风速测量系统和方法与流程

1.本技术涉及气象监测技术领域，尤其涉及一种风速测量系统和方法。


背景技术：

2.风速是气象环境监测中必不可少的一项，目前使用较多的是超声波风速仪来测量风速。
3.超声波风速仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。超声波风速仪使用四个超声波探头来进行收发超声波，从而实现风速的测量。
4.正常情况下，超声波风速仪通过测量两个探头之间的时间差，从而确定两个探头连线方向上的风速。设置四个探头，且四个探头之间的连线两两垂直，从而可以实现四个方向上风速的测量。
5.但是现有技术中的超声波风速仪采用上述方式测量风速时，只能处理一个相位时间差，也就是25us。所以风速测量的最大风速上限在40m/s，而当风速超过这个数值时，会导致风速测量的量程不够。大风速无法通过现有技术中的超声波风速仪进行测量。且这样也会使得用户体验不好，缩减超声波风速仪的使用寿命。


技术实现要素：

6.为了解决相关技术中风速测量的量程不够的技术问题，本技术提供了一种风速测量系统和方法。
7.第一方面，本技术实施例提供的风速测量系统，包括：
8.超声波探头组件，所述超声波探头组件以用于发射和接收超声波，所述超声波探头组件包括多个超声波探头，设置两两相对的所述超声波探头为一组，两组所述超声波探头之间的连线相互垂直；
9.控制器，所述控制器与所述超声波探头组件电性连接，所述控制器以用于控制所述超声波探头组件在第一测量模式和第二测量模式之间进行切换，所述第一测量模式以用于测量两组所述超声波探头之间的时间差，所述第二测量模式以用于测量一个所述超声波探头与位于直角邻边的两个所述超声波探头之间的时间差。
10.可选地，当所述第一测量模式测量到的风速大于或等于预设阈值时，所述控制器控制所述超声波探头组件的测量模式切换为所述第二测量模式。
11.可选地，所述预设阈值的范围为大于或等于36m/s。
12.可选地，所述超声波探头发射的频率为40khz。
13.可选地，所述超声波探头的数量为四个。
14.可选地，所述风速测量系统还包括上盖和底座，所述上盖和所述底座盖合以形成容置所述超声波探头组件的中空内腔。
15.可选地，所述控制器设置在所述超声波探头组件的上方，且所述控制器容置于所述中空内腔中。
16.可选地，所述风速测量系统还包括电源组件，所述电源组件设置在所述超声波探头组件的下方，以用于为所述超声波探头组件提供电能。
17.可选地，所述控制器具有通信模块，所述通信模块以用于与外部设备进行无线通信，并将风速测量数据传输至外部设备中。
18.第二方面，本技术实施例提供的风速测量方法，应用于上述的风速测量系统，包括以下步骤：
19.实时获取当前风速；
20.当当前风速大于或等于预设阈值时，控制第一测量模式向第二测量模式切换；所述第一测量模式以用于测量两组超声波探头之间的时间差，所述第二测量模式以用于测量一个超声波探头与位于直角邻边的两个超声波探头之间的时间差。
21.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
22.本技术实施例提供的一种风速测量系统，包括超声波探头组件和控制器。超声波探头组件以用于发射和接收超声波，超声波探头组件包括多个超声波探头，设置两两相对的超声波探头为一组，两组超声波探头之间的连线相互垂直；控制器与超声波探头组件电性连接，控制器以用于控制超声波探头组件在第一测量模式和第二测量模式之间进行切换，第一测量模式以用于测量两组超声波探头之间的时间差，第二测量模式以用于测量一个超声波探头与位于直角邻边的两个超声波探头之间的时间差。这样，通过控制器对超声波探头组件进行控制，从而根据风速的大小采取不同的测量模式。既可以避免对处于第一测量模式下时，对风速测量量程的限制，还可以在大风速的情况下，更换使用第二测量模式，提高超声波探头组件抵抗故障的能力。
附图说明
23.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本技术实施例提供的一种风速测量系统的结构示意图；
26.图2为本技术实施例提供的一种风速测量系统的分解示意图；
27.图3为本技术实施例提供的超声波探头的结构示意图；
28.图4为本技术实施例提供的一种风速测量方法的流程示意图。
29.附图标记：
30.100、风速测量系统；110、超声波探头；120、控制器；130、上盖；140、底座；150、电源组件。
具体实施方式
31.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.参考图1至图3，本技术实施例提供的一种风速测量系统100，包括：超声波探头组件和控制器120。超声波探头组件以用于发射和接收超声波，超声波探头组件包括多个超声波探头110，设置两两相对的超声波探头110为一组，两组超声波探头110之间的连线相互垂直。控制器120与超声波探头组件电性连接，控制器120以用于控制超声波探头组件在第一测量模式和第二测量模式之间进行切换，第一测量模式以用于测量两组超声波探头110之间的时间差，第二测量模式以用于测量一个超声波探头110与位于直角邻边的两个超声波探头110之间的时间差。
33.这样，在风速小于预设阈值时，超声波探头组件采用第一测量模式进行测量。当风速大于或等于预设阈值时，控制器120控制超声波探头组件由第一测量模式切换为第二测量模式，第二测量模式可以测量更大的风速值。这样，一方面可以避免对处于第一测量模式下时风速的测量量程不够，不能满足大风速的测量；另一方面，设置两种测量模式还可以提高超声波探头组件抵抗故障的能力，在第一测量模式时需要使用四个超声波探头110进行测量，在第二测量模式下可以使用三个超声波探头110进行测量。
