用于确定在大气中的声速或风速矢量的至少一个分量的超声波测风仪和方法技术

描述了一种用于确定声速和/或风速矢量的至少一个分量的超声波测风仪(7)以及方法，其带有至少一个至少有时作为发射器工作的具有用于发射声波的声发射面的声换能器(1,2,3,4,5,6,15,16)和至少一个至少有时作为接收器工作的具有用于至少部分接收所发射的声波的声探测面的声换能器(1,2,3,4,5,6,15,16)且带有评估单元，该评估单元在基于声波在处在至少一个发射器的声发射面与至少一个接收器的声探测面之间的测量段上为了经过该测量段需要的获取的行进时间的情形下确定风速矢量的至少一个分量和/或声速。该所描述的技术上的解决方案的特征在于，在第一发射器的第一声发射面与第一接收器的第一声探测面之间的至少一个第一测量段近似垂直于地表布置，且第一声发射面和/或第一声探测面相对水平线倾斜。

An ultrasonic wind meter and method used to determine at least one component of the sound velocity or wind speed vector in the atmosphere

A method for determining at least one component of the ultrasonic anemometer velocity and / or the wind vector is described and the method (7), with at least one transmitter has at least sometimes as for the acoustic transducer acoustic emission (1,2,3,4,5,6,15,16) and at least one at least sometimes as receiver work has used at least part of receiving the transmitted acoustic acoustic detection of the acoustic transducer (1,2,3,4,5,6,15,16) and with the assessment unit, the evaluation unit based on acoustic in at least one emitter acoustic emission surface and at least one receiver acoustic detection measurement section between the measuring section in order to obtain the required by the travel time. To determine the velocity vector of at least one of the components and / or sound. The solution is characterized in that the technique described on the first measurement of at least one section between the first surface of the first acoustic transmitter the first acoustic emission surface and the first receiver is nearly perpendicular to the surface of the layout, and the first surface acoustic emission and / or the first sound detection surface inclined relative to a horizontal line.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定在大气中的声速或风速矢量的至少一个分量的超声波测风仪和方法
本专利技术涉及一种用于测量流入的风的速度的超声波测风仪(Ultraschallwindmesser)，其带有至少一个用于发射声波的发射器和至少一个用于至少部分接收所发射的声波的接收器且带有评估单元，该评估单元在基于声波在位于发射器与接收器之间的测量段上的获取的行进时间的情形下确定声速和/或风矢量的至少一个分量的大小。
技术介绍
