反射式超声风速仪和风速检测方法
阅读说明：本技术 反射式超声风速仪和风速检测方法 (Reflection type ultrasonic anemometer and wind speed detection method ) 是由 叶华俊 刘韬 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了反射式超声风速仪和风速检测方法,所述反射式超声风速仪包括底座、换能器、支撑柱、反射体和分析单元；所述换能器设置在所述底座上,所述反射体处于所述底座的上侧,并具有内凹反射面；所述支撑柱设置在所述底座和反射体之间,相邻换能器之间设置所述支撑柱；四个换能器和四个支撑柱设置在底座上,所述支撑柱和换能器交替设置,在所述底座上,相邻的支撑柱和换能器对应的圆心角均是45°；计算单元用于根据所述分析单元输出的计算风速V得到校正风速,a,b,c均是常数,d是与实测风向角有关的参数。本发明具有风速测量准确、风速测量范围大等优点。(The invention provides a reflection type ultrasonic anemometer and a wind speed detection method, wherein the reflection type ultrasonic anemometer comprises a base, a transducer, a support column, a reflector and an analysis unit; the transducer is arranged on the base, and the reflector is arranged on the upper side of the base and provided with an inward concave reflecting surface; the supporting column is arranged between the base and the reflector, and the supporting column is arranged between the adjacent transducers; the four transducers and the four supporting columns are arranged on the base, the supporting columns and the transducers are alternately arranged, and the central angles corresponding to the adjacent supporting columns and the transducers on the base are both 45 degrees; the calculation unit is used for obtaining a corrected wind speed according to the calculated wind speed V output by the analysis unit A, b and c are constants, d is a parameter related to the measured wind direction angle. The invention has wind speed measurement accuracyThe wind speed measurement range is large.)
技术领域
本发明涉及风速检测，特别涉及反射式超声风速仪和风速检测方法。
背景技术
风速风向的测量，在气象监测、风力发电以及农业等很多行业都有重要价值。其中，在气象监测领域，尤其是海上气象监测，对风速测量范围要求较高，风速风向仪要能够测量（40~60）m/s甚至更高的风速；在风力发电领域，风速风向的测量精度和测量范围，直接决定风力发电机的工作状态（启动小风机或大风机或停机），影响风力发电机的发电效率（变桨系统根据风速调整叶片迎风角度、偏航系统根据风向调整叶轮和机舱迎风角度）。
早期使用的风速风向仪大多为传统机械式风速仪，其中比较有代表性的风杯风速仪，由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都朝向一个方向，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。该类风速仪具有原理简单、使用便捷、成本较低等优点，但是也存在体积大、集成度不高、容易磨损和老化、存在启动风速以及惯性导致的测量值偏大等问题，重点是机械式风速仪测量精度差，测量范围小，已经无法满足很多需要高精度大量程风速测量的应用需求。
为了克服传统机械式风速仪的不足，基于超声波时差法原理的风速仪得到越来越多的应用，超声波时差法风速仪具有无需启动风速、测量范围大、测量精度高、无活动部件、无磨损、便于安装拆卸、便于携带等优点。二维超声波时差法风速仪，通常由四个超声换能器组成，测量两个方向（南北、东西）的风速，通过矢量合成，计算出最终风速大小和风向角度。
