专利名称：超声波风向风速仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及风向风速监测仪器，具体涉及超声波风向风速仪。
背景技术：
风向风速监测仪是用于监测风向风速的专用仪器，可自动记录风速与风向参数， 主要应用在工程机械(起重机、履带吊、门吊、塔吊等)、风力发电、光伏发电、太阳能发电、 铁路、港口、码头、电厂、索道、环境、温室、园林、养殖等领域，最大测量范围风速0-40m/s，风向0-360度。风向风速仪的种类较多，最常用的为风杯风速计，它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。另一种旋转式风速计为旋桨式风速计，由一个三叶或四叶螺旋桨组成感应部分，将其安装在一个风向标的前端，使它随时对准风的来向，桨叶绕水平轴以正比于风速的转速旋转。上述结构的风向风速仪，在冬季，风杯或风摆经常由于结冰而卡死不能转动导致而无法测量，另外，在北方经常出现因为沙尘暴及仪器密封问题无法工作。为了解决上述问题，中国发明专利CN101236213A公开了一种超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法，在底座上设置四个测量臂和四个超声波发射/接收探头，四个超声波发射/接收探头依次相邻成90度夹角，通过相对的两对超声波发射/接收探头测量沿空气传播的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时间差，并结合探头之间的距离计算出空气流动速度。虽然该风向风速仪在四个测量臂上设有加热装置，但是，由于该超声波风速仪的底座上没有加热融冰装置，底座上表面容易结冰形成冰罩，导致流经超声波发射/接收的风场发生改变，影响测量的准确性。另外，上述结构的超声波风速仪，四个测量臂只靠底部固定在底座上，在使用中，容易磕碰变形，影响测量的准确性。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是解决提高超声波风速仪的测量的准确性的问题。为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种超声波风向风速仪，包括底座和风力测量装置，所述风力测量装置包括设置在底座内的测量控制系统以及第一、第二两组超声波探头，第一、第二组超声波探头分别包括相对设置的超声波发射探头和超声波接收探头，上述四个超声波探头在同一平面内相互间隔90度布置，所述测量控制系统包括风向风速测量单元、立管加热模块和上、下圆盘加热模块，所述风向风速测量单元根据超声波分别在所述第一、第二两组超声波探头之间的传输时间获得当前的风向和风速数字信号，所述底座的顶面上固定设有固定座，所述固定座包括上、下相对设置的上、下圆盘，四根立管的上、下两端分别与上、下圆盘固定，上述四个超声波探头分别固定在四根立管上，下圆盘固定在底座的顶面上，四根立管和上、下圆盘内分别设有电加热装置，立管加热模块和/或上、下圆盘加热模块输出控制信号启动相应的电加热装置对相应的超声波探头和/或上、下圆盘进行加热。在上述方案中，所述上、下圆盘的顶面呈上凸的球面状。在上述方案中，两个相对设置的所述超声波发射和接收探头的间距为100-160mm， 且上、下圆盘的顶面中心至底面的高度为8-20mm。在上述方案中，所述风向风速测量单元包括超声波发射模块、超声波接收模块、中央处理器、数据输出单元和控制面板，所述超声波发射模块产生超声波探头驱动信号并分别通过第一、第二组超声波探头中的超声波发射探头发出；所述超声波接收模块接收相应的所述超声波接收探头收到的超声波信号；所述中央处理器根据超声波信号自超声波发射模块至超声波接收模块的传输时间计算获得当前的风向和风速数字信号；所述数据输出单元将所述当前的风向和风速数字信号以数字信号和模拟信号的形式输出；所述控制面板根据用户的选择控制数据输出单元输出数字信号或模拟信号。在上述方案中，所述立管和所述上、下圆盘内分别设有温度探头，所述立管加热模块和所述上、下圆盘加热模块分别根据相应的所述温度探头测量得到的当前温度是否低于设定值，决定是否发出启动相应电加热装置的控制信号。在上述方案中，所述数据输出单元包括数字信号输出接口、模拟信号输出接口和数字-模拟信号转换装置，所述模拟信号输出接口包括电流输出接口，所述数字-模拟信号转换装置包括数字电流环路输出转换器、扩流三极管、瞬态二极管和保护二极管，所述数字电流环路输出转换器的两个输出范围设定引脚分别连接由中央处理器输出的输出选择信号，其DAC缓存输入端通过限流电阻连接到该数字电流环路输出转换器的电源引脚；所述扩流三极管的基极连接到所述数字电流环路输出转换器的电流输出引脚，集电极连接至所述数字电流环路输出转换器的外部晶体管连接引脚；所述瞬态二极管的正极连接扩流三极管的发射极，负极接地线；所述保护二极管的正极通过第一电阻连接扩流三极管的发射极， 负极连接至电流输出接口。在上述方案中，所述保护二极管的负极还连接有第二电阻，所述模拟信号输出接口还包括电压输出接口，所述第二电阻连接至所述电压输出接口。