專利名稱：一種風電場超聲波風速檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超聲波測量裝置，特別涉及一種利用超聲波測量風電場風速、風向的檢測方法及裝置。
背景技術：
隨著化石能源的逐漸減少，風能作為一種無污染且蘊藏巨大能量的能源，它的開發(fā)利用受到人們關注。據(jù)統(tǒng)計全世界風能的總量約為1.3*105GW，風能的主要利用形式是風力發(fā)電，全球風能產(chǎn)業(yè)正以每年20%的增速擴張，2015年風能行業(yè)總產(chǎn)值將增至目前水平的5倍。隨著大型風力發(fā)電場的開發(fā)和建設，風電場規(guī)劃和運行的研究工作越來越重要，要達到系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行且最大化利用風能這個目標，無論是在風電機組選址安裝前還是在風電場運行后，都非常有必要對風速溫度進行實時監(jiān)測。風速、風向、溫度等參數(shù)檢測在風電場的運行中起到關鍵作用，在歐美和亞洲少數(shù)發(fā)達國家紛紛建立自動氣象參數(shù)觀測站，建立包括風電站的歷史數(shù)據(jù)、測風數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、風電場資源評價數(shù)據(jù)、風電場參數(shù)預報和服務資料的數(shù)據(jù)庫。目前國內(nèi)的風能檢測站采用的風速風向和溫度測量設備基于不同的技術，風速風向檢測設備是機械式的，機械式設備存在轉(zhuǎn)動部件，容易產(chǎn)生磨損，可能會受到惡劣天氣(沙塵和鹽霧等)的損害。同時由于摩擦的存在，風速低于啟動值時將不能驅(qū)動螺旋槳或者風杯進行旋轉(zhuǎn)。而溫度測量則采用熱電偶、熱電阻等，存在精度不高等問題。采用超聲波技術可對風速、風向和溫度同時測量，具有測量速度快、精確高、測量范圍廣等優(yōu)點，而且利用高精度的氣流、溫度實時 數(shù)據(jù)可實現(xiàn)三維氣流、溫度流場圖像重建，滿足風電場對局部環(huán)境風速風向和溫度分布的需求。中國專利200810101288.6“超聲波風速儀及運用超聲波測量風速和風向的方法”只能測量二維風速。中國專利201010608611.6 “一種風力發(fā)電機組超聲波風速風向測量裝置”也僅能測量二維風速、風向；中國專利201110123546.2 “超聲波三維測風方法和三維超聲波風速風向儀”可以簡單的獲取三維風速風向，但當風向垂直于其中一對水平探頭時，導致水平方向上的2對探頭支架所受風力相差很大，在一定程度上影響測量精度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有二維超聲波風速、風向技術的不足，提出一種新型風電場三維超聲波風速、風向測量裝置。本發(fā)明在環(huán)境、能源和氣象等領域具有廣闊的應用前景。本發(fā)明采用以下技術方案:本發(fā)明風電場超聲波風速檢測裝置利用超聲脈沖直接時差法實現(xiàn)對風電場三維風速的全方位檢測。首先利用三組成120度夾角的超聲波探頭對分時發(fā)射和接收超聲脈沖信號，然后根據(jù)每對超聲波探頭之間的距離和超聲脈沖信號傳輸?shù)臅r間計算得到超聲波探頭對所在方向上的風速，最后計算得到實際三維風速、風向值。本發(fā)明利用120度夾角的超聲波探頭對可以使任何一個方向上來風時安裝超聲波探頭的小支架受力均衡，減小測量誤差。本發(fā)明風電場超聲波風速檢測裝置包括:底座、支撐結構和電路模塊。所述的底座固定在測風塔或者風電場任何需要測量風速的固定架上，底座中心位置開有螺孔，通過螺釘連接支撐結構的不銹鋼筒。底座形狀可以是圓形的也可以是方形的，也可以根據(jù)風電場安裝環(huán)境設計成任意形狀。支撐結構固定在底座上，電路模塊置于支撐結構的不銹鋼筒內(nèi)。所述的支撐結構主要包括保護電路模塊的不銹鋼筒、6個測量臂、支撐測量臂的支撐架、支撐測量臂的支架和6個超聲波探頭。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，支撐桿為中空結構。采用2根支撐桿時，2根支撐桿位于同一平面；采用3根支撐桿時，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。支撐架為中空結構的圓柱狀桶體，圓柱狀桶體的桶壁上有三個均勻分布的連接測量臂的螺孔。所述的6個測量臂帶有螺紋的一端和支撐架相連，6個超聲波探頭分別安裝在6個測量臂的另一端。測量臂為中空結構。測量臂分成2組，一組通過螺紋直接固定在在第一支撐架的三個螺孔中，另一組通過螺紋固定在第二支撐架的三個螺孔中。每一組的3個測量臂都呈立體120°布置，且與第一支撐架與第二支撐架的軸線夾角為60°，6個測量臂的長度相等。6個超聲波探頭分別安裝在所述的6個測量臂上遠離支撐架的一端，且超聲波探頭的發(fā)射平面與測量臂成90°角，同時保證安裝在第一支撐架上的3個超聲波探頭與安裝在第二支撐架上的3個超聲波探頭兩兩相對，兩兩相對的超聲波探頭同軸布置，且兩兩相對的超聲波探頭之間的距離相等。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，對電路模塊起保護作用。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)顯示和存儲電路。所述的中央處理單元用于進行數(shù)據(jù)處理，并發(fā)出控制指令通過信號線控制超聲波收發(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)處理電路的信號輸入端。首先發(fā)射電路發(fā)射超聲波信號，然后通過相對應的超聲波探頭進行接收超聲波信號，接收到的超聲波信號進行濾波電路和放大電路后由超聲波收發(fā)處理電路進行處理。超聲波收發(fā)處理電路用于測量超聲波在空氣中的傳播時間。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工藝設計的高精度時間數(shù)字(Time digital converter)轉(zhuǎn)換芯片，它利用延時線法可對兩個脈沖或多個脈沖之間的時間間隔進行精確測量，單通道測量精度為250ps，雙通道耦合精度可達150ps，測量 范圍從3ns-200ms不等，因此其不但測量精度高，測量范圍也很大。