專利名稱：一種風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波測(cè)量方法，特別涉及一種利用超聲波測(cè)量風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速、風(fēng)向的檢測(cè)方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著化石能源的逐漸減少，風(fēng)能作為一種無污染且蘊(yùn)藏巨大能量的能源，它的開發(fā)利用受到人們關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界風(fēng)能的總量約為1.3*105GW，風(fēng)能的主要利用形式是風(fēng)力發(fā)電，全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)正以每年20%的增速擴(kuò)張，2015年風(fēng)能行業(yè)總產(chǎn)值將增至目前水平的5倍。隨著大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的開發(fā)和建設(shè)，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的研究工作越來越重要，要達(dá)到系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行且最大化利用風(fēng)能這個(gè)目標(biāo)，無論是在風(fēng)電機(jī)組選址安裝前還是在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行后，都非常有必要對(duì)風(fēng)速溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等參數(shù)檢測(cè)在風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行中起到關(guān)鍵作用，在歐美和亞洲少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛建立自動(dòng)氣象參數(shù)觀測(cè)站，建立包括風(fēng)電站的歷史數(shù)據(jù)、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、風(fēng)電場(chǎng)資源評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)預(yù)報(bào)和服務(wù)資料的數(shù)據(jù)庫。目前國(guó)內(nèi)的風(fēng)能檢測(cè)站采用的風(fēng)速風(fēng)向和溫度測(cè)量設(shè)備基于不同的技術(shù)，風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)設(shè)備是機(jī)械式的，機(jī)械式設(shè)備存在轉(zhuǎn)動(dòng)部件，容易產(chǎn)生磨損，可能會(huì)受到惡劣天氣(沙塵和鹽霧等)的損害。同時(shí)由于摩擦的存在，風(fēng)速低于啟動(dòng)值時(shí)將不能驅(qū)動(dòng)螺旋槳或者風(fēng)杯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。而溫度測(cè)量則采用熱電偶、熱電阻等，存在精度不高等問題。采用超聲波技術(shù)可對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向和溫度同時(shí)測(cè)量，具有測(cè)量速度快、精確高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，而且利用高精度的氣流、溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)三維氣流、溫度流場(chǎng)圖像重建，滿足風(fēng)電場(chǎng)對(duì)局部環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向和溫度分布的需求。中國(guó)專利200810101288.6“超聲波風(fēng)速儀及運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法”只能測(cè)量二維風(fēng)速。