一种基于超声共振原理的风速风向测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声共振原理的风速风向测量方法，其提出了对风向的三种算法，并且给出在不同条件下选择这三种风向算法的精度判据，为实现超声共振测量风速风向提供了核心技术。本发明专利技术综合校准和判定等方法，为通过测量信号准确计算出实际风速和风向提供了步骤和算法；本发明专利技术结合仪器的现状设计和其他加热控制机制，为做出体积小、效率高、气候适应性强的风速风向测量仪奠定了核心基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风能发电中的风向测量
，具体涉及一种基于超声共振原理的风速风向测量方法。
技术介绍
风力是绿色能源的重要来源，取之不尽用之不竭。据估计，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。用于风力发电的风力发电机组，主要包括风轮、尾舵、发电机和铁塔。风力发电机组的效率和安全取决于对当地风速风向的准确测量。因为过大风速负载会造成机组结构和发电线路的故障和耗损，而风轮和风向夹角与机电效率直接有关。因此准确测量在各种条件下的风速风向是保证风力发电机组安全、高效率运行的必要条件。传统机械风速风向测量仪由于转动部件的机械磨损在寿命和精度方面都不能满足现代风力发电的要求。机械风速风向测量仪在抗环境干扰方面，如去冰冻和抗腐蚀，也存在先天的局限性。传统超声波风速风向测量仪以风对声波传播时间的影响为机理代替了过去的机械传动机理，避免了仪器的机械磨损。但是超声波在大气中随距离衰减和传播时间的测量精度对超声波传播距离的依赖使得传统超声波风速风向测量仪具有体积大，能耗高的缺点。近年来人们发现利用超声波在小空腔内共振的物理机理，可以克服传统超声波风速风向测量仪的缺点，可以做出体积小，效率高的风速风向测量仪。所以基于超声共振原理设计的风速风向测量装置具有巨大的实用价值。然而如何通过超声在共振腔内的发射和接受来准确计算风速风向是超声共振原理设计的风速风向测量装置的核心技术。
技术实现思路
基于上述，本专利技术提供了一种基于超声共振原理的风速风向测量方法，为实现超声共振测量风速风向提供了核心技术。一种基于超声共振原理的风速风向测量方法，包括如下步骤：(1)对于超声波风速风向仪腔体内的任一对换能器，在无风情况下测量该换能器对的相位差之差，并作为系统误差；(2)对于超声波风速风向仪腔体内的任一对换能器，在有风情况下测量该换能器对的相位差之差并利用系统误差进行补偿，得到该换能器对连线方向上的实际相位差之差；(3)取绝对值最大的实际相位差之差所对应的一对换能器，计算该换能器对坐标系下的风向θ，该换能器对坐标系以该换能器对连线方向为0°方向；(4)将该换能器对坐标系下的风向θ转换成地球坐标系下的风向进而根据各换能器对所对应的实际相位差之差计算出风速v。所述的超声波风速风向仪腔体内等距设有三个换能器，三个换能器呈正三角形分布并可组合出三对换能器。所述换能器对的相位差之差等于超声波由换能器A发出被换能器B接收所产生的相位差ΦBA减去超声波由换能器B发出被换能器A接收所产生的相位差ΦAB，换能器A和B组成该对换能器。所述换能器对连线方向上的实际相位差之差等于有风情况下该换能器对的相位差之差减去无风情况下该换能器对的相位差之差。所述的步骤(3)中首先将三对换能器所对应的实际相位差之差依次标记为γ1、γ2、γ3，其中γ2所对应换能器对的连线方向比γ1所对应换能器对的连线方向大120°，γ3所对应换能器对的连线方向比γ1所对应换能器对的连线方向大240°；若γ1的绝对值最大，则γ1所对应换能器对坐标系下的风向θ1表达式如下：若γ2的绝对值最大，则γ2所对应换能器对坐标系下的风向θ2表达式如下：若γ3的绝对值最大，则γ3所对应换能器对坐标系下的风向θ3表达式如下：所述的步骤(4)中首先设定其中一换能器对的连线方向为基准方向，若风向θ所在换能器对坐标系是以基准方向为0°方向，则通过以下关系式将风向θ转换成地球坐标系下的风向若γ＜0且0°≤θ≤90°，则若γ＜0且-90°≤θ＜0°，则若γ≥0，则若风向θ所在换能器对坐标系的0°方向比基准方向大120°，则通过以下关系式将风向θ转换成地球坐标系下的风向若γ＜0且0°≤θ≤90°，则ψ＝θ；若γ＜0且-90°≤θ＜0°，则ψ＝θ+360°；若γ≥0，则ψ＝θ+180°；进一步判断，若120°≤ψ≤360°，则若0°≤ψ＜360°，则若风向θ所在换能器对坐标系的0°方向比基准方向大240°，则通过以下关系式将风向θ转换成地球坐标系下的风向若γ＜0且0°≤θ≤90°，则ψ＝θ；若γ＜0且-90°≤θ＜0°，则ψ＝θ+360°；若γ≥0，则ψ＝θ+180°；进一步判断，若240°≤ψ≤360°，则若0°≤ψ＜240°，则其中：γ为绝对值最大的实际相位差之差，ψ为中间变量。所述的步骤(4)中通过以下公式计算风速v：其中：α为风速校准常数。本专利技术为超声共振型风速和风向测量仪提供了一种核心技术，它综合校准和判定等方法，为通过测量信号准确计算出实际风速和风向提供了步骤和算法；本专利技术结合仪器的现状设计和其他加热控制机制，为做出体积小、效率高、气候适应性强的风速风向测量仪奠定了核心基础。附图说明图1为本专利技术方法的步骤流程示意图。图2为腔体内换能器对的位置示意图。