34.当第一测量模式测量到的风速大于或等于预设阈值时，控制器120控制超声波探头组件切换为第二测量模式。风速测量系统100在进行风速测量时，首先利用第一测量模式对风速进行测量，当第一测量模式测量的风速达到预设阈值时，控制器120调整超声波探头组件的测量模式为第二测量模式。这样，第一测量模式可以针对小于预设阈值的风速进行测量，第二测量模式针对大于预设阈值的风速进行测量，从而提高风速测量的量程选择。
35.预设阈值的范围为大于或等于36m/s。还可以设置预设阈值的取值范围小于或等于40m/s。预设阈值小于或等于36m/s时，采用第一测量模式对风速进行测量，此时风速为小风速，测量结果准确。当第一测量模式测量到的风速大于36m/s时，采用第二测量模式进行测量，当第二测量模式测量到的风速小于30m/s，控制器120控制超声波探头组件转换为第一测量模式。从而扩大风速测量的量程，提高风速测量的准确性。当然，预设阈值也可以设置为40m/s，这样，在达到第一测量模式的最大值时，切换为第二测量模式。
36.参考图3，在本技术实施例中，超声波探头110发射的频率为40khz。在第一测量模式下，超声波探头110的数量为四个。在第二测量模式下，超声波探头110的数量可以为三个。三个超声波探头110之间的连线构成等边直角三角形即可。
37.在第一测量模式下，四个超声波探头110分别安装在a、b、c和d处。通过测量ab和cd之间的超声波发射和接收的时间差来确定x和y方向上的风速时间差。
38.ab之间的时间差计算公式为：
39.delta_t＝l
ab
/(c_风速+v)
–
l
ab
/(c_风速
–
v)；
40.由此可以得出：v＝delta_t*c^2/2l。
41.其中，l
ab
是ab之间的距离，delta_t是时间差，c_风速是风速的参数，c是声音在空气中的速度，v是风速。
42.由于超声波探头110特性的限制，只能处理一个相位时间差，也就是25us，所以测量的风速上限一般在40m/s。速度的测量和距离成反比，也就是l越大，所能够测量的速度就越小。
43.发明人发现在传统的对射法外，可以通过测量超声波从c到a、a到c的时间差，以及
c到b、b到c的时间差来测量风速。这样l的距离减少为风速也就从原来最大测量速度40m/s增加到56m/s。
44.sqr(2)＝1.414，sqr表示根号，由于选用等腰直角三角形的邻边进行计算，所以原来l的距离缩小为如果第一测量模式可以测量的最大风速为30m/s，那么第二测量模式可以测量的风速为42m/s。如果第一测量模式可以测量的最大风速是40m/s，那么第二测量模式可以测量的风速为56m/s。
45.由于采用的是40khz的超声波探头110，可以降低对超声波探头110的要求。这样设计可以保证低风速测量的准确性，在超过40m/s的高风速条件下，采用位于直角邻边的超声波探头110进行测量，以增加量程。
46.风速测量系统100还包括上盖130和底座140，上盖130和底座140盖合以形成容置超声波探头组件的中空内腔。上盖130和底座140可拆卸连接，具体可以为卡合连接或螺纹连接。底座140具有多个通孔，以容置超声波探头110，且使得超声波探头110可以发射或接收超声波。
47.控制器120设置在超声波探头组件的上方，且控制器120容置于中空内腔中。上盖130和底座140盖合后，可以防止雨水浸润到控制器120里面，避免控制器120短路，延长风速测量装置的寿命。
48.风速测量系统100还包括电源组件150，电源组件150设置在超声波探头组件的下方，以用于为超声波探头组件提供电能。电源组件150包括超级电容和电池，电池可以为一次性电池或可充电电池。
49.控制器120具有通信模块，通信模块以用于与外部设备进行无线通信，并将风速测量数据传输至外部设备中。这样，便于用户及时实时的获取当前风速。
50.参考图4，本技术实施例提供的一种风速测量方法，应用于上述的风速测量系统100，包括以下步骤：
51.s100：实时获取当前风速；
52.s200：当当前风速大于或等于预设阈值时，控制第一测量模式向第二测量模式切换；第一测量模式以用于测量两组超声波探头110之间的时间差，第二测量模式以用于测量一个超声波探头110与位于直角邻边的两个超声波探头110之间的时间差。
53.这样，利用本技术实施例提供的风速测量方法，通过实时获取当前风速，判断当前风速是否大于或等于预设阈值，若当前风速小于预设阈值，则控制运行第一测量模式。当第一测量模式启动后，继续实时获取当前风速，当当前风速大于或等于预设阈值时，控制运行第二测量模式。从而根据风速的大小采取不同的测量模式。既可以避免对处于第一测量模式下时风速的测量不准确，还可以提高超声波探头组件抵抗故障的能力。
54.值得注意的是，风速不是立刻从低风速变为高风速，风速有一个由小变大的过程，所以在开始进行风速测量时，采用第一测量模式先进行预检，而后根据实际风速调整测量模式。提高风速测量的准确性。
55.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些
要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
56.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。