阅读说明：本技术 风杯风速计 (Wind cup anemometer ) 是由 亨利·B·布什 史蒂文·H·克拉克 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：一种以经济有效的配置提供精确的风速测量的风杯风速计。风速计的转子,例如一体成型的转子,可使用盖体组装到轴上。在一些实施例中,转子的轮毂和盖体在风杯和转子的臂部区域中提供对称性,和/或轮毂的底部和盖体的顶部可以分别位于由转子的风杯的底部和顶部分别限定的平面的上方和下方。在一些实施例中,风杯中的每个风杯通常可以是圆锥形的,并且具有标称114度的锥角,和/或转子的每个臂部可以具有前表面,臂部的前表面与对应的一个风杯的前表面共面。(A cup anemometer that provides accurate wind speed measurements in a cost effective configuration. The rotor of the anemometer, e.g. an integrally formed rotor, may be assembled to the shaft using a cover. In some embodiments, the hub and the cover of the rotor provide symmetry in the region of the arms of the cups and the rotor, and/or the bottom of the hub and the top of the cover may be located above and below, respectively, a plane defined by the bottom and the top of the cups of the rotor, respectively. In some embodiments, each of the cups may be generally conical and have a cone angle of nominally 114 degrees, and/or each arm portion of the rotor may have a front surface that is coplanar with a front surface of a corresponding one of the cups.)

风杯风速计

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年5月3日提交的第62/842,683号美国临时申请的申请日权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开总体上涉及一种风杯风速计。

背景技术

风杯风速计用于测量风速，并且通常包括转子，该转子包括多个风杯，所述风杯附接到自中心轮毂辐射的臂部。转子构造成绕壳体自由旋转并连接至轴。在一些配置中，风杯通常可以是圆锥形或半球形的。施加在风杯上的风引起轴的相应旋转。轴的旋转由换能器转换成表示施加在风杯上的风的风速的信号。

在一些应用中，高精度测量风速非常重要。例如，在风能应用中，可以从风力涡轮机获得的功率与风速成比例。同样，根据风速控制涡轮的转速也很重要。

风速测量的精度受许多因素影响，因素包括转子组件和壳体的几何形状和方向。针对这些因素从而生产高精度的风速计可能需要昂贵的材料和制造工艺。风速计的精度因此可能与制造成本平衡。

具体实施方式

与本公开一致的风速计以成本有效的配置提供精确的风速测量。风速计的转子，例如一体成型的转子可利用盖体组装到轴上。在一些实施例中，转子的轮毂和盖体可以具有相同的横截面形状和尺寸，以在风杯和转子的臂部区域中提供对称性。在一些实施例中，转子可以包括轮毂，所述轮毂在臂部的底表面下方延伸一定距离，使该距离与轮毂和盖体在臂部的顶表面上方延伸的距离相同，和/或轮毂的底部和盖体的顶部可以分别位于由风杯的底部和顶部分别限定的平面的上方和下方。在一些实施例中，多个风杯中的每个通常可以是圆锥形的，并且具有标称114度的锥角，和/或转子的每个臂部可以具有与对应的一个风杯的前表面共面的前表面。这些特征中的每个特征都有助于风速计的精确性能和/或可制造性，并且与本公开一致的风速计可以包括本文描述的这些特征和其他特征中的任何一个或多个或全部。

图1是与本公开一致的风速计100的一个示例的透视图，图2是其剖视图。风速仪100包括壳体102、可旋转地支撑在壳体102中的轴104(图2)、转子106和盖体108，盖体108用于将转子106固定至轴104，以使转子106和轴104一起相对于壳体102旋转。转子106包括多个风杯110-1、110-2、110-3，风杯附接到从中心轮毂114辐射的相关臂部112-1、112-2、112-3的端部。尽管示出的实施例包括具有三个风杯110-1、110-2、110-3的转子106，但是与本公开一致的风速计可以包括两个风杯或三个以上的风杯。

