一种风速在线测量系统及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风速监测技术领域，尤其涉及一种能准确测量低风速的风速在线测量 系统及测试方法。
【背景技术】
[0002] 目前对风速在线监测技术测量方法主要有机械式、压力式、热力式、声学法等。依 据这些测试方法市面上形成了相应的机械式旋转式风速表、压力式风速仪、热力式风速表、 声学风速、涡街式风速仪等。但是现有的不同风速测试方法都存在一个共同的缺陷点：对 于<7m/s的低风速的测量不准确，对于〈0. 3m/s的超低风速就无法开展有效的测量。而且 由于低风速具有的独有气体层流特性，压力式和热力式都无法检测到数据或检测不准，机 械式风速仪对低风速会有机械能量的损失，滞后效应所造成测试不准。
[0003] 虽然市面出现了涡街流量传感器，但其也存在这样的缺陷，当管道内流速较大时， 在漩涡发生体两侧的漩涡列比较有规律且信号明显，此时可以正常检测；但是在低流速时， 所产生的漩涡列的规律性和信号强度均很微弱，几乎检测不到信号，无法实现测量。
[0004] 从而造成目前的这些风速尤其是低风速测量装置、方法以及技术都有局限，导致 现有的风速测试手段不科学、不精密。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决无法准确对低风速进 行测量的问题，提供一种风速在线测量系统及测试方法。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种风速在线测量系 统，其特征在于：包括测试管道、监测板、差压检测电路、电压信号采集转换电路、单片机、通 信模块以及接收终端；所述测试管道包括两管体和将两管体相连的法兰盘，在法兰盘上沿 径向设有一贯穿法兰盘的通孔，在该通孔处设有一连接支架；所述监测板通过插拔式连接 件与连接支架固定连接，且监测板所在的水平面过测试管道的轴心线；
[0007] 所述监测板包括具有压电效应的压电板，在压电板上设有若干由纳米压电材料制 成的半球形凸起，所述半球形凸起分布成数排，同一排中相邻两凸起边缘之间的距离等于 半球形凸起的半径；其中，相连两排半球形凸起错位设置，当流体经过半球形凸起时，能够 在同一排半球形凸起中的相邻两半球形凸起之间的凹坑处形成兰金组合涡；
[0008] 压电板的两侧分别与一导线相连，两导线经法兰盘上的通孔穿出后经差压检测电 路和电压信号采集转换电路后与单片机相连，经单片机处理后将电压信号转换成风速，并 通过通信模块发送至接收终端。
[0009] 进一步地，所述单片机还连有时钟模块、显示模块、存储模块以及遥控模块。
[0010] 进一步地，所述通信模块通过WiFi无线收发模块。
[0011] 进一步地，所述监测板的尺寸大小为4x4cm ;所述半球形凸起的半径为10um，相邻 两半球形凸起边缘之间的距离也为l〇um。
[0012] 一种基于上述风速在线测量系统的风速测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0013] 1)将测量系统置于风场中，并使检测板处于水平状态，且测量系统中测试管道的 轴向与风向一致；
[0014] 2)通过检测板进行风速测量，将风速信号转换为电压信号；
[0015] 3)然后通过差压检测电路进行电压信号采集，并经电压信号采集转换电路后传递 至单片机；
[0016] 4)通过单片机对接收到凹的电压信号进行处理后还原成风速，其处理过程如下：
[0017] 建立风速还原模型：
[0018] 兰金组合涡阵列边缘的旋转线速度Vk等于空气流体的速度Vcr即：V k= V。；
[0019] 由于兰金组合涡的旋转直径等于同一排中相邻两凸起之间的间距，即等于半球形 凸起的半径R，因此
[0020] 依据伯努利方程：尸+丄pF2= C，兰金组合涡边界线速度％为：^=@x(C-PR);
[0021] 其中，VA旋转线速度，ω为旋转角速度，P R为兰金组合涡在边缘处对外部的压 强，P为空气密度，C为常量； ^ K..xU