在上述方案中，所述控制面板上还设有4mA-20mA、0mA-20mA、0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，所述中央处理器根据用户的选择输出相应的所述输出选择信号。在上述方案中，还包括数字隔离器，所述输出选择信号以及时钟信号和所述当前的风向和风速数字信号分别接入所述数字隔离器的逻辑输入引脚，相应的逻辑输出引脚分别连接至所述数字电流环路输出转换器。本实用新型，由于在各超声波探头的上方设置了上圆盘，可以遮挡部分飘雪，同时，四根立管和上、下圆盘内均设有电加热装置，这样，在寒冷的季节，不仅可以加热超声波探头，还可以通过电加热装置防止上、下圆盘上结冰形成冰罩，避免流经超声波探头的风场发生改变，影响测量的准确性。在本实用新型提供的一种优选的技术方案中，可以同时输出数字信号和模拟信号，当一个输出接口出现故障时，可以通过另一个输出接口输出数据，也可以根据用户的选择输出相应的数字信号或模拟信号，提高了仪器工作的可靠性。[0017]在本实用新型提供的另一种优选的技术方案中，数字-模拟信号转换装置由数字电流环路输出转换器实现数模转换，同时设置了扩流三极管、瞬态二极管和保护二极管，在电流模式下，大部分的电流由扩流三极管提供，降低了数字电流环路输出转换器的功耗，保护二极管可以防止外部输入烧毁扩流三极管，瞬态二极管起到吸收外部干扰和浪涌的作用。在本实用新型提供的另一种优选的技术方案中，输出选择信号、时钟信号以及数字数据输出信号分别通过数字隔离器连接至数字电流环路输出转换器，使中央处理器与输出单元隔离，提高了电路的抗干扰能力。在本实用新型提供的另一种优选的技术方案中，控制面板上设有4mA-20mA、 0mA-20mA,0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，用户可以方便地选择相应的输出信号，提高了仪器应用的灵活性。
图1为本实用新型提供的超声波风向风速仪结构示意图；图2为本实用新型提供的超声波风向风速仪控制电路板原理框图；图3为本实用新型提供的超声波风向风速仪输出单元电路图；图4为本实用新型超声波风向、风速测试计算原理图。
具体实施方式
本实用新型提供的一种超声波风向风速仪，在结构和控制电路方面均进行了改进设计，不仅解决了该仪器在寒冷的环境下工作时，由于结冰而影响测量结果的问题，还降低了仪器工作时的干扰，同时增加了保护措施，提高了超声波风速仪测量结果的准确性以及工作可靠性。下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作出详细的说明，以便于本领域技术人员更好地理解。图1为本实用新型提供的超声波风向风速仪结构示意图，如图所示，本实用新型提供的超声波风向风速仪包括底座1和风力测量装置2。风力测量装置包括设置在底座1内的测量控制系统以及第一、第二两组超声波探头，第一组超声波探头包括相对设置的发射探头21和接收探头23，第二组超声波探头包括相对设置的发射探头22和接收探头24，四个探头21、22、23、M在同一平面内相互间隔90 度布置。底座1的顶面上固定设有固定座，固定座包括上、下相对设置的上、下圆盘31、32， 四根立管33的上、下两端分别通过螺栓与上、下圆盘31、32固定，四个探头21、22、23、M分别固定在四根立管33上，下圆盘32固定在底座1的顶面上，四根立管33和上、下圆盘31、 32内分别设有电加热装置。测量控制系统包括风向风速测量单元、立管加热模块和上、下圆盘加热模块。风向风速测量单元根据超声波在第一、第二两组超声波探头之间的传输时间获得当前的风向和风速实时信号，并通过输出接口输出。根据用户的选择，立管加热模块和/或上、下圆盘加热模块启动相应的电加热装置对相应的超声波探头21、22、23、M和/或上、下圆盘31、32 进行加热。本实用新型提供的技术方案，由于在各超声波探头的上方设置了上圆盘31，因此可以遮挡部分飘雪，同时，四根立管33和上、下圆盘31、32内均设有电加热装置，这样，在寒冷的季节，不仅可以加热超声波探头，还可以通过电加热装置防止上、下圆盘31、32上结冰形成冰罩，避免流经超声波探头的风场发生改变，影响测量的准确性。进一步地，立管33和上、下圆盘31、32内分别设有温度探头，立管加热模块和上、 下圆盘加热模块分别根据温度探头测量得到的当前温度是否低于设定值，决定是否发出启动相应加热装置的控制信号，当环境温度低于10度时，各电加热装置开始工作并维持在20 度。由于本实用新型中的各电加热装置分别实现了自动控制，一来省去了人工操作的麻烦， 节约了成本；二来可以及时关闭相应的电加热装置，避免浪费能源。为了进一步提高上、下圆盘31、32防止结冰的效果，上、下圆盘31、32的顶面呈上凸的球面状，这样，融化的冰水、雪水能够沿上、下圆盘31、32的上表面顺利流下。作为一种具体实例，每组超声波探头中相对的两个超声波探头的间距为100-160mm，且上、下圆盘 31、32的顶面中心至底面的高度为8-20mm。本实用新型利用了超声波测量风向和风速，其原理是利用两对相对设置的超声波发射和接收探头，运用时差法测量沿空气传播的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时差，计算出这两个方向的超声波传播速度，再根据叠加原理求出风速的大小和方向。计算原理如图4所示设超声波发射和接收探头(N、S、E、W)之间的距离分别是Lns和Lwe，超声波在空气中的传播速度为C，速度为V的风从和正北方向成θ的角度吹来，则有