中國(guó)專利201010608611.6 “一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量裝置”也僅能測(cè)量二維風(fēng)速、風(fēng)向；中國(guó)專利201110123546.2 “超聲波三維測(cè)風(fēng)方法和三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀”可以簡(jiǎn)單的獲取三維風(fēng)速風(fēng)向，但當(dāng)風(fēng)向垂直于其中一對(duì)水平探頭時(shí)，導(dǎo)致水平方向上的2對(duì)探頭支架所受風(fēng)力相差很大，在一定程度上影響測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有二維超聲波風(fēng)速、風(fēng)向技術(shù)的不足，提出一種新型風(fēng)電場(chǎng)三維超聲波風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量方法及裝置。本發(fā)明在環(huán)境、能源和氣象等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:—種風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)方法，該方法利用超聲脈沖直接時(shí)差法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)三維風(fēng)速的全方位檢測(cè)。首先利用三組成120度夾角的超聲波探頭對(duì)分時(shí)發(fā)射和接收超聲脈沖信號(hào)，然后根據(jù)每對(duì)超聲波探頭之間的距離和超聲脈沖信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間計(jì)算得到超聲波探頭對(duì)所在方向上的風(fēng)速，最后計(jì)算得到實(shí)際三維風(fēng)速、風(fēng)向值。
本發(fā)明利用120度夾角的超聲波探頭對(duì)可以使任何一個(gè)方向上來風(fēng)時(shí)安裝超聲波探頭的小支架受力均衡，減小測(cè)量誤差。應(yīng)用本發(fā)明測(cè)量方法的風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)裝置包括:底座、支撐結(jié)構(gòu)和電路模塊。所述的底座固定在測(cè)風(fēng)塔或者風(fēng)電場(chǎng)任何需要測(cè)量風(fēng)速的固定架上，底座中心位置開有螺孔，通過螺釘連接支撐結(jié)構(gòu)的不銹鋼筒。底座形狀可以是圓形的也可以是方形的，也可以根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)安裝環(huán)境設(shè)計(jì)成任意形狀。支撐結(jié)構(gòu)固定在底座上，電路模塊置于支撐結(jié)構(gòu)的不銹鋼筒內(nèi)。所述的支撐結(jié)構(gòu)主要包括保護(hù)電路模塊的不銹鋼筒、6個(gè)測(cè)量臂、支撐測(cè)量臂的支撐架、支撐測(cè)量臂的支架和6個(gè)超聲波探頭。所述的不銹鋼筒的底端通過螺釘固定在底座上，不銹鋼筒的上端連接支架。不銹鋼筒的形狀可以為圓柱形，也可以是長(zhǎng)方體形或者其它任何柱體形狀。所述的支撐架包括第一支撐架和第二支撐架，第一支撐架的下端與支架直接相連，第一支撐架的上端密封；第二支撐架的上端與支架相連，第二支撐架的下端密封。第一支撐架和第二支撐架上下對(duì)稱分布。所述的支架是由連接第一支撐架和第二支撐架的支撐桿經(jīng)過彎曲成型而成，支撐桿可以是兩次直角彎曲或者是弧形彎曲。所述的支撐桿可以是I根，也可以是2根或者3根，支撐桿為中空結(jié)構(gòu)。采用2根支撐桿時(shí)，2根支撐桿位于同一平面；采用3根支撐桿時(shí)，則3根支撐桿成120°放置。支架起到固定第一支撐架和第二支撐架的作用。第一支撐架與第二支撐架同軸，且第一支撐架與第二支撐架的軸線與底座垂直。支撐架為中空結(jié)構(gòu)的圓柱狀桶體，圓柱狀桶體的桶壁上有三個(gè)均勻分布的連接測(cè)量臂的螺孔。所述的6個(gè)測(cè)量臂帶有螺紋的一端和支撐架相連，6個(gè)超聲波探頭分別安裝在6個(gè)測(cè)量臂的另一端。測(cè)量臂為中空結(jié)構(gòu)。測(cè)量臂分成2組，一組通過螺紋直接固定在在第一支撐架的三個(gè)螺孔中，另一組通過螺紋固定在第二支撐架的三個(gè)螺孔中。每一組的3個(gè)測(cè)量臂都呈立體120°布置，且與第一支撐架與第二支撐架的軸線夾角為60°，6個(gè)測(cè)量臂的長(zhǎng)度相等。6個(gè)超聲波探頭分別安裝在所述的6個(gè)測(cè)量臂上遠(yuǎn)離支撐架的一端，且超聲波探頭的發(fā)射平面與測(cè)量臂成90°角，同時(shí)保證安裝在第一支撐架上的3個(gè)超聲波探頭與安裝在第二支撐架上的3個(gè)超聲波探頭兩兩相對(duì)，兩兩相對(duì)的超聲波探頭同軸布置，且兩兩相對(duì)的超聲波探頭之間的距離相
