一种基于超声波换能器的空间风速风向监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声波换能器的空间风速风向监测方法，首先确定超声波的传输方向以及传输方式，得出空间模型及坐标并对参数进行定义；然后获得模型x方向、y方向、以及连接端点a和端点g方向上的风速；最终根据所获得的平面风速参数和所获得的空间上仰角参数，得到最终真实的风速。本发明专利技术能够实现对环境风速进行三维空间监测，能够获得风速在X、Y、Z轴的分量，为电力系统在线监测技术提供方法；为导线的动态增容提供有效措施；为合理、有效的利用风速提供可靠依据。风速提供可靠依据。风速提供可靠依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声波换能器的空间风速风向监测方法


[0001]本专利技术属于输电线路在线监测与故障诊断
，具体涉及一种基于超声波换能器的空间风速风向监测方法。

技术介绍

[0002]风是户外环境无时不在、无时不有的自然现象，在电力行业合理的运用风速、风向的影响可产生一定的效益，首先，随着工业化进程的推进和社会的发展，人们对电力的需求越来越大，造成了一些线路过载运行，导致导线温度过高使得对地安全距离减小，导线产生退火和高温应变，降低导线接头部位的性能，而合理的运用风速对导线的影响，可以给输电导线的动态增容提供更完善的风速数据，能够在一定程度上减缓这个问题，从而降低再次搭建线路的成本，并保证电力系统更加安全稳定的运行；其次，在封闭环境的信号传输方面，合理的引导和利用风速、风向可有效减少信号传输的时间，为电力系统故障处理争取更多的时间；最后，对于一些室内开关柜或者室内变电所会通过控制风向、风速，使室内空气流通。近年来有许多学者致力于风速监测装置的开发，获得了不少成果，但现有的监测装置的风速测量方法要么过于局限，要么使用风速传感器只进行二维平面风速监测，并不能真实的描述风速，一些学者通过卡门漩涡理论公式中提供的振动频率与风速的关系来计算风速，但是这种方法要求垂直于圆柱体轴线方向的风作用在该圆柱体上且有比较稳定的振动频率，过于局限，也有一些学者提出用超声波矫正风速，但该方法测得的数据为二维平面风速不能准确描述风速。因此，本专利技术设计了一种基于超声波换能器的空间风速风向仪，该装置可以通过建立三维模型进行三维空间风速的监测，从多个角度对风速、风向进行监测，更清晰、准确的传达风速、风向的监测信息。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于超声波换能器的空间风速风向监测方法，能够实现对环境风速进行三维空间监测，能够获得风速在X、Y、Z轴的分量，为电力系统在线监测技术提供方法；为导线的动态增容提供有效措施；为合理、有效的利用风速提供可靠依据。
[0004]本专利技术一种基于超声波换能器的空间风速风向监测方法，具体按照以下步骤实施：
[0005]步骤1、确定超声波的传输方向以及传输方式，保证是圆形探头发出扇形的超声波，得出空间模型及坐标；
[0006]步骤2、对所需要用到的参数进行定义；
[0007]步骤3、步骤1给出的空间模型、坐标以及步骤2定义参数对高分子聚合物材料探头获得x方向、y方向、以及连接端点a和端点g方向上的风速；
[0008]步骤4、根据步骤3计算所得的x方向、y方向的风速参数进行平面上的合成，得平面风速；以及获得平面风向角；
[0009]步骤5、根据探头A和探头G之间的距离l
ag
、探头C和探头G之间的距离l
cg
，获得端点
a和端点g与端点a和端点c之间的夹角，结合步骤3得到的x方向、y方向以及连接端点a和端点g方向上的风速，进而得到z方向上的风速；
[0010]步骤6、根据步骤3所获得的x方向、y方向、连接端点a和端点g方向上的风速参数以及步骤5所获得的z方向的风速参数，得到空间上的仰角；
[0011]步骤7、根据步骤4所获得的平面风速参数和步骤6所获得的空间上仰角参数，得到最终真实的风速。
[0012]本专利技术的特点还在于，
[0013]步骤1具体为：
[0014]由固定在输电线路杆塔上的底座内的供电模块向支架A、支架B、支架C、支架D上安装的高分子聚合物材料探头的电轴方向施加交变信号，要求探头发出扇形的超声波，保证所有探头均能够接收到超声波信号，构建三维空间六面体模型，其中连接立体模型底面上相对的端点a和端点c构成x轴，连接立体模型的底面上相对的端点d和端点b构成y轴，最后在x轴和y轴的交点处引出竖直线作为z轴，其中高分子聚合物材料探头安装在三维空间六面体模型的对应位置，即探头A的对应位置为端点a，探头D的对应位置为端点d，探头C的对应位置为端点c，探头G的对应位置为端点g，探头B的对应位置为端点b。
[0015]步骤2具体如下：
[0016]步骤2.1、对风速参数进行定义：设V
w
为实际风速，V
wac
为连接端点a和端点c方向的风速分量，V
wbd
为连接端点b和端点d方向的风速分量，V
wag
为连接端点a和端点g方向上的风速分量，V
′
w
为实际风速在端点a、端点b、端点c所构成的平面的投影，V
wx
为x方向，即连接端点a和端点c方向的风速分量，V
wy
为y方向，即连接端点b和端点d方向的风速分量，V
wz
为z方向风速分量；