[0022] 施加在压电材料上方的压力为F : -;
[0023] 式中：d33为压电常数，K33为比例常数，U为差压检测电路检测到的脉冲电压；
[0024] 依据压强公￥
【主权项】
1. 一种风速在线测量系统，其特征在于：包括测试管道、监测板、差压检测电路、电压 信号采集转换电路、单片机、通信模块以及接收终端；所述测试管道包括两管体和将两管体 相连的法兰盘，在法兰盘上沿径向设有一贯穿法兰盘的通孔，在该通孔处设有一连接支架； 所述监测板通过插拔式连接件与连接支架固定连接，且监测板所在的水平面过测试管道的 轴心线； 所述监测板包括具有压电效应的压电板，在压电板上设有若干由纳米压电材料制成的 半球形凸起，所述半球形凸起分布成数排，同一排中相邻两凸起边缘之间的距离等于半球 形凸起的半径；其中，相连两排半球形凸起错位设置，当流体经过半球形凸起时，能够在同 一排半球形凸起中的相邻两半球形凸起之间的凹坑处形成兰金组合涡； 压电板的两侧分别与一导线相连，两导线经法兰盘上的通孔穿出后经差压检测电路和 电压信号采集转换电路后与单片机相连，经单片机处理后将电压信号转换成风速，并通过 通信模块发送至接收终端。
2. 根据权利要求1所述的一种风速在线测量系统，其特征在于：所述单片机还连有时 钟模块、显示模块、存储模块以及遥控模块。
3. 根据权利要求1所述的一种风速在线测量系统，其特征在于：所述通信模块通过 WiFi无线收发模块。
4. 根据权利要求1所述的一种风速在线测量系统，其特征在于：所述监测板的尺寸大 小为4x4cm ;所述半球形凸起的半径为lOum，相邻两半球形凸起边缘之间的距离也为IOum0
5. -种基于上述任一权利要求所述风速在线测量系统的风速测试方法，其特征在于： 包括如下步骤： 1) 将测量系统置于风场中，并使检测板处于水平状态，且测量系统中测试管道的轴向 与风向一致； 2) 通过检测板进行风速测量，将风速信号转换为电压信号； 3) 然后通过差压检测电路进行电压信号采集，并经电压信号采集转换电路后传递至单 片机； 4) 通过单片机对接收到凹的电压信号进行处理后还原成风速，其处理过程如下： 建立风速还原模型： 兰金组合涡阵列边缘的旋转线速度Vk等于空气流体的速度V ^，即：VK= V μ 由于兰金组合涡的旋转直径等于同一排中相邻两凸起之间的间距，即等于半球形凸起 的半径R，因此^ = 依据伯努利方程：P + 兰金组合涡边界线速度％为：匕= ^x(C-PR); 其中，％为旋转线速度，ω为旋转角速度，Pk为兰金组合涡在边缘处对外部的压强，p 为空气密度，C为常量； 「 IC'xU 施加在压电材料上方的压力为F : ； Clv, 式中：d33为压电常数，K33为比例常数，υ为差压检测电路检测到的脉冲电压； 依据压强公j
式中：F为施加在压电材料上方的压力，P为施加在监测板垂直方向上的等效压强，S为 承受垂直压力的等效面积，即整个测试面积减去凸起所占的投影面积； 从而得到风速夂
5)单片机通过通信模块将风速信号向接收终端发送。
【专利摘要】本发明公开了一种风速在线测量系统及测试方法，所述测量系统包括测试管道、监测板、差压检测电路、电压信号采集转换电路、单片机、通信模块以及接收终端；所述测试方法如下：1）将测量系统置于风场中；2）通过检测板进行风速测量，将风速信号转换为电压信号；3）然后通过差压检测电路进行电压信号采集，并经电压信号采集转换电路后传递至单片机；4）通过单片机对接收到凹的电压信号进行处理后还原成风速；5）单片机通过通信模块将风速信号向接收终端发送。本发明结构简单，测试方便，能够准确对低风速进行测量。
【IPC分类】G01P5-01
【公开号】CN104833819
【申请号】CN201510282471
【发明人】刁家久, 罗方红, 胡慧平
【申请人】重庆梅安森科技股份有限公司
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月28日