通常，施加在风杯110-1、110-2、110-3上的风使转子106和轴104相对于壳体102旋转。换能器202将轴104的旋转转换成表示施加在风杯110-1、110-2、110-3上的风的风速的信号。在所示的示例中，换能器202包括联接至轴104以随其旋转的环形光学斩波器204。光学斩波器204穿过光遮断器206，使得光遮断器206的输出是一系列具有与轴104的旋转速度成比例的频率的脉冲。由于轴104的旋转速度与风速成比例，所以光遮断器206的输出表示施加在风杯110-1、110-2、110-3上的风速。

光遮断器206安装在电路板208上，该电路板载有用于光遮断器206的接口和电源电路。光遮断器206的输出耦合到电连接器210以提供风速计100的输出。可以通过电连接器210，或者可以由电池电源提供风速计100的电力。尽管在所示实施例中的换能器202包括光学斩波器204和光遮断器206，但是多种其他换能器配置在本领域中是众所周知的，并且可以在与本公开一致的系统中实现。

壳体102包括基部212和从基部212向上延伸的上部214。壳体102的基部212包围换能器202和电连接器210。轴104容纳在中心开口中，该中心开口延伸穿过壳体102的上部214并进入基部212。轴104被位于上部214的顶部的第一轴承216和位于基部212的顶部的第二轴承218支撑，用于在壳体102的中心开口中旋转。

在一些实施例中，轴104可以是大体上圆柱形的杆，其包括直径减小的底部，用于将轴104联接至光学斩波器204。直径减小的底部可包括与光学斩波器204的底部中的内螺纹匹配的外螺纹，以将光学斩波器204固定到轴104上。连接器部分220可以设置在轴104的上端，并且延伸超过壳体102的上部214，以便于将转子106安装到轴104上。连接器部分220可以由限定肩部302的轴104的直径减小部分限定，如图3中更清楚地示出。可以在连接器部分220的一端设置外螺纹304。

在一些实施例中，转子106的轮毂114在与轮毂114的底表面306平行的平面中从轮毂114的底表面306到顶表面308具有均匀横截面形状的周边表面。在所示的实施例中，例如，轮毂114是圆柱形的，并且轮毂114的周边表面在与轮毂114的底表面306平行的平面的横截面形状从轮毂114的底表面306到顶表面308是圆形的。轮毂114可包括穿过其中的中心开口310，该中心开口具有第一部分和与第一部分相比直径减小的第二部分。在中心开口310的第一部分和第二部分之间的过渡处限定有肩部312。还参考图4的组装横截面图，轴104的连接器部分220可以延伸穿过轮毂114中的中心开口310，并且轮毂114的中心开口310中的肩部312可以搁在轴104的连接器部分220的肩部302上。

轴104的连接器部分220的顶部延伸超过轮毂114的上部，使得连接器部分220上的外螺纹304暴露。在所示的示例实施例中，通过轴104的连接器部分220的外螺纹304和盖体108中的中心开口316中的匹配内螺纹314的螺纹接合，转子106固定到轴104上。盖体108在其底表面320中包括环形凹槽318，用于容纳O形环322。当将盖体108拧到轴104的连接器部分220上时，盖体108上的内螺纹314螺纹地接合连接器部分220的外螺纹304，并且压力被施加到O形环322。该力传递到转子106的轮毂114，以迫使轮毂114上的肩部312与轴104的连接器部分220的肩部302接合，并将转子106和盖体108固定并密封到轴104上。当图示的示例实施例被组装时，转子106、盖体108和轴104相对于壳体102一起旋转。

尽管在所示的示例实施例中，盖体108被配置为使用螺纹接合将转子106固定到轴104，但是在与本公开一致的风速计中可以使用利用盖体108将转子106固定到轴104的其他配置来实现。例如，盖体108可以通过紧固件和/或压配合固定到轴104。而且，在一些实施例中，盖体108可在不联接至轴104的情况下，将转子106联接至轴104。例如，轴104可以被配置为具有中心开口的圆柱形杆，并且联接至壳体102的内部杆(未示出)可以延伸穿过轴104中的中心开口。盖体108可以联接至内部杆，并且转子106和轴104可以相对于盖体108、杆和壳体102旋转。