权利要求1.超声波风向风速仪，包括底座和风力测量装置，所述风力测量装置包括设置在底座内的测量控制系统以及第一、第二两组超声波探头，第一、第二组超声波探头分别包括相对设置的超声波发射探头和超声波接收探头，上述四个超声波探头在同一平面内相互间隔90 度布置，其特征在于，所述测量控制系统包括风向风速测量单元、立管加热模块和上、下圆盘加热模块，所述风向风速测量单元根据超声波分别在所述第一、第二两组超声波探头之间的传输时间获得当前的风向和风速数字信号，所述底座的顶面上固定设有固定座，所述固定座包括上、下相对设置的上、下圆盘，四根立管的上、下两端分别与上、下圆盘固定，上述四个超声波探头分别固定在四根立管上，下圆盘固定在底座的顶面上，四根立管和上、下圆盘内分别设有电加热装置，立管加热模块和/或上、下圆盘加热模块输出控制信号启动相应的电加热装置对相应的超声波探头和/或上、下圆盘进行加热。
2.如权利要求1所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述上、下圆盘的顶面呈上凸的球面状。
3.如权利要求2所述的超声波风向风速仪，其特征在于，两个相对设置的所述超声波发射和接收探头的间距为100-160mm，且上、下圆盘的顶面中心至底面的高度为8_20mm。
4.如权利要求1所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述风向风速测量单元包括 超声波发射模块，产生超声波探头驱动信号并分别通过第一、第二组超声波探头中的超声波发射探头发出；超声波接收模块，接收相应的所述超声波接收探头收到的超声波信号； 中央处理器，根据超声波信号自超声波发射模块至超声波接收模块的传输时间计算获得当前的风向和风速数字信号；数据输出单元，将所述当前的风向和风速数字信号以数字信号和模拟信号的形式输出；控制面板，根据用户的选择控制数据输出单元输出数字信号或模拟信号。
5.如权利要求1所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述立管和所述上、下圆盘内分别设有温度探头，所述立管加热模块和所述上、下圆盘加热模块分别根据相应的所述温度探头测量得到的当前温度是否低于设定值，决定是否发出启动相应电加热装置的控制信号。
6.如权利要求4所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述数据输出单元包括数字信号输出接口、模拟信号输出接口和数字-模拟信号转换装置，所述模拟信号输出接口包括电流输出接口，所述数字-模拟信号转换装置包括数字电流环路输出转换器，其两个输出范围设定引脚分别连接由中央处理器输出的输出选择信号，其DAC缓存输入端通过限流电阻连接到该数字电流环路输出转换器的电源引脚；扩流三极管，基极连接到所述数字电流环路输出转换器的电流输出引脚，集电极连接至所述数字电流环路输出转换器的外部晶体管连接引脚； 瞬态二极管，正极连接扩流三极管的发射极，负极接地线；保护二极管，正极通过第一电阻连接扩流三极管的发射极，负极连接至电流输出接口。
7.如权利要求6所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述保护二极管的负极还连接有第二电阻，所述模拟信号输出接口还包括电压输出接口，所述第二电阻连接至所述电压输出接口。
8.如权利要求6所述的超声波风向风速仪，其特征在于，所述控制面板上还设有 4mA-20mA、0mA-20mA、0mA-24mA三档电流输出选择按键和0V-5V电压输出选择按键，所述中央处理器根据用户的选择输出相应的所述输出选择信号。
9.如权利要求6所述的超声波风向风速仪，其特征在于，还包括数字隔离器，所述输出选择信号以及时钟信号和所述当前的风向和风速数字信号分别接入所述数字隔离器的逻辑输入引脚，相应的逻辑输出引脚分别连接至所述数字电流环路输出转换器。
专利摘要本实用新型公开了一种超声波风向风速仪，包括测量控制系统以及第一、第二两组超声波探头，测量控制系统中风向风速测量单元根据超声波在第一、第二两组超声波探头之间的传输时间获得当前的风向和风速实时信号，底座的顶面上固定设有固定座，固定座包括上、下相对设置的上、下圆盘，四根立管的上、下两端分别与上、下圆盘固定，四个超声波探头分别固定在四根立管上，四根立管和上、下圆盘内分别设有电加热装置。本实用新型，上圆盘可以遮挡部分飘雪，同时，四根立管和上、下圆盘内均设有电加热装置，这样，在寒冷的季节，不仅可以加热超声波探头，还可以通过电加热装置防止上、下圆盘上结冰形成冰罩，避免流经超声波探头的风场发生改变，影响测量的准确性。
文档编号G01P5/24GK202057672SQ20112018547
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者陈昌捷 申请人:北京安良永信电器有限公司