风向设置不同计算模型，从而降低阴影效应干扰，提高测风精度。

由上可见，本发明采用六个收发一体的超声波换能器，设置独立的三条测风路径，并根据不同来流方向，建立了风速计算模型，从而可以结合换能器晶片的工作特性，优化了测风阵列的设计，降低了阴影效应的影响，从而提高了测风精度。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是 显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。