反射式超声波时差法风速风向仪，是在超声波时差法原理基础上，增加了反射面，四个超声换能器大多呈45°仰角朝上方发射超声信号，信号被上盖底面反射后，被对面的超声换能器接收。反射式超声波时差法风速风向仪仍然存在一些不足：
1.不同角度阻塞面积不同导致的风速测量误差问题；
反射式超声波时差法风速风向仪阻塞面积较大，测量风速时需要修正阻塞面积的影响，通常是用标准风洞进行校准；然而常规校准，只针对有限方向（如正北、正东）开展，而自然界中的风向是四面八方，任何角度都有的。反射式超声波时差法风速风向仪校准后，其他角度，由于阻塞面积与校准方向的阻塞面积不同，会出现很大测量误差。在风洞测试时发现，校准后，校准的方向测量准确，但是转动风速仪时发现，其他角度风速测量有较大误差。
2. 大风时超声信号的衰减和丢失问题；
反射式超声波时差法风速风向仪，常规反射面是平面设计，在风速较大时，存在信号被吹偏吹跑的问题，导致接收到的回波信号幅度很小很难检出，或者无法收到回波信号。有些厂家将反射面设计成凹面结构，大多是一定曲率的球面，可以一定程度上降低大风情况下信号的减弱及丢失问题，但是，固定曲率的凹面很难满足所有风速的反射要求，例如中间风速满足反射要求时，大风速信号往往会反射过度，也无法进入超声换能器，而且一定曲率的凹面，还会引入风速仪测量风速与标准风速之间的非线性问题。
综上，当反射面为平面时，在风速较大时，信号衰减和丢失问题严重，但是不存在风速测量的非线性问题。当反射面为固定曲率的球形凹面时，尽管在一定程度上可以降低大风速信号的衰减和丢失问题，但是无法满足所有风速范围的反射要求，还会引入测量风速与标准风速之间的非线性问题。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种反射式超声风速仪。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
反射式超声风速仪，所述反射式超声风速仪包括底座、换能器、支撑柱、反射体和分析单元；所述换能器设置在所述底座上，所述反射体处于所述底座的上侧，并具有内凹反射面；所述支撑柱设置在所述底座和反射体之间，相邻换能器之间设置所述支撑柱；四个换能器和四个支撑柱设置在底座上，所述支撑柱和换能器交替设置，在所述底座上，相邻的支撑柱和换能器对应的圆心角均是45°；所述反射式超声风速仪还包括：
计算单元，所述计算单元用于根据所述分析单元输出的计算风速V得到校正风速，a，b，c均是常数，若mod（A，90）≤45，d= mod（A，90）；若mod（A，90）＞45，d=90-mod（A，90），A是所述分析单元输出的实测风向角的数值。
本发明的另一目的在于提供了风速检测方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
根据本发明的反射式超声风速仪的风速检测方法，所述风速检测方法包括以下步骤：
（A1）分析单元输出计算风速V以及实测风向角；
（A2）计算单元根据所述计算风速V得到校正风速，a，b，c均是常数，若mod（A，90）≤45，d= mod（A，90）；若mod（A，90）＞45，d=90- mod（A，90），A是所述实测风向角的数值。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明通过修正反射式超声风速仪的计算风速以及重新设计了反射面，降低了风速测量的误差，增大了风速测量范围；
1.风速检测误差小；
根据支撑柱、换能器分布的特点，校正了计算风速，有效地降低了反射式超声风速仪由于角度不同（不同方向阻塞面积不同）而造成的风速误差；
2.风速测量范围大，低风速测量精度高；
将反射面分为若干个环形反射面，与内凹反射面的中心间的距离越大，各个环形反射面的反射点在竖直面内的切线与竖直方向夹角越小；每个环形反射面和竖直面的交线是直线段或弧线段，从而适应了不同风速的检测要求，增大了风速测量范围；
对于大风速，超声信号落在外侧的环形反射面上，由于夹角较小，能够把超声信号尽可能多地反射回对侧换能器；
对于小风速，超声信号落在最内侧的环形反射面上，如此时反射面与竖直方向夹角为90°，此时信号丢失问题本来就不严重，也不会引入凹面反射带来的风速非线性问题；
对于中间部分风速，超声信号落在处于中间侧的环形反射面上，由于夹角适中，能够把超声信号尽可能多的反射回对侧换能器。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的反射式超声风速仪的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的支撑柱和换能器在底座上的分布示意图；
图3是根据本发明实施例的反射式超声风速仪的内凹反射面的结构示意图。
具体实施方式
图1-3和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了解释本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1给出了本发明实施例的反射式超声风速仪的结构示意图，如图1所示，所述反射式超声风速仪包括：