已知不同测量仪器，利用这些测量仪器实现流场(Strömungsfeld)的速度、尤其风速的局部测量。一种特殊类型的测风装置(Windmessgerät)或者所谓的风速计(Anemometer)是超声波风速计。已经自长久以来已知的超声波测风仪利用测量声波在发射器与接收器之间的行进时间的原理。在此如下被充分利用，即，声波由介质(该声波在该介质中传播)带动，从而使得信号在固定长度的测量段上的行进时间取决于测量段的穿流(Durchströmung)。借助于高频率或者高带宽的声波，行进时间可被特别精确地确定，从而在带有较短距离的测量段上优选地使用高频声波。因为声速不仅取决于空气温度而且取决于空气湿度，所以通常行进时间在两个方向上(即双向)被确定。由这两个行进时间的总和，此外可计算出所谓的虚拟温度(virtuelleTemperatur)。已知的超声波风速计通常具有多个在各个超声波发射器与超声波接收器之间的测量段，经由其在不同空间方向上的声速被测量。由所确定的测量值，测量电子装置计算水平的和垂直的风速。为了测量三个风分量(尤其为了测量相应的平均值)和声速以及其在大气中的紊乱的波动，使用在不同的实施方式中的超声波风速计，如其例如在VDI准则3786第12页中所实施的那样。根据传感器头实施方案使用一个、两个或三个测量段。这些测量段由充当发射器和接收器的声换能器(Schallwandler，有时也称为声变换器)形成，所述声换能器位于测量段的端部处且声信号沿着测量段发送且/或接收。用于声换能器和测量段的布置的主要标准是由于通过声换能器自身的遮挡或者流动变形所引起的测量误差的最小化。当流入方向平行于测量段时出现的误差最大，而当流入方向垂直于测量段时出现的误差最小。就此而言，由文件DE68901800T2已知一种超声波测风仪，利用其获取和评估声波在各个超声波换能器之间的不同测量段上的行进时间。所描述的超声波测风仪具有起发射作用的和起接收作用的超声波换能器的布置，所述超声波换能器如此地布置，即使得它们限定了在空气中的至少三个不同的超声波传递轨道。此外设置有测量电子装置，从而基于超声波沿着不同轨道的传播时间的测量，不仅风向而且风速在考虑测得的传播时间的情形下被确定。通常，利用通常所使用的超声波风速计使用两种不同类型的测量段布置。在第一种类型的传感器头的情形中，一个测量段垂直地取向而两个测量段水平地取向。与之相反，在第二种类型的传感器头的情形中，三个测量段通常以45°至60°的角度倾斜且其相对的方位角为120°。因此，考虑行进时间的超声波测风仪的通常的构建基于反平行的传播段的布置，在该传播段上测量声音的行进时间。为此相应地在每个测量段的两个端部处优选交替地作为发射器和作为接收器工作的超声波换能器是必要的。通常现今使用共有的声换能器，其将发射功能和接收功能相应地自身联合。在确定三个风分量(尤其相应的平均值)和包含在大气中的紊乱的波动的声速的情形中的经常的目的是确定能量和空气混合(Luftbeimengung)的垂直的所谓的“涡度协方差(EddyCovariance)”流，如其是国际测量程序(例如AmeriFlux、EUROFLUX和Mediflux)的部分那样。尤其地，热流、水蒸汽流、二氧化碳流和甲烷流以该方式被监控。在这样的测量的情形中首先对于垂直的风分量的测量而言存在高的精度要求。测量位置优选地如此来选择，即使得风矢量在中间几乎水平地指向。就此而言，带有一个垂直的测量段和两个水平的测量段的第一上面所描述的第一类型的声换能器布置由于垂直布置的测量段在几乎水平的流入的情形中提供。该布置直接提供了垂直的风分量，其在这些条件下具有特别小的由于遮挡效应的误差。该布置的主要缺点是其它测量段的水平取向。由此，可用的风向范围被限制，因为带有几乎或完全段平行的流入方向的矢量具有较大的遮挡误差且引起测得的水平风分量的相应较小的质量。垂直段虽然可允许垂直风分量的较高的测量精度，然而该段取向的缺点是下方的传感器通过雨或露或在经加热的传感器头的情形中通过融冰水(Schmelzwasser)的浸湿。该效应通过以下方式来解释，即，机电的振动到空气的声振动的转换经由振动表面或者膜片实现，其中，声能优选地垂直于膜片辐射。垂直的测量段的膜片因此水平地取向，这导致如下，即，雨滴或露滴可汇集在下方的膜片上且可导致测量的干扰或甚至中断。对于上方的传感器而言得出类似的情况，因为通过雨、露或尤其在经加热的传感器头的情形中融化水形成滴，所述滴然后悬在声换能器处且部分地或完全地盖住其表面。利用带有倾斜的测量段的相应于第二类型的传感器组件避免了先前所描述的缺点，从而使得相应实施的超声波测风仪在EC测量程序中广泛得到使用。然而如下是不利的，即，垂直风分量必须由沿着倾斜的测量段的测量确定。因此，在这些测量段上的遮挡效应影响被推导出的垂直的风分量的精度。新近的研究指出，在所使用的倾斜角度的情形中，通过遮挡效应出现垂直的风分量和因此EC流的显著的低估。此外对于垂直分量的精度而言不利的是，即，其必须间接通过三个倾斜的分量的组合确定。
技术实现思路
