一种低耗的超声波风速风向测量系统外文翻译资料

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一种低耗的超声波风速风向测量系统

摘要：本文讨论了一种低耗换能器，该换能器实现了一种改进的户外风速测量技术。该仪器是一个二维超声波风速计，能够同时监测风速和风向。它的主要优点是，使用没有移动部件的超声波技术，因而允许在各种需要低维护和快速响应疾风的应用中使用。用于动力涡轮机控制的风速测量可以作为它的参考应用。本仪器采用简单的设计，并使用市售组件构建，以降低开发成本。本文中，提出了采用的架构，讨论了用于处理转换的超声信号的算法。同时介绍和讨论了第一次测试期间所获得的相关结果，并提出了系列的改进措施。

关键词：风能；超声波换能器；风速测量；超声波变量测量。

1. 介绍

近年来，人们不断开发可再生能源来应对气候变化和化石燃料枯竭的挑战。而风能恰是能快速满足未来合理比例的能源需求的少数可再生能源之一。预计风力涡轮机将在未来显着提高功率输出，同时提高效率和可靠性。

在1.1节中，与欧洲FP6项目Upwind [3]相关的计量报告表明，测量问题放慢了风能发展的脚步。这主要是因为在对风力发电机的设计进行加强之后，必须通过实验来验证其更好的性能。不幸的是，测量的不确定性使得预期的微小性能的改进无法确认。该领域的一个重要问题涉及到风速和风向的测量。而这些参数对于场地评估，涡轮机控制和新涡轮机的开发测试具有至关重要的作用。就涡轮机控制而言，该领域目前的做法是，使用安装在桅杆上的杯式风速计进行风速测量，并使用单独的风向换能器。该风速计通常由四个半球形杯组成，每个杯安装在四个水平臂的一端，而水平臂又在垂直轴上以相等的角度安装[4,5]。气流从任意水平方向通过杯子，以与风速成比例的角速度转动它们。计算固定时间段内的圈数就会得到这段时间内的平均风速。

杯式风速计具有众所周知的功能限制，因为它们仅能在一个平面中进行操作，而不能测量二维或三维的速度和气流。然而，在实际操作中，它们将会同时处于大小和方向不断改变的风速和不稳定气流中。这些效应会产生不同类型的误差，例如超速（对风量减小的增加响应更快）以及横向和垂直速度波动。这样所得到的结果会是测得的平均风速的正偏差[5-7]。

新的换能器可以满足风速计加强的需求，它在具有挑战性的环境条件下，比杯式风速计具有更好的响应。我们正在开展针对这种新的测量方法的研究。这是因为在风电行业竞争如此激烈的今天，能够从可靠的设备中准确地测量出风速和风向具有着前所未有的重要性。

机械换能器的主要缺点在于移动部件；这是物理限制，而这限制使得设备不能显示湍流和阵风。 它们的传递函数可以作为具有低通特性的机械积分器与一阶系统的传递函数同化。正是由于它们在物理启动或记录风振幅或方向变化所花费的时间，因此在测量的风速中可以观察到差异。例如，如果风暴吹过或风迅速改变方向，换能器会降低其速度，在新风向上重新启动，而这需要几秒来测量新参数。

相反，超声换能器测量风向或高阵风的变化时，其延迟对应于由信号处理器施加的采样周期。传递函数也可以被同化为低通，但与机械式风速计相比，这些装置的切割频率要大得多。

当超声波的输出随时间平稳下来时，机械式和超声波换能器的性能是差不多的。

因为没有移动部件，所以可靠性是超声波设备的另一个优点。即使这些装置经常加热来避免当机械换能器受到冻结，但当这种情况发生时，风速计就会变得不可操作或不准确；而相反，超声脉冲通常就足以防止冰的形成。

目前为止，超声波设备的主要缺点就是初始成本，一般大于2千欧元。

在本文中，我们根据换能器之间超声波的飞行时间，提出了一种用超声波来测量风速的风速计。具体而言就是，我们把两个换能器组合在一起，以产生两个轴的速度来进行测量。在这些装置中，空间分辨率由换能器之间的路径长度给出，其通常在10cm至40cm的范围内。换能器采用80 Hz或更高、更精细的时间分辨率来进行测量，这也使得它们非常适合用来测量不稳定气流。由于杯式风速计的可靠性和准确性会受到空气中盐分或大量灰尘的不利影响，没有活动部件这一特点使超声波风速计能在这种环境下的自动化系统中长期使用。