所示的盖体108在与盖体108的底表面320平行的平面中具有从盖体108的底表面320到顶表面324具有均匀横截面形状的周边表面。在所示的实施例中，例如，盖体108是圆柱形的，并且盖体108的周边表面在与盖体108的底表面320平行的平面中的横截面形状从盖体108的底表面320到盖体108的顶表面324是圆形的。盖体108的周边表面的均匀截面形状的形状和尺寸可以与转子106的轮毂114部分的周边表面的均匀截面形状的形状和尺寸相同。在所示的实施例中，例如，盖体108具有圆柱形的横截面形状，其直径与轮毂114的横截面形状相同。

特别参考图3中所示的示例，轮毂114包括底部326和上部330，底部326在臂部112-1、112-2、112-3的底表面328下方延伸距离D1，上部330在臂部112-1、112-2、112-3的上表面332上方延伸距离D2。盖体108具有从盖体108的顶表面324到盖体108的底表面320的宽度W。由于轮毂114和盖体108均具有圆柱形的横截面形状，因此在示例性实施例中，当盖体108的底表面320位于轮毂114的顶表面308附近时，例如，当O形环322被压缩在盖体108和轮毂114之间时，轮毂114的底部326与轮毂114的、与盖体108结合的顶部330对称。这在轮毂114和风杯110-1、110-2、110-3的区域中提供了臂部112-1、112-2、112-3上方和下方的对称性，以避免可能影响风速计100的性能的风流产生。在一些实施例中，可以使用不均匀的横截面形状，例如圆锥形，来实现臂部112-1、112-2、112-3上方和下方的对称性。例如，轮毂114的底部326可被成形为圆锥形，而轮毂114的、与盖体108结合的顶部330也可形成圆锥形，以在臂部112-1、112-2、112-3上方和下方提供对称性。

在一些实施例中，距离D1可以等于距离D2加上宽度W，使得轮毂114在臂部112-1、112-2、112-3下方延伸与轮毂114和盖体108在臂部112-1、112-2、112-3上方延伸相同的距离。这种构造在允许利用盖体108到轴104的螺纹接合将转子106轻松组装到轴104的同时，提供了臂部112-1、112-2、112-3上方和下方的对称性。在一些实施例中，轮毂114的底表面306可以定位在由风杯110-1、110-2、110-3的底部334所限定的底平面P1的上方，并且盖体108的顶表面324可以定位在风杯110-1、110-2、110-3的顶部336所限定的顶平面P2的下方。

现在参考图5，在一些实施例中，转子106可以是单件结构，例如由塑料材料模制而成、由不同材料共模制成整体结构、或3D打印。这种构造允许具有成本有效的制造，特别是当与盖体108结合时，该盖体108利用盖体108与轴104的螺纹接合将转子106固定到轴104上。如图1中最佳地示出，并且例如参照风杯110-2，每个风杯110-1、110-2、110-3可以是大致圆锥形的，具有凸出的外表面120和凸出的内表面122，该外表面120和内表面122在前表面124相接以限定出风杯的开口126。如图5所示，由风杯限定的锥角θ可以标称上大于90度，并且在一些实施例中可以标称约为114度。风杯110-1、110-2、110-3的前表面124可以与臂部112-1、112-2、112-3的前表面502共面并且可以定位在轴104的旋转轴线A的前方。