坐寸ο所述的電路模塊位于不銹鋼筒內(nèi)部，不銹鋼筒的底端通過螺釘固定在底座上，不銹鋼筒與底座之間完全密封連接，對(duì)電路模塊起保護(hù)作用。電路模塊主要由中央處理單元、超聲波收發(fā)處理電路、超聲波收發(fā)電路、數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)電路組成。中央處理單元的控制端分別連接超聲波收發(fā)處理電路、超聲波收發(fā)電路以及數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)電路。所述的中央處理單元用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并發(fā)出控制指令通過信號(hào)線控制超聲波收發(fā)電路和超聲波收發(fā)處理電路。超聲波收發(fā)電路用于超聲波的發(fā)射和接收，主要由匹配發(fā)射電路、濾波電路和放大電路組成。匹配發(fā)射電路的信號(hào)輸入端連接中央處理單元，輸出端連接超聲波探頭。濾波電路的輸入端連接超聲波探頭，輸出端電路放大電路的輸入端，放大電路的輸出端連接超聲波收發(fā)處理電路的信號(hào)輸入端。首先發(fā)射電路發(fā)射超聲波信號(hào)，然后通過相對(duì)應(yīng)的超聲波探頭進(jìn)行接收超聲波信號(hào)，接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行濾波電路和放大電路后由超聲波收發(fā)處理電路進(jìn)行處理。超聲波收發(fā)處理電路用于測(cè)量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間。所述的超聲波收發(fā)處理電路的核心是TDC-GPl芯片，它是ACAM公司基于0.8uCM0S工藝設(shè)計(jì)的高精度時(shí)間數(shù)字(Time digital converter)轉(zhuǎn)換芯片，它利用延時(shí)線法可對(duì)兩個(gè)脈沖或多個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行精確測(cè)量，單通道測(cè)量精度為250ps，雙通道耦合精度可達(dá)150ps，測(cè)量范圍從3ns-200ms不等，因此其不但測(cè)量精度高，測(cè)量范圍也很大。采用本發(fā)明風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)裝置測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方法如下:本發(fā)明風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)裝置中的六個(gè)超聲波探頭分成2組，其中第一超聲波探頭、第二超聲波探頭和第三超聲波探頭分別通過第一測(cè)量臂、第二測(cè)量臂和第三測(cè)量臂固定在第一支撐架上，且三個(gè)測(cè)量臂成120°排列，3個(gè)測(cè)量臂與中心軸線呈60°夾角。第四超聲波探頭、第五超聲波探頭和第六超聲波探頭分別通過第四測(cè)量臂、第五測(cè)量臂和第六測(cè)量臂固定在第二支撐架上，且三個(gè)測(cè)量臂成120°排列，3個(gè)測(cè)量臂與中心軸線呈60°夾角。本發(fā)明中第一超聲波探頭和第五超聲波探頭相對(duì)布置，分時(shí)發(fā)射超聲波，并接收來自對(duì)方的超聲波信號(hào)，利用超聲波收發(fā)處理電路分別測(cè)量接收到的來自對(duì)方的超聲波的時(shí)間。本發(fā)明中第二超聲波探頭和第六超聲波探頭相對(duì)布置，分時(shí)發(fā)射超聲波，并接收來自對(duì)方的超聲波信號(hào)，利用超聲波收發(fā)處理電路分別測(cè)量接收到的來自對(duì)方的超聲波的時(shí)間。本發(fā)明中第三超聲波探頭和第四超聲波探頭相對(duì)布置，分時(shí)發(fā)射超聲波，并接收來自對(duì)方的超聲波信號(hào)，利用超聲波收發(fā)處理電路分別測(cè)量接收到的來自對(duì)方的超聲波的時(shí)間。其中第一超聲波探頭和第五超聲波探頭之間的距離與第二超聲波探頭和第六超聲波探頭之間的距離以及第三超聲波探頭和第四超聲波探頭之間的距離相等。利用直接時(shí)差法分別計(jì)算得到第一超聲波探頭和第五超聲波探頭相對(duì)直線方向上的風(fēng)速為vl，第二超聲波探頭和第六超聲波探頭相對(duì)直線方向上的風(fēng)速為v2，第三超聲波探頭和第四超聲波探頭相對(duì)直線方向上的風(fēng)速為v3，然后根據(jù)該風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)裝置的架設(shè)方位，確定vl的風(fēng)速分量方向在水平方向上的投影與地理坐標(biāo)系統(tǒng)中正北向的夾角，假設(shè)夾角為Θ，則可以計(jì)算得到地理坐標(biāo)下平行正北向的水平風(fēng)速Vx、垂直正北向的水平風(fēng)速Vy和垂直風(fēng)速Vz:
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)方法，其特征在于，所述的風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)方法利用超聲脈沖直接時(shí)差法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)三維風(fēng)速的全方位檢測(cè)；首先利用三組成120度夾角布置的超聲波探頭對(duì)分時(shí)發(fā)射和接收超聲脈沖信號(hào)，然后根據(jù)每對(duì)超聲波探頭之間的距離和超聲脈沖信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間計(jì)算得到超聲波探頭對(duì)所在方向上的風(fēng)速，最后計(jì)算得到實(shí)際三維風(fēng)速、風(fēng)向值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)方法，其特征在于，所述的超聲脈沖直接時(shí)差法步驟如下: 利用時(shí)差法分別計(jì)算得到第一超聲波探頭(5)和第五超聲波探頭(12)相對(duì)直線方向上的風(fēng)速vl，第二超聲波探頭(7)和第六超聲波探頭(14)相對(duì)直線方向上的風(fēng)速v2，第三超聲波探頭(15)和第四超聲波探頭(8)相對(duì)直線方向上的風(fēng)速v3，然后根據(jù)超聲波風(fēng)速儀的架設(shè)方位，確定第一超聲波探頭(5)和第五超聲波探頭(12)相對(duì)直線方向上的風(fēng)速vl方向在水平方向上的投影與地理坐標(biāo)系統(tǒng)的夾角，假設(shè)該夾角為Θ，則計(jì)算得到地理坐標(biāo)下平行正北向的水平風(fēng)速Vx、垂直正北向的水平風(fēng)速Vy和垂直風(fēng)速Vz:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)方法，其特征在于，所述的三組成120度夾角布置的超聲波探頭為:第一超聲波探頭(5)和第五超聲波探頭(12)相對(duì)，第二超聲波探頭(7)和第六超聲波探頭(14)相對(duì)，第三超聲波探頭(15)和第四超聲波探頭(8)相對(duì);每對(duì)超聲波探頭之間的直線距離相等；三組超聲波探頭分時(shí)發(fā)射超聲波，并接收來自對(duì)方的超聲波信號(hào)。
4.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，所述的裝置主要包括:底座(I)、支撐結(jié)構(gòu)和電路模塊；所述的底座(I)固定在測(cè)風(fēng)塔或者風(fēng)電場(chǎng)任何需要測(cè)量風(fēng)速的固定架上，底座(I)的中心位置開有螺孔，通過螺釘連接支撐結(jié)構(gòu)的不銹鋼筒(2);所述的支撐結(jié)構(gòu)固定在底座(I)上，所述的電路模塊置于支撐結(jié)構(gòu)的不銹鋼筒(2)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的支撐結(jié)構(gòu)包括保護(hù)電路板的不銹鋼筒(2)、6個(gè)測(cè)量臂(4、6、16、9、11、13)、第一支撐架(3)、第二支撐架(10)、支撐測(cè)量臂的支架(17)和6個(gè)超聲波探頭；不銹鋼筒(2)的上端連接支架(17);第一支撐架(3)的下端與支架(17)相連，第一支撐架(3)的上端密封；第二支撐架(10)的上端與支架(17)相連，第二支撐架(10)的下端密封；第一支撐架(3)和第二支撐架(10)上下對(duì)稱布置，第一支撐架(3)和第二支撐架(10)的軸線與不銹鋼筒(2)的中心軸線平行；支架(17)固定第一支撐架(3)和第二支撐架(10);第一支撐架(3)與第二支撐架(10)同軸，且第一支撐架(3)與第二支撐架(10)的軸線與底座垂直；支撐架為中空結(jié)構(gòu)的圓柱狀桶體，圓柱狀桶體的桶壁上有三個(gè)均勻分布的連接測(cè)量臂的螺孔；所述的6個(gè)測(cè)量臂帶有螺紋的一端連接支撐架，6個(gè)超聲波探頭分別安裝在6個(gè)測(cè)量臂遠(yuǎn)離支撐架的另一端，所述的超聲波探頭的發(fā)射平面與測(cè)量臂成90°角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述的測(cè)量臂為中空結(jié)構(gòu)；6個(gè)測(cè)量臂分成2組，其中第一測(cè)量臂(4)、第二測(cè)量臂(6)和第三測(cè)量臂(16)為一組，固定在第一支撐架(3)的三個(gè)螺孔中，第一測(cè)量臂(4)、第二測(cè)量臂(6)和第三測(cè)量臂(16)之間的立體夾角為120°，三個(gè)測(cè)量臂與第一支撐架(3)和第二支撐架(10)的軸線夾角為60° ;第四測(cè)量臂(9)、第五測(cè)量臂(11)和第六測(cè)量臂(13)為另一組，固定在第二支撐架(10)上，第四測(cè)量臂(9)、第五測(cè)量臂(11)和第六測(cè)量臂(1 