本发明涉及一种风速测量设备，涉及一种机械式测风传感器，尤其涉及一种带有温控设备的机械式控温型测风传感器。
背景技术：
风是空气质点的水平位移，是一个平面矢量，风的测量包括风向和风速，测风传感器就是测量风速和风向两个量的测量设备。但是在低温或冰雪天气条件下，尤其是高原和低海拔地区，冬天容易出现结冰或冻雨现象，这些现象均会影响测风传感器的正常运转或导致测风传感器的力学性能发生改变，最终出现测风传感器数值不准确，甚至数据丢失的问题，进而影响设备的安全运转。
融冰是通过加热的方式将冰与物体界面达到0℃以上，从而使固态的冰转化为液态的水。目前具有融冰功能的测风传感器的融冰方式主要有三种，一是热辐射融冰，其是通过加热组件热辐射传热给风探测组件进行融冰，主要缺点是隔热限制了加热功率。二是无线耦合供电加热融冰，是将位于定子上的主线圈通交流电，与位于风探测组件上的次级线圈耦合，次级线圈产生感应电势加热位于风探测组件上的电加热丝进行融冰，主要缺点是风探测组件装配工艺复杂难以实施；三是磁场感应涡流加热融冰，其是通过位于定子的交变电流线圈产生交变磁场，交变磁场传到具有磁性的风探测组件上，产生涡流，使风探测组件自身发热，主要缺点是定子隔磁不良会对电路板产生干扰以及对轴承产生多余的涡流加热破坏润滑的风险。
机械式测风传感器由于动定子分离，因此不能使用热传导接触方式将热量传递至风探测组件，机械式融冰风速传感器考虑的主要因素有：既能保证风杯和/或风标中的冰雪融化，又要防止轴承的润滑油因温度过高发生皲裂，而影响融冰风速传感器的测速准确性。
专利cn103163322a公开了一种抗冰冻测风传感器，通过隔热轴承架降低了轴承安装处的温度，但是结构本身的热阻和轴承润滑极限温度限制了加热器的功率，如果功率和结构不能很好匹配，同样会使轴承处温度过高，造成润滑失效，影响测风传感器的正常使用。专利cn104345172a公开了一种风速传感器，通过底座上的主线圈和次级线圈的能力耦合对风杯和/或风标上的欧姆元件进行加热，然而风杯和/或风标的结构复杂，实施较困难。
技术实现要素：
本发明充分利用不同材料本身的特性，将加热元件发出的热量通过热辐射的方式传递至风杯和/或风标上，并通过非金属材料制备的隔热组件隔离加热元件和轴承，以保护轴承润滑油，防止润滑油因温度过高而发生皲裂。
本发明提供的机械式控温型测风传感器，包括与转动组件中的转轴一同旋转的风探测组件，向所述风探测组件提供热源的加热组件，隔离所述加热组件与转动组件的隔热组件，检测所述加热组件和外壳组件的温度并将检测的温度数据传输至风转换与温度控制组件的测温组件，所述风转换与温度控制组件将所述风探测组件检测到的水平风分量转化成角度信号、并根据所述测温组件传输的温度数据控制所述加热组件开启或关断。
在一个优选实施例中，所述加热组件包括凹槽型的第一盖板，位于所述第一盖板内部的发热元件，以及盖合在所述加热元件上的第二盖板，优选地，所述发热元件为电阻加热丝，所述发热元件的上下两面包裹有一绝缘层，所述绝缘层为云母。
在一个优选实施例中，所述第一盖板与所述第二盖板围成一密封腔室，所述发热元件位于所述密封腔室内，优选地，所述第一盖板、第二盖板、发热元件固定连接，如通过沉头螺栓固定连接。
优选地，所述加热组件为直流电加热器或交流电加热器，并优选为直流电加热器。
在一个优选实施例中，所述隔热组件包括一中空隔热环，所述转动组件位于所述隔热环的内部。
在一个优选实施例中，所述隔热组件还包括位于所述加热组件下部的隔热结构，减少所述加热组件的热量损失，以使所述加热组件产生的热量尽可能多的传导至所述风探测组件。
在一个优选实施例中，所述测风传感器还包括一外壳组件，所述转动组件、加热组件、隔热组件、测温组件以及风转换与温度控制组件均位于所述外壳组件的内部。
在一个优选实施例中，所述隔热结构还可以包括隔热板和隔热底座，所述隔热板与所述第一盖板固定连接，所述隔热底座位于所述隔热板的下部，所述隔热底座为中空结构，所述转动组件的轴承固定在所述隔热底座的中空内侧壁上，所述隔热底座的外周与所述外壳组件的内侧壁相配合，以将所述轴承的温度控制在合理范围内。