图3为各换能器对在无风时相位差之差的示意图。图4为风向为零度时各换能器对在不同风速下相位差之差的关系示意图。图5为采用本专利技术测量得到的风速结果与实际风速结果的比较示意图。图6为风速仪标定的零度方向与风向成90度，在不同风速下采用本专利技术测量得到的风向结果示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，本专利技术基于超声共振原理的风速风向测量方法包括如下步骤：步骤1：测量仪传感器对的空间分布。整个测量过程是在一对上下平行的平板构成的腔体内完成的。腔体的其他方向与大气接触。构成腔体的结构外形尽量的对称，体积小。使对风场影响最小，可以正常地流过腔体。在一块或两块平行平板内嵌入超声波换能器(超声波由压电元件耦合的振动膜片，即超声波换能器产生和接收)。换能器之间尽量等距离，腔体的平行平板至少装有三个换能器。由图2可知换能器呈三角形分布。在测量过程中时刻，均有一个换能器处于电激励状态，换能器膜片表面产生超声波并向外传播，直至到达另一侧的平行平板进行近似全反射。由此产生的波前向上运行，到达上平板并再次反射。超声波继续在反射器之间反弹，直到在空气中能量损失并充分衰减变为不完全反射。测量仪总共采用了三个超声波传感器，即压电元件耦合的振动膜片，三个超声波传感器外壳均为圆形，三个传感器的圆心连线构成一个等边三角形，在图2中，矢量13方向与矢量32方向与矢量21方向的夹角均为120度。步骤2：测量仪传感器对相位的系统误差。在理想情况下，一对传感器位置固定，外界环境保持不变。超声波传感器1发出的超声波被超声波传感器2接收到，会产生一个时延，由此带来相位差φB21。同理，超声波传感器2发出的超声波被超声波传感器1接收到，会产生一个时延，由此带来相位差φB12。在无风情况下，不考虑传感器和测量线路带来的影响，φB21-φB12＝0。但在实际情况中，无风情况下，一对换能器，发射和接收对换，产生的相位差的差ΔφB21,12＝φB21-φB12≠0为此我们在不同环境温度下，在一段较长时间内测量了大量无风情况下的相位差的差的数据。图六展示小部分数据。经过长时间测量，发现在无风情况下各换能器对的相位差的差平均值，然后将作为系统误差进行相位补偿；图3表示的是无风时系统典型相位差之差。步骤3：有风情况下传感器对的相位差的差。在图2中，当传感器13矢量方向一个稳定的风(风速为v,风向为θ13)吹来时，超声波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超声共振原理的风速风向测量方法，包括如下步骤：(1)对于超声波风速风向仪腔体内的任一对换能器，在无风情况下测量该换能器对的相位差之差，并作为系统误差；(2)对于超声波风速风向仪腔体内的任一对换能器，在有风情况下测量该换能器对的相位差之差并利用系统误差进行补偿，得到该换能器对连线方向上的实际相位差之差；(3)取绝对值最大的实际相位差之差所对应的一对换能器，计算该换能器对坐标系下的风向θ，该换能器对坐标系以该换能器对连线方向为0°方向；(4)将该换能器对坐标系下的风向θ转换成地球坐标系下的风向进而根据各换能器对所对应的实际相位差之差计算出风速v。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声共振原理的风速风向测量方法，包括如下步骤：(1)对于超声波风速风向仪腔体内的任一对换能器，在无风情况下测量该换能器对的相位差之差，并作为系统误差；(2)对于超声波风速风向仪腔体内的任一对换能器，在有风情况下测量该换能器对的相位差之差并利用系统误差进行补偿，得到该换能器对连线方向上的实际相位差之差；(3)取绝对值最大的实际相位差之差所对应的一对换能器，计算该换能器对坐标系下的风向θ，该换能器对坐标系以该换能器对连线方向为0°方向；(4)将该换能器对坐标系下的风向θ转换成地球坐标系下的风向进而根据各换能器对所对应的实际相位差之差计算出风速v。2.根据权利要求1所述的风速风向测量方法，其特征在于：所述的超声波风速风向仪腔体内等距设有三个换能器，三个换能器呈正三角形分布并可组合出三对换能器。3.根据权利要求1所述的风速风向测量方法，其特征在于：所述换能器对的相位差之差等于超声波由换能器A发出被换能器B接收所产生的相位差ΦBA减去超声波由换能器B发出被换能器A接收所产生的相位差ΦAB，换能器A和B组成该对换能器。4.根据权利要求1所述的风速风向测量方法，其特征在于：所述换能器对连线方向上的实际相位差之差等于有风情况下该换能器对的相位差之差减去无风情况下该换能器对的相位差之差。5.根据权利要求2所述的风速风向测量方法，其特征在于：所述的步骤(3)中首先将三对换能器所对应的实际相位差之差依次标记为γ1、γ2、γ3，其中γ2所对应换能器对的连线方向比γ1所对应换能器对的连线方向大120°，γ3所对应换能器对的连线方向比γ1所对应换能器对的连线方向大240°；若γ1的绝对值最大，则γ1所对应换能器对坐标系下的风向θ1表达式如下：θ1=tan-1(γ...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘杰，张胜德，谭畅，郭洁，黄海，
申请(专利权)人：浙江大学，浙江贝良风能电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33