[0017]步骤2.2、对风向角度参数进行定义：设θ为连接端点a和端点c方向与连接端点a和端点g方向的夹角，α为平面风向角，λ为空间上的仰角；
[0018]步骤2.3、对时间参数进行定义：设t
ac
为探头A发射超声波、探头C接收超声波的时间，t
bd
为探头B发射超声波、探头D接收超声波的时间，t
ag
为探头A发射超声波、探头G接收超声波的时间，单位均为s；
[0019]步骤2.4、对上述探头之间的距离参数进行定义：设l
ac
为探头A到探头C之间的长度，l
bd
为高分子聚合物材料探头B到探头D之间的长度，l
ag
为探头A到探头G之间的长度，l
cg
为探头C到探头G之间的长度，单位均为m。
[0020]步骤3具体为：
[0021]步骤3.1、根据步骤1三维空间六面体模型，确定端点a和端点c两处所安装的探头A和探头C的距离l
ac
，并根据超声波传输的速度340m/s和传输时间t
ac
，获得连接端点a和端点c方向的风速V
wac
，即x轴方向的风速V
wx
，计算公式如下：
[0022][0023]步骤3.2、同步骤3.1相似，确定端点b和端点d两处所安装的探头B和探头D的距离l
bd
，并根据超声波传输的速度340m/s和传输时间t
bd
，获得连接端点b和端点d方向的风速V
wbd
，即y轴方向的速度V
wy
，计算公式如下：
[0024][0025]步骤3.3、同步骤3.1相似，确定端点a和端点g两处所安装的探头A和探头G的距离，并根据超声波传输的速度340m/s和传输时间t
ag
，获得连接端点a和端点g方向的风速V
wag
，计算公式如下：
[0026][0027]步骤4具体为：
[0028]步骤4.1、根据由步骤3获得的x轴方向的风速V
wx
和y轴方向的风速V
wy
合成的平面风速V'
w
计算如下：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声波换能器的空间风速风向监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、确定超声波的传输方向以及传输方式，保证是圆形探头发出扇形的超声波，得出空间模型及坐标；步骤2、对所需要用到的参数进行定义；步骤3、步骤1给出的空间模型、坐标以及步骤2定义参数对高分子聚合物材料探头获得x方向、y方向、以及连接端点a和端点g方向上的风速；步骤4、根据步骤3计算所得的x方向、y方向的风速参数进行平面上的合成，得平面风速；以及获得平面风向角；步骤5、获得z方向上的风速；步骤6、根据步骤3所获得的x方向、y方向、连接端点a和端点g方向上的风速参数以及步骤5所获得的z方向的风速参数，得到空间上的仰角；步骤7、根据步骤4所获得的平面风速参数和步骤6所获得的空间上仰角参数，得到最终真实的风速。2.根据权利要求1所述的一种基于超声波换能器的空间风速风向监测方法，其特征在于，所述步骤1具体为：由固定在输电线路杆塔上的底座(5)内的供电模块向支架A(1)、支架B(2)、支架C(3)、支架D(4)上安装的高分子聚合物材料探头的电轴方向施加交变信号，要求探头发出扇形的超声波，保证所有探头均能够接收到超声波信号，构建三维空间六面体模型，其中连接立体模型底面上相对的端点a和端点c构成x轴，连接立体模型的底面上相对的端点d和端点b构成y轴，最后在x轴和y轴的交点处引出竖直线作为z轴，其中高分子聚合物材料探头安装在三维空间六面体模型的对应位置，即探头A(6)的对应位置为端点a，探头D(7)的对应位置为端点d，探头C(8)的对应位置为端点c，探头G(9)的对应位置为端点g，探头B(10)的对应位置为端点b。3.根据权利要求2所述的一种基于超声波换能器的空间风速风向监测方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：步骤2.1、对风速参数进行定义：设V
w
为实际风速，V
wac
为连接端点a和端点c方向的风速分量，V
wbd
为连接端点b和端点d方向的风速分量，V
wag
为连接端点a和端点g方向上的风速分量，V
w
′
为实际风速在端点a、端点b、端点c所构成的平面的投影，V
wx
为x方向，即连接端点a和端点c方向的风速分量，V
wy
为y方向，即连接端点b和端点d方向的风速分量，V
wz
为z方向风速分量；步骤2.2、对风向角度参数进行定义：设θ为连接端点a和端点c方向与连接端点a和端点g方向的夹角，α为平面风向角，λ为空间上的仰角；步骤2.3、对时间参数进行定义：设t
ac
为探头A(6)发射超声波、探头C(8)接收超声波的时间，t
bd
为探头B(10)发射超声波、探头D(7)接收超声波的时间，t
ag
为探头A(6)发射超声波、探头G(9)接收超声波的时间，单位均为s；步骤2.4、对上述探头之间的距离参数进行定义：设l
ac
为探头A(6)到探头C(8)之间的长度，l
bd
为高分子聚合物材料探头B(10)到探头D(7)之间的长度，l
ag
为探头A(6)到探头G(9)之间的长度，l<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵隆，王如水，朱超，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：