在一个优选实施例中，所述测温组件包括检测所述加热组件温度的第一测温元件和检测所述外壳组件的温度的第二测温元件，所述第一测温元件固定安装在所述第一盖板与所述隔热板的连接面上；所述第二测温元件固定连接在所述外壳组件的内侧壁上，所述第一测温元件与第二测温元件实时监测相应位置的温度。
在一个优选实施例中，第二测温元件测得的环境温度低于第二测温元件设定的下限值时，所述风转换与温度控制组件开启所述加热组件，所述加热组件开始加热，所述第一测温元件检测所述加热组件的温度，所述第一测温元件检测到的温度高于第一测温元件设定的上限值或者所述第二测温元件测得的温度高于第二测温元件设定的上限值时，所述风转换与温度控制组件所述加热组件关断，所述加热组件停止加热。
在一个优选实施例中，所述测温组件可以是热电偶、热敏电阻或热电阻温度传感器。
在一个优选实施例中，所述转动组件包括上下两个轴承、穿过所述轴承的转轴、位于两轴承之间的轴套以及防止所述转轴沿其轴向窜动的磁钢座，优选地，所述磁钢座还设有磁钢。
在一个优选实施例中，所述风探测组件包括同所述转轴转动的转盘以及多个测风元件，其中所述转盘位于所述加热组件的上方，所述加热组件通过空气导热和热辐射将热传递至所述风探测组件，从而保证测风传感器正常工作。
1.在一个优选实施例中，所述测风元件可以为风杯或风标，所述风杯均匀分布在所述转盘的外周，所述风标包括前翼、尾翼和平衡块，前翼和后翼分别固定在所述转盘的两端，所述前翼和后翼的连线穿过转盘的圆心，所述平衡块固定在所述前翼的下部；优选地，所述测风元件的材质为铝、铝合金、镁和镁合金中的任意一种。
2.在一个优选实施例中，所述风杯为半球薄壁式风杯。
在一个优选实施例中，所述风转换与温度控制组件包括磁传感芯片、温度采集模块、控制模块以及供电模块；所述供电模块向所述控制模块提供稳定的电压，所述温度采集模块采集所述测温组件的温度数据，并将采集到的温度数据传输至所述控制模块；控制模块根据接收到的温度数据控制加热组件的开启或关断；所述磁传感芯片检测所述测风元件每个脉冲序列的角度位置，并统计脉冲个数，通过控制模块读取并计算所述测风元件的角速度和角度值，并通过控制模块转换计算出相应的风速和风向数值并进行电信号的输出。
在一个优选实施例中，所述测风传感器还包括电气接口组件，所述电气接口组件包括具有6芯的法兰航空插头和紧固螺钉，其中6芯分别为电路板供电的正负线，为加热组件供电的正负线、将电信号输出的正负线，所述风转换与温度控制组件将接收到的数据转化为电信号，并通过所述电气接口组件对外部输出。
本发明提供的机械式控温型测风传感器，采用多点控温，对测风传感器的温度控制更加精确，该测风传感器可以通过切换测风组件以检测风速或风向，使用更加便捷。另外，本发明通过在转动组件的外周、加热组件的下部设置隔热组件，既提高了测风传感器的热量利用率，防止热量散失，又保护了转动组件中的轴承，防止轴承处因温度过高而造成润滑失效，有效延长了测风传感器的使用寿命，间接降低了测风传感器的使用成本，并确保了低温融冰的可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的机械式控温型风速传感器测定风速时的结构示意图；
图2为图1的风探测组件的结构示意图；
图3为本发明提供的机械式控温型风速传感器测定风向时的结构示意图；
图4为图3的风探测组件的结构示意图；其中，图4a为风探测组件的主视图，图4b为风探测组件的俯视图；
图5为加热组件的的一种结构图，其中图5a为第一盖板的俯视图，图5b为加热组件的剖视图，图5c为加热组件的俯视图；
图6为加热组件的的另一种结构图，其中图6a为第一盖板的俯视图，图6b为加热组件的剖视图，图6c为加热组件的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图6所示，本发明提供的机械式控温型测风传感器，包括风探测组件8、转动组件1、加热组件2、隔热组件3、测温组件4、风转换与温度控制组件5，以及外壳组件7。