根据本公开的一个方面，提供了一种风杯风速计，包括壳体；轴，所述轴由壳体支撑以相对于壳体旋转，所述轴在其端部具有连接器部分，所述连接器部分具有带螺纹的外表面；单件转子，所述单件转子包括多个风杯，所述风杯附接到从中心轮毂辐射的臂部，所述轮毂在其中具有用于接收轴的连接器部分的中心开口，所述连接器部分的螺纹外表面延伸超过轮毂的顶表面；和盖体，所述盖体具有带螺纹的内表面的中央开口，所述带螺纹的内表面用于与轴的连接器部分的带螺纹的外表面螺纹接合，以用于将盖体、转子和轴联接一起相对于壳体旋转。

根据本公开的另一方面，提供了一种风杯风速计，包括壳体；轴，所述轴由壳体支撑以相对于壳体旋转；单件转子，所述单件转子包括多个风杯，所述风杯附接到从中心轮毂辐射的臂部，所述轮毂具有在臂部的底表面下方延伸的底部和在臂部的顶表面上方延伸的顶部；和盖体，所述盖体被配置为将转子固定到轴上，由此转子和轴相对于壳体一起旋转，当盖体的底表面位于轮毂的顶表面附近时，轮毂的底部与轮毂的、与盖体结合的顶部对称。

根据本公开的又一方面，提供了一种风杯风速计，包括壳体；轴，所述轴由壳体支撑以相对于壳体旋转，所述轴在其端部具有连接器部分，所述连接器部分具有带螺纹的外表面；单件转子，所述单件转子包括多个风杯，所述风杯附接到从中心轮毂辐射的臂部，每个风杯具有相关的顶部和底部，轮毂具有均匀横截面形状，并且在其中具有用于接收轴的连接器部分的中心开口，所述连接器部分的螺纹外表面延伸超过所述轮毂的顶表面，所述轮毂具有底部和顶部，所述轮毂的底部从所述臂部中的一个臂部的底表面到所述轮毂的底表面延伸第一距离，所述轮毂的顶部从所述臂部中的一个臂部的顶表面到所述轮毂的顶表面延伸第二距离；和盖体，所述盖体具有与所述轮毂的均匀横截面形状相同形状和尺寸的均匀横截面形状，所述盖体具有中心开口，所述中心开口具有带螺纹的内表面，用于与轴的连接器部分的带螺纹的外表面螺纹接合，以将盖体、转子和轴联接一起相对于壳体旋转，盖体具有从盖体的顶表面到盖体的底表面的宽度，从而所述第一距离等于所述第二距离加上盖体的宽度，并且所述轮毂的底表面位于由所述风杯的底部限定的平面上方，并且所述盖体的顶表面被定位在风杯的顶部限定的平面下方。

在本公开的全文中，冠词“一”和/或“一个”和/或“该”用于修饰名词的使用可以理解为方便起见，并且包括一个或多个，除非另有明确说明，否则修饰名词。如在说明书和权利要求书中所使用的，短语“和/或”应被理解为是指这样结合的元素中的“一个或两个”，即元素在某些情况下共同存在而在其他情况下不共同存在。除非明确相反地指出，否则与“和/或”子句具体标识的元素不同，可以可选地存在其他元素，无论与具体标识的那些元素相关还是无关。本文中提及几何特征和关系，例如“均匀横截面”、“相同”、“对称”、“圆形”、“圆柱”、“相等”、“共面”等，不需要精确的数学精度，而是允许制造公差和不一致。提及数量时，术语“名义上”或“标称”的使用是指例如，由于制造公差或不一致，可能与实际数量不同的指定或理论数量。术语“包括”，“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除所列要素外可能还有其他要素。

仅使用常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文描述的本公开的具体实施方案的许多等同形式。因此，应当理解，前述实施方式仅作为示例给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以不同于说明书和权利要求的方式来实践本公开。本公开针对本文所述的每个单独的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。另外，如果这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不是相互矛盾的，则两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任意组合包括在本公开的范围内。要求本申请的优先权的未来提交的申请可以以不同的方式要求公开的主题，并且通常可以包括如本文中以各种方式公开或以其他方式证明的一个或多个限制的任何集合。