所提出的仪器采用简单的设计，使用商业现成的（COTS）组件构建，以降低开发成本。为了适应信号电平和电路阻抗，超声波换能器与模拟信号调节器相连。微控制器器件用来处理信号并在串行输出端口上提供结果[9-12]。

我们的研究项目将从实验室测验到现实世界应用，最终在与风力涡轮机测试现场相关的制造环境中进行扩展。该项目得到了意大利教育，大学和研究部的支持，同时该项目由Grant PONa3_00308（GELMinCAL）支持。

本文中，提出了所采用的架构并对测量过程进行了讨论。其中也包括在第一次实验室测试期间获得的一些实验结果。我们还计划在风室中进行一系列的测试，同时提出相关的改进措施。

2、换能器

A、硬件结构

所提出的换能器将安装在水平轴风力涡轮机上，用来检测风速和风向的水平分量。在这些涡轮机中，偏航位置控制用于使转子定向，使得其垂直面向气流[13]。整个系统的结构如图1所示。

该仪器包含一个基于Microchip的PIC18F452的微控制器板（图2），它用来产生输出信号，放大（图3）并对超声波[c，d，e，f]进行转换。接收波由两级放大器放大，施加到阈值电压比较器中，并由PIC获取（图4）。其中还包括发送和接收多路复用器；但是这不是限制条件，因为沿两个轴的测量过程必须在不同的时间内进行，以避免干扰。

四个超声波换能器形成两个彼此正交的测量方向。 超声波发射器是MULTICOMP SQ-40-T-10b，接收器是SQ-40R-10b。发射信号是40 kHz的方波，发射光束角为30°。换能器工作的温度范围为-20°C至60°C。 还包括一个小型低成本的温度传感器，用于测量空气温度； Microchip TC74，一款工作温度范围为-40°C至 125°C的8位数字传感器。系统可以提供速度和方向的瞬时测量值，或者在固定的时间段内的平均值（通常平均20个测量值）。

B、软件结构

微控制器采用串行总线与PC主机进行通信。现已开发出可以用来避免测量和通信故障的通信协议。PC主机可以：i）打开与测量系统之间的串行通信；ii）将测量系统置于睡眠模式或正常模式；iii）请求进行单次测量值； iv）请求得到平均测量值； v）请求进入自由运行的测量状态；vi）检测测量或通信故障，并重新发送测量命令以防发生测量故障。而管理故障所采用的技术是超时阻塞 - 线程软件编程模式。PC主机用户界面也已经开发出来，以便在中断例程串行通信上打开不同的线程。在这种方式下，中断服务例程已经在与管理整个用户界面的主线程不同的线程中实现了实例化。该线程负责执行串行通信的超时实现：对于每个请求，管理通信的其他线程中的超时都会被重置。如果在单个请求期间，中断服务程序没有从微控制器接收响应，这就意味着通信系统或测量系统存在一些问题，从而已经执行了最多三次重传的新请求。而如果没有从微控制器收到响应，则用户界面关闭串行通信端口，再重新打开，并等待一段时间，以便微控制器监视器可以重置测量系统。当微控制器再次工作时，用户界面会重新发送最多三次测量请求。虽然在这种情况下测量系统不响应，但是用户界面会向用户通知问题（通信故障）。如果在固定的一段时间内，用户界面没有收到任何响应，则：i）首先，用户界面尝试重新发送请求并等待响应（测量故障）；如果微控制器没有给出响应，则用户界面执行单个请求以检查问题是否在于串行通信或测量系统。在此阶段，用户界面针对单个测量执行以上所描述的所有步骤，以便检查通信系统，同时通过看门狗重置Pc主机串行通信端口和微控制器。

强调连接测量系统和Pc主机之间的串行通信协议非常重要（图5中报告），这份协议是由于以下原因而开发的：i）它使用CRC字段来检查通信包是否正确； ii）它的请求和响应长度是固定的，因此高级软件可以检测通信过程中是否存在故障； iii）通信协议可以在传感器网络中采用，因为发送器和接收器字段是存在的（例如使用RS 485或IEEE 488物理层）；iv）使用单义id映射每个请求，因此接收者可以执行所请求的动作； v）为了减少由通信分组长度造成的延迟时间，响应分组数据的长度是2times;8比特。

所采用的测量技术（在下一节中展示）需要一些会产生浮点数的处理任务。 为了向Pc主机发送这些结果，系统需要一个2x32位的寄存器来进行发送。由于采用了硬件比较器来进行测量，因此仅仅需要将每一个硬件比较器的值发送到Pc主机，而不是将所有处理结果都发送过去。

C、测量方法：飞行时间法

静态空气中，超声波的传播速度由风向上的气流速度分量叠加起来。当风速分量在相同方向上操作时，传播速度增加。相反，当风速分量与传播方向相反时，传播速度降低。在测量路径上产生的不同传播时间（飞行时间）显示了特定的风速和方向。

如今已经有许多用于测量飞行时间的技术，它们可以大致概括为频域测量和时域测量两种技术。第一种技术经常会出现频率分辨率不足的问题，需要提高高采样率并扩大存储器容量。但是，采用这种方式，信号处理就变得更加重要。

第二种技术需要使用高性能的计数器，但结果会受到信号噪声和其它多重回波的影响。也正是因为使用微控制器内部的定时器，这项技术可以在硬件中轻松完成，因此这也是原型所采用的解决方法。目前更好的解决方案正在研究中。

如上所述，使用两对超声换能器测量风速，它提供超声波从发射器到接收器tof1和tof2所需的飞行时间。通过两次组合，沿着彼此成直角的路径测量，我们获得矩形分量形式的瞬时风速矢量（图6）；

(1)

(2)

其中D是测量路径长度。

风速的模从以下关系式获得：

(3)

风向角度是：

(4)

超声波在稳定空气中的速度取决于空气温度，关系式如下：

(5)

其中331.4 m / s是冰点温度下，超声波在空气中的速度。系统使用温度传感器来测量（图1），以便正确识别实际的超声波速度。

换能器可以计算风速和风向的平均值，对每对换能器平均进行连续20连续测量，获得4Hz的测量频率。

图7中所示的用户界面已经在PC上实现，用来远程操作换能器并显示测量数据。

1. 实验结果

作为开发阶段的一部分，我们对已实施的原型在实验室中进行了测试。第一次测试的进行是为了验证信号幅度并校准放大器增益。图8显示了在调节器之后，微调器在发射器输入端产生的信号；它具有40 kHz的频率，2.5 V的幅度和1.25 V的偏移。接收器输出的信号如图9所示。

为了研究了换能器之间的间距对测量精度的影响，对换能器间距进行了修改；最终我们发现，大约40厘米的距离可以取得更好的性能效果。

测试验证了风向测量的正确性。通过风扇模拟气流，围绕换能器旋转位置。在用户界面上读取的风向表明了设备运行的正确性。我们先后计划并进行了一系列实验室测试，以记录换能器规格并量化其特性。

就风速而言，所计划的测试将风速计信号输出与参考风速关联在一起。这些测试计划按照国际标准的要求在风室中进行，而这些标准定义了测试这些风速计的程序，例如： ISO 16622 [14]。

基准校准将在无风的条件下进行，其中包括测量声程长度和瞬态时间；这些测试将在不同的温度和压力环境下进行。而其他测试将在稳态风洞中进行，其中限制条件会将换能器性能与诸如振动和偏角风之类的干扰隔离。

4、 结论与讨论

本文介绍了超声波风速计的设计。它提供风速和风向的测量值，同时补偿了由于环境温度引起的误差。该超声波风速计提供两个瞬时分量和平均值。

所实现的原型展现出了两个主要方面的优点：它减少了系统的复杂性，并降低了成本。第一次的测试表明噪声灵敏度相对较高。其中两个原因可能是：实验室测试中采用的是机械支撑或者是换能器本身产生的波浪反射。

我们对系统进行了测试，将吸声材料放在超声换能器下方的区域（图10），取得了相似的结果。接下来，我们进行了其他的研究，最终得出结论：使用光束角可以减小的发射器可以在噪声方面获得更好的性能效果，以此可以将超声功率集中在更小的区域中。系统需要获得更大的功率密度，这可以帮助接收器对信号进行很好的检测。为了实现这些改变，需要不同的、更精确的机械组件，其中原因有两个。第一个是因为，涉及传输区域的减少，这需要更精确的接收器定位。

第二个是因为，必须设计换能器机械支撑架以避免造成超声信号的湍流，失真，散射和回波。换能器的尺寸减小似乎代表一个积极的象征，但研究必须考虑到整体的架构形状。与此同时，我们正在研究一种基于对数功率谱处理超声数值的更好的值算法，以便在存在信号噪声和二次回波的情况下，能够改善性能。

另一项改进是指对当地大气密度产生影响的其他因素（如湿度和气压）对超声波速度的影响。两个用于这些量的换能器可以包括进去，也可以校正这些误差分量。

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