3)之間的立體夾角為120°，三個(gè)測(cè)量臂與第一支撐架(3)和第二支撐架(10)的軸線夾角為60° ;6個(gè)測(cè)量臂的長(zhǎng)度相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述的支撐測(cè)量臂的支架(17)由連接第一支撐架(3)和第二支撐架(10)的支撐桿彎曲成型而成；所述的支撐桿為I根或多根；采用2根支撐桿時(shí)，2根支撐桿位于同一平面；采用3根支撐桿時(shí)，則3根支撐桿成120°布置；所述的支架(17)、支撐桿、第一支撐架(3)和第二支撐架(10)均采用中空結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的電路模塊由中央處理單元(18)、超聲波收發(fā)處理電路(19)、超聲波收發(fā)電路(22)、數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)電路(21)組成；中央處理單元(18)的控制端分別連接超聲波收發(fā)處理電路(19)、超聲波收發(fā)電路(22)以及數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)電路(21);所述的中央處理單元(18)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過信號(hào)線發(fā)出控制指令控制超聲波收發(fā)電路(22)和超聲波收發(fā)處理電路(19);所述的超聲波收發(fā)電路(22)用于超聲波的發(fā)射和接收，超聲波收發(fā)電路(22)主要由匹配發(fā)射電路和接收電路組成；接收電路由濾波電路和放大電路組成；所述的匹配發(fā)射電路的輸入端連接中央處理單元(18)，匹配發(fā)射電路的輸出端連接超聲波探頭；濾波電路的輸入端連接超聲波探頭，濾波電路的輸出端電路放大電路的輸入端，放大電路的輸出端連接超聲波收發(fā)處理電路(19 )的信號(hào)輸入端；超聲波收發(fā)處理電路(19)用于測(cè)量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間；數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)電路(21)接收中央處理單元(18)傳送的風(fēng)速風(fēng)向值進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述的超聲波收發(fā)處理電路(19)采用芯片TDC-GPI ;所述的超聲波收發(fā)處理電路(19)采用測(cè)量范圍(2)的計(jì)數(shù)方法和分辨率調(diào)整模式，并通過中央處理單元(18)的芯片STM32F103RBT6控制。
全文摘要
一種風(fēng)電場(chǎng)超聲波風(fēng)速檢測(cè)方法，利用超聲脈沖直接時(shí)差法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)三維風(fēng)速的全方位檢測(cè)；首先利用三組成120度夾角布置的超聲波探頭對(duì)分時(shí)發(fā)射和接收超聲脈沖信號(hào)，然后根據(jù)每對(duì)超聲波探頭之間的距離和超聲脈沖信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間計(jì)算得到超聲波探頭對(duì)所在方向上的風(fēng)速，最后計(jì)算得到實(shí)際三維風(fēng)速、風(fēng)向值。使用本發(fā)明方法的裝置由呈120°張角的三組超聲波探頭對(duì)組成，每組超聲波探頭對(duì)中的兩個(gè)探頭交替發(fā)射超聲波信號(hào)，并接收來自對(duì)向布置的超聲波探頭發(fā)射的超聲波脈沖信號(hào)。
文檔編號(hào)G01P5/24GK103197096SQ201310081679
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者汪寧渤, 夏慧, 路亮, 劉國(guó)強(qiáng), 劉光途, 黃欣, 王定美, 李艷紅, 馬彥宏, 李士強(qiáng), 趙龍, 鄧棋文, 馬明 申請(qǐng)人:甘肅省電力公司, 中國(guó)科學(xué)院電工研究所