其中，风探测组件8在风力的带动下与转动组件1的转轴一同旋转，加热组件2向风探测组件8和/或转动组件1的转轴提供热量，隔热组件3用于隔离加热组件2与转动组件1轴承，测温组件4检测加热组件2和外壳组件7的温度并将检测的温度数据传输至风转换与温度控制组件5，风转换与温度控制组件5将风探测组件检测到的水平风分量转化成角度信号、并根据测温组件4传输的温度数据控制加热组件2开启或闭合。
图5和图6为本发明提供的加热组件2的两种结构图，加热组件2的两种结构均包括一设有限位圈的第一盖板203，位于限位器内部的发热元件201，以及盖合在第一盖板203上的第二盖板202，第二盖板202和发热元件201上设有多个沉孔，固定件，如螺栓等，穿过第二盖板202和发热元件201，将第二盖板2、发热元件201和第一盖板203固定在一起，优选地，该多个沉孔位于以第一盖板203的中心为圆心的同一圆周上，多个沉孔均匀分布，图5所示实施例中包括3个沉孔，图6所示实施例中包括4个沉孔。
另外，为了提高本发明提供的测风传感器的安全性能，还可以在发热元件201的上下表面包裹有一绝缘层，其中，该绝缘层的材质为云母。第一盖板203与第二盖板202开口相对，围成一密封腔室，发热元件201位于两者形成的密封腔室内，本申请中上下仅为方位词，与图1中的方位一致。
3.风探测组件8包括一与转轴相对固定的转盘以及多个测风元件，测风元件固定安装在转盘上，其中，测风元件可以为风杯102a.1或风标，如图1、图2所示，3个风杯102a.1均匀分布在转盘的外周，通过螺钉102a.3固定在转盘外周的风杯架102a.2上。如图3、图4所示，风标包括前翼102b.1、尾翼102b.2和平衡块102b.4，前翼102b.1和尾翼102b.2分别固定在转盘的两端，并且前翼102b.1和尾翼102b.2的连接线穿过转盘的圆心，平衡块102b.4的内侧面设有螺纹，通过该螺纹固定安装在前翼102b.1的下方，以起到平衡的作用；申请人发现，测风元件的材质对测风传感器的性能具有较大的影响，测风元件的材质为铝、铝合金、镁和镁合金中的任意一种时，并且使用相同尺寸的镁或镁合金材质的传感器的性能更加优异。
转盘位于加热组件2的上方，加热组件2产生的热量一部分以空气导热及加热组件2外壁面与转盘内壁面辐射换热传递给转盘，另一部分通过隔热组件传递到外壳组件散失到空气中，加热组件2外壁面与转盘内壁面间隙的大小直接影响转盘得到的热量多少，优选地加热组件2外壁面与转盘内壁面间隙为1～1.5mm。
优选地，转轴的上部略高于转盘，转轴与转盘的中心轴重合，转轴与转盘之间为螺纹连接)，并向测风传感器的下部延伸，在延伸的过程中穿过固定在隔热底座上的上下两个轴承104，转轴103与转盘通过位于转轴103顶部的螺母固定连接，以进行防松，转轴103绕轴承104转动。优选地，两个轴承104之间还设有轴套105，以进一步提高测风传感器的运转稳定性，转轴103底部固定有与磁传感芯片配套使用的磁钢106以测量风的角度信号和角速度信号。其中，本申请中的上、下、左、右与图1的方位一致。
为了防止轴承润滑油在加热组件2加热的过程中，因高温而老化，隔热组件3可以在加热组件2朝向转轴的一侧设有一中空隔热环302，转动组件1，特别是转动组件1中的转轴103以及润滑油等位于该隔热环的内部，优选地，隔热环302的中心轴与转轴103的中心轴重合，即风探测组件为双滚动轴承转动支撑配置，并且轴承具有耐高温润滑性。
另外，为了进一步提高加热组件2的热量利用率，还可以在加热组件2的第一盖板203的下部设一隔热结构，隔热结构可以与第一盖板203的下表面直接接触。
优选地，隔热结构还可以包括隔热板301和隔热底座303，隔热板301与第一盖板203固定连接，隔热底座303位于隔热板301的下部，设置隔热底座303的目的在于充分利用加热组件2的热量，同时减少对轴承104及润滑油的影响，隔热底座303为中空结构，转动组件的轴承固定在隔热底座303的中空内侧壁上，隔热底座303的外周与外壳组件的内侧壁相配合，以将所述轴承的温度控制在合理范围内。
外壳组件7包括相互螺纹连接的第一外壳701和第一外壳702，第一外壳701位于第一外壳702的上部，且两者通过螺纹可拆卸连接，隔热底座303位于第一外壳701内，外壳组件7通过螺钉与加热组件2固定连接，将隔热组件3夹紧，在螺钉的头部还可以放置隔热垫片。转动组件1、加热组件2、隔热组件3、测温组件4以及风转换与温度控制组件5均位于外壳组件7的内部。
为了提高本发明提供的测风传感器的温控性能，测温组件4可以设置第一测温元件401和第二测温元件402，其中第一测温元件401检测加热组件2的下表面的温度，第二测温元件402检测第一外壳701的温度，即第一测温元件401与加热组件2的下表面接触，优选地，固定连接在第一盖板203的下侧面上；第二测温元件402固定连接在第一外壳的内侧壁上。
优选地，测温组件4可以是热电偶、热敏电阻温度传感器或热电阻温度传感器。
风转换与温度控制组件5所述风转换与温度控制组件包括磁传感芯片、温度采集模块、控制模块以及供电模块；所述供电模块向所述控制模块提供稳定的电压，所述温度采集模块采集所述测温组件的温度数据，并将采集到的温度数据传输至所述控制模块；控制模块根据接收到的温度数据控制加热组件的开启或关断；所述磁传感芯片检测所述测风元件每个脉冲序列的角度位置，并统计脉冲个数，通过控制模块读取并计算所述测风元件的角速度和角度值，并通过控制模块转换计算出相应的风速和风向数值并进行电信号的输出。
其中，位于电路板上面的磁传感芯片为两个相互垂直的平面霍尔元件vx和vy通过转轴末端的磁钢配合，测出测风元件的每个脉冲序列的角度位置(θ＝arctan(vy/vx))以及统计脉冲个数，计算出测风元件的角速度和角度值。)。
本发明提供的测风传感器的温度控制原理为：第二测温元件测得的环境温度低于第二测温元件设定下限值时，所述风转换与温度控制组件开启所述加热组件，所述加热组件开始加热，所述第一测温元件检测所述加热组件上的温度，所述第一测温元件检测到的温度高于设定的第一测温元件设定上限值或者第二测温元件测得温度高于第二测温元件设定上限值时，所述风转换与温度控制组件所述加热组件均关断，所述加热组件停止加热。
本发明提供的测风传感器还可以包括电气接口组件6，电气接口组件6包括具有6芯的法兰航空插头601和紧固螺钉602，其中6芯分别为电路板供电的正负线，为加热组件供电的正负线、将电信号输出的正负线。
本发明提供的测风传感器的安装方法为：将测温元件一401通过螺纹紧固到第一盖板203上，安装轴承104至隔热底座303的轴承槽内，轴103插入轴承104中，两个轴承104中间安装轴套105，磁钢106通过胶粘结到磁钢座107槽内，轴103底部通过磁钢座107底部的螺纹将两个轴承104内圈固定，将安装好的风探测组件一部分连同隔热底座303放置在外壳一701槽内，再依次装入隔热环302和隔热板301，加热组件2，外壳组件(7)通过螺钉与加热组件2连接，将隔热组件3夹紧，螺钉头部垫隔热垫片，轴103上部具有外螺纹与风杯式测风元件102a中风杯架102a.2上具有螺纹孔部分配合拧紧，最后通过螺母101紧固。测温元件二402通过螺钉安装外壳一701上，风转换与温度控制组件5通过外壳一701阶梯槽进行限位，通过螺钉进行紧固，加热组件2测温元件一401和测温元件二402电连接到风转换与温度控制组件5上，风转换与温度控制组件5电连接到具有6芯的法兰航空插头601上，外壳一701和外壳二702通过螺纹连接，最后将法兰航空插头601上的紧固螺钉602进行紧固。风速传感器需要一定的防护等级，因此本发明中所有连接处可以填充密封胶或使用橡胶密封圈进行密封，本发明中隔热组件3的外顶面、外侧面和风探测组件1的内顶面、内侧面的间隙通过机械加工的误差进行保证。
本发明提供的机械式控温型测风传感器，采用多点控温，对测风传感器的温度控制更加精确，该测风传感器可以通过切换测风组件以检测风速或风向，使用更加便捷。另外，本发明通过在转动组件的外周、加热组件的下部设置隔热组件，既提高了测风传感器的热量利用率，防止热量散失，又保护了转动组件中的轴承，防止轴承处因温度过高而造成润滑失效，有效延长了测风传感器的使用寿命，间接降低了测风传感器的使用成本。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。