由已知的超声波测风装置以及先前所解释的要求和问题出发，本专利技术的任务在于，即，如此地改进一种利用其测量和评估声波的行进时间的超声波测风装置，即使得先前所描述的问题被可靠地避免且实现声速和/或风矢量的各个分量、尤其垂直的风分量的高精度的确定。此外，待说明的测风仪应具有相对简单的结构上的构建。同时应确保如下，即，取决于相应的测量要求可实现尽可能排除声换能器由于不同的天气影响的干扰。另一主要特征应在于如下，即，控制电子装置可相对简单地来实现且总的来说可提供一种耐用的、简单的且可成本适宜地制造的超声波测风装置供使用。上述任务利用根据权利要求1的超声波测风仪来实现。一种同样合适的方法在权利要求9中进行说明且利用权利要求13要求保护根据本专利技术所实施的测风仪的一种优选的使用。本专利技术的有利的改进方案在从属权利要求中进行说明且在下面的描述中在部分参照附图的情形下更详细地解释。本专利技术涉及一种用于确定声速和/或风速矢量的至少一个分量的超声波测风仪，其带有至少一个具有用于发射声波的声发射面的发射器和至少一个具有用于至少部分接收所发射的声波的声探测面的接收器且带有评估单元，该评估单元在基于获取的行进时间的情形下确定声速和/或风速矢量的至少一个分量，声波在处在至少一个发射器的声发射面与至少一个接收器的声探测面之间的测量段上为了经过该测量段需要该行进时间。根据本专利技术的技术上的解决方案通过以下方式出众，即，在第一发射器的第一声发射面与第一接收器的第一声探测面之间的至少一个第一测量段近似垂直于地表(Erdoberfläche)布置，且第一声发射面和/或第一声探测面相对于水平线倾斜。根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定声速和/或风速矢量的至少一个分量的超声波测风仪(7)，其带有至少一个至少有时作为发射器工作的具有用于发射声波的声发射面的声换能器(1,2,3,4,5,6,15,16)和至少一个至少有时作为接收器工作的具有用于至少部分接收所发射的声波的声探测面的声换能器(1,2,3,4,5,6,15,16)且带有评估单元，该评估单元在基于获取的行进时间的情形下确定所述声速和/或风速矢量的至少一个分量，声波在处在所述至少一个发射器的声发射面与所述至少一个接收器的声探测面之间的测量段上为了经过该测量段需要所述行进时间，其特征在于，在第一发射器的第一声发射面与第一接收器的第一声探测面之间的至少一个第一测量段近似垂直于地表、尤其以在0°与5°之间的倾斜角度布置，且所述第一声发射面和/或所述第一声探测面相对于所述水平线倾斜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.12 DE 102015004408.7;2015.10.19 DE 10201501.一种用于确定声速和/或风速矢量的至少一个分量的超声波测风仪(7)，其带有至少一个至少有时作为发射器工作的具有用于发射声波的声发射面的声换能器(1,2,3,4,5,6,15,16)和至少一个至少有时作为接收器工作的具有用于至少部分接收所发射的声波的声探测面的声换能器(1,2,3,4,5,6,15,16)且带有评估单元，该评估单元在基于获取的行进时间的情形下确定所述声速和/或风速矢量的至少一个分量，声波在处在所述至少一个发射器的声发射面与所述至少一个接收器的声探测面之间的测量段上为了经过该测量段需要所述行进时间，其特征在于，在第一发射器的第一声发射面与第一接收器的第一声探测面之间的至少一个第一测量段近似垂直于地表、尤其以在0°与5°之间的倾斜角度布置，且所述第一声发射面和/或所述第一声探测面相对于所述水平线倾斜。2.根据权利要求1所述的超声波测风仪，其特征在于，所述声发射面和/或所述声探测面具有膜片。3.根据权利要求1或2所述的超声波测风仪，其特征在于，所述发射器和/或所述接收器至少有时可被加热。4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声波测风仪，其特征在于，在带有所述第一声发射面的第一发射器与带有第二声发射面的至少一个第二接收器之间形成相对于垂线倾斜的第二测量段，且所述评估单元在基于所述声波为了经过所述第二测量段所需要的获取的行进时间的情形下确定所述声速和/或所述风速矢量的至少一个分量。5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波测风仪，其特征在于，所述评估单元如此地实施，即使得取决于风向从至少两个用于确定所述声速和/或所述风速矢量...

【专利技术属性】
技术研发人员：G彼得斯，
申请(专利权)人：默特科气象测量技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE