专利名称：一种风电场三维超声波风速温度检测系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波测量装置，具体涉及一种利用超声波测量风电场三维风速、温度的检测装置。
背景技术：
随着全球经济的快速发展，能源的需求日益增长，能源安全问题被广泛关注。风能作为一种无污染且蕴藏巨大能量的能源，它的开发利用受到人们关注。据统计全世界风能的总量约为1.3*105GW，风能的主要利用形式是风力发电，全球风能产业正以每年20%的增速扩张，2015年风能行业总产值将增至目前水平的5倍。虽然风能利用增长迅速，但风能发电成本相比其他能源目前成本仍然偏高，其中一个重要原因就是风能发电的稳定性问题。由于风速变化的随机性，要想获取最大发电功率，就需要跟随风的变化实时控制风机发电，因此准确实时检测风速、风向尤为重要。与传统的风速风向设备相比，超声波风速、风向检测系统具有测量速度快、精确高、测量范围广、易维护、风速启动阈值低。不需要时时校准等优点，在气象服务、工业生产等方面也具有广泛的应用，是一种十分重要的测量仪器。而且利用高精度的气流、温度实时数据可实现三维气流、温度流场图像重建，满足风电场对局部环境风速风向和温度分布的需求。中国专利200810101288.6 “超声波风速仪及运用超声波测量风速和风向的方法”只能测量二维风速。中国专利201010608611.6 “一种风力发电机组超声波风速风向测量装置”也仅能测量二维风速、风向；中国专利201110123546.2 “超声波三维测风方法和三维超声波风速风向仪”可以获取三维风速风向，但不能同时获取温度参数。

发明内容
本发明目的是克服现有三维超声波检测技术不能同时测量风速、温度的不足，提出一种新的三维超声波风速、风向、温度测量装置及其测量方法。本发明在环境、能源和气象等领域具有广阔的应用前景。本发明采用以下技术方案:本发明风电场三维超声波风速温度检测系统原理是:采用直接时差法，利用超声波信号正向传播时间和反向传播时间之差计算超声波传播路径方向的风速和超声波波速。利用三对非正交超声波换能器，分别得到三个非正交方向的风速分量，然后通过计算得到全方位风速和风向。最后根据超声波波速、水汽分压、大气压和绝对温度之间的关系，在已知水汽分压和大气压的条件下，由计算得到的超声波波速即可计算得到相应的温度值。本发明风电场三维超声波风速温度检测系统主要由底座、超声波换能器阵列、支撑架组件、电路模块和上位机组成。所述的支撑架组件固定在底座上，所述的超声波换能器阵列安装在支撑组件上，超声波换能器与电路模块连接，超声波换能器发送和接收的信号经电路模块处理后送入上位机处理和存储。所述的底座主要起固定作用，根据被测周围环境，底座可以是圆形的或者是方形的，也可以是其它任意形状，目的是保证支撑架组件及超声波换能器阵列的稳定。超声波换能器阵列包括6只超声波换能器，6只超声波换能器两两一对分成三组，三组之间成120°夹角。每一组超声波换能器中的两个超声波换能器交替发射超声波信号，并接收与之对向布置的超声波换能器发出的超声波信号。所述的支撑架组件主要由不锈钢筒、支撑架和6个测量臂组成。不锈钢筒的底部通过螺钉固定在底座上，不锈钢筒的上部连接支撑架，不锈钢桶的中心轴与底座垂直。支撑架为C形结构，支撑架的上下两端分别连接3个测量臂。所述的6个测量臂分成两组，一组固定在支撑架的上端，另一组固定在支撑架的下端。测量臂成弧形弯曲，测量臂的另一端连接超声波换能器，两两相对的三组超声波换能器成120°夹角。所述的支撑架与测量臂内部为空腔，超声波换能器与电路模块之间连接的导线穿过此空腔。所述的电路模块包括中央处理单元、超声波驱动电路、超声波收发处理电路、信号调理单元、串口驱动单元、上位机和电源单元。中央处理单元的控制端连接超声波驱动电路的控制端和超声波收发处理电路的计数单元。电源单元连接中央处理单元、超声波驱动电路、超声波收发处理电路、信号调理单元和串口驱动单元的电源输入端，为电路模块的各单元供电。信号调理单元的输入端直接连接超声波换能器的输出端，信号调理单元的输出端连接超声波收发处理电路的计数单元。串口驱动单元的控制端连接中央处理单元，并通过串口连接上位机。信号传输方式如下:首先中央处理单元发射的控制信号同时传送至超声波驱动电路的控制端和超声波收发处理电路相应的计数单元。超声波驱动电路驱动超声波换能器发射超声波信号的同时，超声波收发处理电路相应的计数单元开始计数。与发射超声波信号的超声波换能器对向布置的超声波换能器接收到超声波信号，送入信号调理单元进行前置放大和滤波，触发收发处理电路计数单元停止计数，然后由中央处理单元根据计数单元的计数和发送和接收超声波信号的两个超声波换能器之间的距离，结合风速风向温度计算算法计算得到风速、风向、温度参数。最后，计算得到的风速、风向和温度参数经过中央处理单元的串口驱动单元传输到上位机进行显示和存储。所述的风电场三维超声波风速温度检测系统采用STM32家族的STM32F103RBT6和Altera公司的FPGA芯片作为中央处理单元，控制超声波驱动电路、超声波收发处理电路、信号调理单元和串口驱动单元。首先所述的超声波驱动电路的信号输入端接收中央处理单元的控制命令，产生驱动超声波换能器的驱动脉冲信号，并命令超声波换能器发射超声波信号，同时超声波收发处理电路的计数单元接收中央处理单元的控制命令，产生计数脉冲，超声波收发处理电路的计数单元开始计数，待与发射的超声波换能器相对布置的超声波换能器接收到超声波信号，经过信号调理单元进行前置放大、二级放大和滤波后，触发计数单元使计数单元停止计数，得到超声波信号从发射到接收所传播的计数值，中央处理单元通过风速风向温度计算单元计算得到风速、风向、温度值。串口驱动单元把计算得到的风速风向温度数据通过串口传输到上位机并通过风速风向温度采集单元进行数据的实时显示和存储。电源单元将输入的220V交流电转换成风电场三维超声波风速温度检测系统各部分所需要的电压。所述的超声波驱动电路是风电场三维超声波风速温度检测系统的重要组成部分，驱动信号直接影响接收信号的质量。超声波驱动电路必须与超声波换能器参数相匹配。本发明中选用的超声波换能器中心频率为400KHz，超声波驱动电路采用MOSFET驱动芯片，与双极型晶体管相比，MOSFET驱动芯片具有开关速度快、导通电阻低、控制灵活方便等优点，由中央处理单元FPGA产生脉冲信号通过控制MOSFET驱动芯片产生能驱动超声波换能器的瞬间高压，使超声波换能器产生超声波信号。由FPGA产生脉冲信号的同时，也为FPGA的计数单元产生一个使能信号，开始计数。信号调理单元包括前置放大电路、二级放大电路和滤波电路，前置放大电路的输入端连接超声波换能器的输出端，输出端连接二级放大电路的输入端，二级放大电路的输出端连接滤波电路的输入端。超声波信号在空气中的衰减很大，因此从超声波换能器发射到对面的超声波换能器接收经过12cm的传输距离后，超声波换能器接收到的超声波信号非常微弱，仅仅是mV量级，因此需要对信号进行放大，本发明选用0PA2134作为前置放大电路的主要芯片，该芯片具有如下技术特点:电压增益为120dB，增益带宽8MHz，供电电压±2.5V到±18V可调，本发明中采用的供电电压为±5V。超声波换能器接收到的超声波信号后采用跨导放大方式的前置放大电路进行放大，放大器的输入端采用容阻耦合，对低频信号进行滤波，并采用并联限幅方式，利用二极管对驱动信号进行限幅，保护放大器。被放大的信号再经过可调整二级放大电路进行二级放大后，经过4阶巴特沃斯带通滤波电路进行滤波后进入超声波收发处理电路的信号输入端，因为该信号为模拟信号，因此首先经过双通道高速电压比较器得到TTL电平信号。经过高速电压比较器后的信号幅值为5V，而FPGA的管脚输入信号为3.3V，因此对信号进行隔离后送至中央处理单元的FPGA系统，作为计数单元的停止信号。计数单元的功能是测量从超声波换能器发射信号到超声波换能器接收信号的过程中超声波在空气中的传输时间，测量方法是利用一个参考时钟去驱动计数器，当接收到停止信号时停止计数，得到计数脉冲，从而得到测量时间。中央处理单元的STM32F103RBT6具有较高的数据处理能力、控制驱动能力以及功能强大的电路接口设计能力，因此本发明将每一组超声波换能器计算得到的时间存入芯片STM32F103RBT6中，通过时差法得到三维风速风向值，并通过查找法得到温度值，具体风速风向温度计算单元的计算方法描述如下:本发明中第一超声波换能器和第六超声波换能器相对，第一超声波换能器和第六超声波换能器利用超声波收发处理电路的计数单元分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。本发明中第二超声波换能器和第五超声波换能器相对，第二超声波换能器和第五超声波换能器利用超声波收发处理电路的计数单元分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。本发明中第三超声波换能器和第四超声波换能器相对，第三超声波换能器和第四超声波换能器利用超声波收发处理电路的计数单元分别测量接收到的来自对方的超声波的时间。本发明利用时差法分别计算得到第一超声波换能器和第六超声波换能器相对直线方向上的风速为VI，第二超声波换能器和第五超声波换能器相对直线方向上的风速为V2，第三超声波换能器和第四超声波换能器相对直线方向上的风速为V3，然后根据风电场三维超声波风速温度检测系统的架设方位，确定V1、V2、V3三个方向在水平方向上的投影与地理坐标系统的夹角，假设夹角为0，则可以计算得到则计算得到水平方向平行风速Vx和垂直风速Vy以及垂直方向的风速Vz:
权利要求
1.一种风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的检测系统主要由底座(I)、超声波换能器阵列、支撑架组件、电路模块和上位机组成；所述的支撑架组件固定在底座(I)上，所述的超声波换能器阵列安装在支撑组件上，超声波换能器与电路模块连接，超声波换能器发送和接收的信号经电路模块处理后送入上位机(22)，上位机(22)实现风速风向温度采集和风速温度分析的功能，并进行数据处理和存储。
2.根据权利要求1所述的风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的超声波换能器阵列包括6只超声波换能器，6只超声波换能器分成三组，三组之间成120°夹角布置:每一组超声波换能器中的两个超声波换能器相对布置，交替发射超声波信号，并接收与之对向布置的超声波换能器发出的超声波信号。
3.根据权利要求1所述的风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的支撑架组件由不锈钢筒(2)、支撑架(3)和6个测量臂组成；不锈钢筒(2)的底部固定在底座(I)上，不锈钢筒(2)的上部连接支撑架(3)，不锈钢桶(2)的中心轴与(I)垂直；电路模块置于不锈钢筒(2)内；支撑架(3)为C形结构；所述的6个测量臂分成两组，一组固定在支撑架(3)的上端，另一组固定在支撑架(3)的下端；测量臂成弧形弯曲，测量臂的另一端连接超声波换能器；所述的支撑架(3)与测量臂内部为空腔，超声波换能器与电路模块之间连接的导线穿过此空腔。
4.根据权利要求3所述的风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的6个测量臂中，第一测量臂(4)、第二测量臂(6)和第三测量臂(8)为一组，固定在支撑架(3)的下端:第四测量臂(11)、第五测量臂(13)和第六测量臂(14)为另一组，固定在支撑架(3)的上端。
5.根据权利要求1所述的风电场三维超声波风速温度检测系统，其特征在于，所述的电路模块包括中央处理单元(20)、超声波驱动电路(17)、超声波收发处理电路(18)、信号调理单元(19)、串口驱动单元(21)及电源单元(23);电路模块置于不锈钢筒(2)内，电路模块通过导线与超声波换 能器连接；中央处理单元(20)的控制端连接超声波驱动电路(17)的控制端和超声波收发处理 电路(18)的计数单元；电源单元(23)连接中央处理单元(20)、超声波驱动电路(17)、超声波收发处理电路(18)、信号调理单元(19)和串口驱动单元(21)的电源输入端，为电路模块的各单元供电。
6.应用权利要求1所述的检测系统测量温度的方法，其特征在于，所述的方法是利用声速和虚温之间的对应关系，根据计算得到的声速，进一步计算得到虚温，在已知测量区域历年化学组分的情况下通过查找法对计算得到的虚温进行补偿，得到温度值。
7.根据权利要求6所述的测量温度的方法，其特征在于，所述的测量温度方法是利用时差法分别计算得到第一超声波换能器(5)和第六超声波换能器(15)相对直线方向上的风速VI，第二超声波换能器(7)和第五超声波换能器(12)相对直线方向上的风速V2，第三超声波换能器(9)和第四超声波换能器(14)相对直线方向上的风速V3 ;然后根据所述的风电场三维超声波风速温度检测系统的架设方位，确定风速Vl、风速V2和风速V3三个方向在水平方向上的投影与地理坐标系统的夹角，假设夹角为9，则计算得到水平方向平行风速Vx和垂直风速Vy以及垂直方向的风速Vz:
全文摘要
一种风电场三维超声波风速温度检测系统及其测量方法，检测系统主要由底座(1)、超声波换能器阵列、支撑架组件、电路模块和上位机组成。所述的支撑架组件固定在底座(1)上，所述的超声波换能器阵列安装在支撑组件上，超声波换能器与电路模块连接，超声波换能器发送和接收的信号经电路模块处理后送入上位机(22)，上位机(22)实现风速风向温度采集和风速温度分析的功能，并进行数据处理和存储。超声波换能器阵列的6只超声波换能器分成三组，三组之间成120°夹角布置每一组超声波换能器中的两个超声波换能器相对布置，交替发射超声波信号，并接收与之对向布置的超声波换能器发出的超声波信号。
文档编号G01P5/24GK103163324SQ20131008126
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者汪宁渤, 夏慧, 刘光途, 刘国强, 路亮, 黄欣, 马彦宏, 李士强, 赵龙, 李艳红, 王定美, 邓棋文, 马明 申请人:甘肃省电力公司, 中国科学院电工研究所