[0012]采用本發(fā)明風電場超聲波風速檢測裝置測量風速和風向的方法如下:本發(fā)明風電場超聲波風速檢測裝置中的六個超聲波探頭分成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量臂、第二測量臂和第三測量臂固定在第一支撐架上，且三個測量臂成120°排列，3個測量臂與中心軸線呈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量臂、第五測量臂和第六測量臂固定在第二支撐架上，且三個測量臂成120°排列，3個測量臂與中心軸線呈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布置，分時發(fā)射超聲波，并接收來自對方的超聲波信號，利用超聲波收發(fā)處理電路分別測量接收到的來自對方的超聲波的時間。本發(fā)明中第二超聲波探頭和第六超聲波探頭相對布置，分時發(fā)射超聲波，并接收來自對方的超聲波信號，利用超聲波收發(fā)處理電路分別測量接收到的來自對方的超聲波的時間。本發(fā)明中第三超聲波探頭和第四超聲波探頭相對布置，分時發(fā)射超聲波，并接收來自對方的超聲波信號，利用超聲波收發(fā)處理電路分別測量接收到的來自對方的超聲波的時間。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。利用直接時差法分別計算得到第一超聲波探頭和第五超聲波探頭相對直線方向上的風速為vl，第二超聲波探頭和第六超聲波探頭相對直線方向上的風速為v2，第三超聲波探頭和第四超聲波探頭相對直線方向上的風速為v3，然后根據(jù)該風電場超聲波風速檢測裝置的架設方位，確定vl的風速分量方向在水平方向上的投影與地理坐標系統(tǒng)中正北向的夾角，假設夾角為Θ，則可以計算得到地理坐標下平行正北向的水平風速Vx、垂直正北向的水平風速Vy和垂直風速Vz:
權利要求1.一種風電場超聲波風速檢測裝置，其特征在于，所述的裝置主要包括:底座(I)、支撐結構和電路模塊；所述的底座(I)固定在測風塔或者風電場任何需要測量風速的固定架上，底座(I)的中心位置開有螺孔，通過螺釘連接支撐結構的不銹鋼筒(2);所述的支撐結構固定在底座(I)上，所述的電路模塊置于支撐結構的不銹鋼筒(2)內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的支撐結構包括保護電路板的不銹鋼筒(2)、6個測量臂(4、6、16、9、11、13)、第一支撐架(3)、第二支撐架(10)、支撐測量臂的支架(17)和6個超聲波探頭；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；支撐架為中空結構的圓柱狀桶體，圓柱狀桶體的桶壁上有三個均勻分布的連接測量臂的螺孔；所述的6個測量臂帶有螺紋的一端連接支撐架，6個超聲波探頭分別安裝在6個測量臂遠離支撐架的另一端，所述的超聲波探頭的發(fā)射平面與測量臂成90°角。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的測量臂為中空結構；6個測量臂分成2組，其中第一測量臂(4)、第二測量臂(6)和第三測量臂(16)為一組，固定在第一支撐架(3)的三個螺孔中，第一測量臂(4)、第二測量臂(6)和第三測量臂(16)之間的立體夾角為120°，三個測量臂與第一支撐架(3)和第二支撐架(10)的軸線夾角為60° ;第四測量臂(9)、第五測量臂(11)和第六測量臂(13)為另一組，固定在第二支撐架(10)上，第四測量臂(9)、第五測量臂(11)和第六測量臂(13)之間的立體夾角為120°，三個測量臂與第一支撐架(3)和第二支撐架(10)的軸線夾角為60° ;6個測量臂的長度相等。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述的支撐測量臂的支架(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，2根支撐桿位于同一平面；采用3根支撐桿時，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)均采用中空結構。
5.根據(jù)權利要求1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)顯示和存儲電路(21);所述的中央處理單元(18)進行數(shù)據(jù)處理，并通過信號線發(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)的信號輸入端；超聲波收發(fā)處理電路(19)用于測量超聲波在空氣中的傳播時間；數(shù)據(jù)顯示和存儲電路(21)接收中央處理單元(18)傳送的風速風向值進行顯示和存儲。
6.根據(jù)權利要求5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)采用測量范圍(2)的計數(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。
專利摘要本實用新型涉及一種風電場超聲波風速檢測裝置，所述的裝置主要包括底座(1)、支撐結構和電路模塊；所述的底座(1)固定在測風塔或者風電場任何需要測量風速的固定架上，底座(1)的中心位置開有螺孔，通過螺釘連接支撐結構的不銹鋼筒(2)；所述的支撐結構固定在底座(1)上，所述的電路模塊置于支撐結構的不銹鋼筒(2)內(nèi)；本實用新型與現(xiàn)有測風方法相比，本實用新型提出的風電場超聲波風速檢測裝置可以保證在風速測量中支撐架構、渦度相關等其它外界條件對超聲波風速檢測裝置中的超聲脈沖信號獲取造成的影響降到最小。
文檔編號G01P5/24GK203117222SQ20132011740
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月14日 優(yōu)先權日2013年3月14日
發(fā)明者汪寧渤, 夏慧, 路亮, 劉國強, 劉光途, 黃欣, 王定美, 李艷紅, 馬彥宏, 李士強, 趙龍, 鄧棋文, 馬明 申請人:甘肅省電力公司, 中國科學院電工研究所