底座21、反射体11和分析单元，所述反射体11处于所述底座21的上侧，且具有向上外凸的内凹反射面31；
换能器41，四个换能器41设置在所述底座21上；
支撑柱51，四个支撑柱51设置在所述底座21上，并支撑所述反射体11；相邻换能器41之间设置所述支撑柱51；
如图2所示，所述支撑柱51和换能器41交替分布，在所述底座21上，相邻的支撑柱51和换能器41对应的圆心角均是45°；
计算单元，所述计算单元用于根据所述分析单元输出的计算风速V得到校正风速，a，b，c均是常数，若mod（A，90）≤45，d= mod（A，90）；若mod（A，90）＞45，d=90-mod（A，90），A是所述分析单元输出的实测风向角的数值。
为了适应各种风速的测量，进一步地，如图3所示，所述内凹反射面31包括多个环形反射面，与所述内凹反射面31的中心35间的距离越大，各个环形反射面的反射点在竖直面内的切线与竖直方向夹角越小。
根据本发明实施例的反射式超声风速仪的风速检测方法，所述风速检测方法包括以下步骤：
（A1）所述分析单元输出计算风速V以及实测风向角；
（A2）计算单元根据所述计算风速V得到校正风速，a，b，c均是常数，若mod（A，90）≤45，d= mod（A，90）；若mod（A，90）＞45，d=90- mod（A，90），A是所述实测风向角的数值。
实施例2：
根据本发明实施例1的反射式超声风速仪和风速检测方法的应用例。
在该应用例中，如图1-2所示，在反射式超声风速仪中，底座21上设置四个换能器41和四个支撑柱51，相邻换能器41之间设置支撑柱51，所述支撑柱51和所述换能器41交替设置，相邻的支撑柱51和换能器41对应的圆心角均是45°；
如图3所示，内凹反射面31包括三个圆环形反射面，最内侧的环形反射面32是平面，半径R1=2.08mm，所述平面与竖直方向夹角是90°；
最外侧的环形反射面34的内圈半径R2=6.24mm，外圈半径R3=12.48mm，最外侧的环形反射面34与（包括内凹反射面31的中心35的）竖直面的交线是弧线段，曲率半径是180mm，与所述内凹反射面31的中心35间的距离越大，该弧线段的各点（即反射点）在竖直面内的切线与竖直方向夹角越小，夹角最大值85°，如切线63与竖直方向61间的夹角是83°；
中间侧的环形反射面33内圈半径R1=2.08mm，外圈半径R2=6.24mm，中间侧的环形反射面33与（包括内凹反射面31的中心35）竖直面的交线是弧线段，曲率半径是140mm，与所述内凹反射面31的中心35间的距离越大，该弧线段的各点（即反射点）在竖直面内的切线与竖直方向夹角越小，夹角最大值88°，最小值是85°，如切线62与竖直方向61间的夹角是86°；
计算单元根据分析单元输出的计算风速V得到校正风速，a=0.2，b=-0.22，c=30，若mod（A，90）≤45，d= mod（A，90）；若mod（A，90）＞45，d=90-mod（A，90），A是所述分析单元输出的实测风向角的数值；如A=80，则d=10；A= 265，则d=5。
根据本发明实施例的反射式超声风速仪的风速检测方法，所述风速检测方法包括以下步骤：
（A1）所述分析单元输出计算风速V以及实测风向角；
（A2）计算单元根据分析单元输出的计算风速V得到校正风速，a=0.2，b=-0.22，c=30，若mod（A，90）≤45，d= mod（A，90）；若mod（A，90）＞45，d=90- mod（A，90），A是所述实测风向角的数值；如A=62，则d=28；A=15，则d=15；
在风速检测中，对于大风速（大约30m/s-60m/s范围内），超声信号落在最外侧的环形反射面34上，可将超声信号尽可能多的反射回对侧换能器41，有效降低超声信号的衰减和丢失；
对于小风速（大约10m/s以内），超声信号落在最内侧的环形反射面32上，不会引入凹面反射带来的风速非线性问题；
对于中间部分风速（大约10m/s-30m/s范围内），超声信号落在中间侧的环形反射面33上。
根据本实施例的反射式超声风速仪和风速检测方法，实测数据为：
可见，采用本发明的技术方案后，误差显著下降。
实施例3：
根据本发明实施例1的反射式超声风速仪和风速检测方法的应用例，与实施例2不同的是：
中间侧的环形反射面33内圈半径是2.08mm，外圈半径是6.24mm，中间侧的环形反射面33与（包括内凹反射面31的中心35）竖直面的交线是直线段，与所述内凹反射面31的中心35间的距离越大，该直线段的各点（即反射点）的处于竖直面内的切线与竖直方向夹角不变，均是88°；
最外侧的环形反射面34的内圈半径是6.24mm，外圈半径是12.48mm，最外侧的环形反射面34与（包括内凹反射面31的中心35的）竖直面的交线是直线段，与所述内凹反射面31的中心35间的距离越大，该直线段的各点（即反射点）的处于竖直面内的切线与竖直方向夹角不变，均是85°。
上述实施例仅是示例性地给出内凹反射面采用三个环形反射面，当然还可以是更多个或更少个，如四个、五个、二个；还有，内凹反射面是椭球面，环形反射面是椭圆环形反射面。