一种基于伯努利定律的风速传感器及风速测量方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于伯努利定律的风速传感器及风速测量方法。

背景技术：

现有的皮托管式风速传感器一般采用皮托管作为探头，通过差压计测得动压和静压之间的差值，再通过风速与压差的换算关系从而得到对应的风速值，但是皮托管式风速传感器使用的皮托管一般长度都比较长，不适合安装在一些空间受限的地方，皮托管安装完成以后，就只能测量一个方向上的风速，不能应用在风向不定的场合，并且皮托管需要与差压传感器配合使用，增加了额外的成本。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种用于空间受限的地方，且可测量任何方向风速的基于伯努利定律的风速传感器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于伯努利定律的风速传感器，包括底座、壳体、设于壳体内部的储液罐、连通管和串联电阻，所述壳体安装于底座上，所述储液罐与连通管首端连通，所述储液罐中灌装有导电液体，所述储液罐的顶部设有开口，所述壳体顶部设有风口，所述连通管的末端连接于风口，所述连通管远离储液罐的一侧设有串联电阻，所述串联电阻的两端分别与电缆连接，所述电缆贯通壳体。

作为优选，所述串联电阻的底端与储液罐的底部对齐，所述串联电阻的顶端高于储液罐的顶部。

作为优选，所述串联电阻由数个电阻串联而成，两个相邻的所述电阻的引脚相连，所述引脚通过焊接点连接于连通管的内壁。

作为优选，所述风口处设有防水透气膜。

作为优选，所述开口处设有防水透气塞。

作为优选，所述壳体与底座间有间距。

作为优选，所述连通管为u形管。

本发明还提供一种采用上述基于伯努利定律的风速传感器测量风速的方法，具体步骤如下：

s1、组装基于伯努利定律的风速传感器，安放于应用场所；

s2、求得压强p1、p2与风速的关系，具体如下:

风吹过连通管的风口处，连通管上部的气体压强下降，压强为p1，而储液罐的内部与外界的大气相通，压强为p2，根据伯努利定律，p1小于p2，并且两者之差与风速存在函数关系如式(1):

式中：

p1——右侧u形管内的气压，单位pa，

p2——传感器内部的气压，单位pa，

ρ——空气密度，受大气压和温度影响，通过经验公式计算得到，单位kg/m³，

v——风速，单位m/s；

s3、求压强差，运用s2步骤中的p2与p1通过式(2)计算：

δp＝(ρ液-ρ)gh＝p2-p1··········(2)

式中：

ρ液——导电液体密度，单位kg/m³，

g——重力加速度，单位m/s²，

h——u形管右侧液面与左侧液面的高度差，单位m；

s4、将式(1)代入式(2)求得风速v新的函数关系，如式(3):

式中：

ξ——传感器校正系数；

s5、求连通管的液面高度差h，具体如下:

根据伯努利定律，p1小于p2，连通管内的导电液体将上升，导电液体上升超过电阻的焊接点时，导电液面以下的电阻将短路，从而使电缆两端的电阻值变小，电阻值通过测量可得到，因为右侧连通管的截面积远小于储液罐的截面积，因此当右侧连通管的的液面上升时，储液罐内的液面下降的高度可以忽略不计，液面高度差h与测量到的电阻值成线性关系，由此可得：

h＝kr··············(4)

式中：

r——风速为v时测量的电阻值，单位ω，

k——测量电阻值与高度差之间的转换系数；

s6、将式(4)代入式(3)求得风速v:

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中的连通管设于壳体内，节约空间，可应用于空间受限的地方；

2、本发明中的连通管直接连通风口处，方便测量任何风向的风速；

3、本发明中的防水透气塞和防水透气膜的设计保证了良好的密封性，可以防止导电液体散发腐蚀风速传感器的内部结构；

4、采用基于伯努利定律的风速传感器测量风速的方法可根据伯努利定律，直接通过连通管中的导电液体上升超过电阻的焊接点，从而导致导电液面以下的电阻短路，再测得电阻值，通过公式计算得出当前的风速值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中串联电阻的机构示意图。

图中，1、壳体，11、底座，2、储液罐，21、防水透气塞，22、导电液体，23、连通管，231、防水透气膜，3、串联电阻，31、电缆，32、电阻，33、引脚，34、焊接点。

具体实施方式

下面将结合图1-2详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

一种基于伯努利定律的风速传感器，其包括底座11、壳体1、设于壳体内部的储液罐2、连通管23和串联电阻3，壳体安装于底座上，且壳体与底座间有间距，储液罐与连通管首端连通，储液罐中灌装有导电液体23，储液罐的顶部设有开口，开口处设有防水透气塞21，壳体顶部设有风口，风口处设有防水透气膜231，连通管的末端连接于风口，连通管远离储液罐的一侧设有串联电阻，连通管为u形管，串联电阻的两端分别与电缆31连接，电缆贯通壳体。

串联电阻的底端与储液罐的底部对齐，所述串联电阻的顶端高于储液罐的顶部。

串联电阻由数个电阻32串联而成，两个相邻的所述电阻的引脚33相连，所述引脚通过焊接点34连接于连通管的内壁。

在实施过程中，首先安装好基于伯努利定律的风速传感器，并安放于应用场所，当风从连通管的风口处吹过时，连通管上部的气体压强下降，压强为p1，而储液罐的内部与外界的大气相通，压强为p2，根据伯努利定律，p1小于p2，并且两者之差与风速存在函数关系，连通管内的导电液体将上升，导电液体上升超过电阻的焊接点时，导电液面以下的电阻将短路，从而使电缆两端的电阻值变小，测量电阻值后通过公式即可计算得到当前的风速，测量风速方法的具体步骤如下：

s1、组装基于伯努利定律的风速传感器，安放于应用场所；

s2、求得压强p1、p2与风速的关系，具体如下:

风吹过连通管的风口处，连通管上部的气体压强下降，压强为p1，而储液罐的内部与外界的大气相通，压强为p2，根据伯努利定律，p1小于p2，并且两者之差与风速存在函数关系如式(1):

式中：

p1——右侧u形管内的气压，单位pa，

p2——传感器内部的气压，单位pa，

ρ——空气密度，受大气压和温度影响，通过经验公式计算得到，单位kg/m³，

v——风速，单位m/s；

s3、求压强差，运用s2步骤中的p2与p1通过式(2)计算：

δp＝(ρ液-ρ)gh＝p2-p1··········(2)

式中：

ρ液——导电液体密度，单位kg/m³，

g——重力加速度，单位m/s²，

h——u形管右侧液面与左侧液面的高度差，单位m；

s4、将式(1)代入式(2)求得风速v新的函数关系，如式(3):

式中：

ξ——传感器校正系数；

s5、求连通管的液面高度差h，具体如下:

根据伯努利定律，p1小于p2，连通管内的导电液体将上升，导电液体上升超过电阻的焊接点时，导电液面以下的电阻将短路，从而使电缆两端的电阻值变小，电阻值通过测量可得到，因为右侧连通管的截面积远小于储液罐的截面积，因此当右侧连通管的的液面上升时，储液罐内的液面下降的高度可以忽略不计，液面高度差h与测量到的电阻值成线性关系，由此可得：

h＝kr··············(4)

式中：

r——风速为v时测量的电阻值，单位ω，

k——测量电阻值与高度差之间的转换系数；

s6、将式(4)代入式(3)求得风速v:

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。