CN201945602U

CN201945602U - 一种活塞式磁浮传动可直读多功能风速计

Info

Publication number: CN201945602U
Application number: CN201120058672XU
Authority: CN
Inventors: 鞠琴; 陆桂华; 郝振纯; 吴志勇; 何海; 董贵明; 田娟; 陈玺
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2021-03-07

Abstract

本实用新型是一种活塞式磁浮传动可直读多功能风速计，其特征是包括壳体、风速测量用磁力活塞、风向测量装置、风温度测量单元、风湿度测量单元、单片机智能显示***、磁浮轴承和风速直读器，优点：采用活塞直接测力和磁浮轴承传动消除叶轮和机械轴承传动的多种负作用，扩大量程(span)、提高响应特性(response characteristic)和极限条件(limitingconditions)；用(低等级的)三等压力标准校验获得±0.5％～±0.1％准确度并不困难、便宜、省时省事；为相关工作低成本高效率提供有利条件。一种工作原理的改变，为风速测量和装置制造创造高水平提供新的模式。

Description

一种活塞式磁浮传动可直读多功能风速计

技术领域

本实用新型是一种活塞式磁浮传动可直读多功能风速计，属气象测验技术领域。

背景技术

现有风速计以置流动空气(风)中的叶轮旋转、角速度与风速近似的正比关系为原理。用框架支持叶轮、测量角速度的同时计时实现风速和风向测量。低(风)速与机械轴承摩擦制约其原理的成立范围；高质量风速计要求风洞校验、昂贵、费时费事，准确度为±5％，是相关工作高成本低效率的因素之一。

发明内容

本实用新型提出的是一种活塞式磁浮传动可直读的多功能风速计，其目的旨在克服现有技术技术所存的上述缺陷，采用活塞直接测力和磁浮轴承传动消除叶轮和机械轴承传动的多种负作用，扩大量程、提高响应特性和极限条件；用(低等级的)三等压力标准校验获得±0.5％～±0.1％准确度，便宜、省时省事；为相关工作低成本高效率提供有利条件。

本实用新型的技术解决方案：其特征是包括壳体、风速测量用磁力活塞、风向测量装置、风温度测量单元、风湿度测量单元、单片机智能显示***、磁浮轴承和风速直读器；

所述的风速测量用磁力活塞包括靶、中心轴、磁套管、衬管、磁管、靶套管和套管，其中磁管、靶套管分别套装在中心轴上，靶垂直安装在中心轴前端，中心轴和垂直装在轴上管形电极构成活塞柱，用固定在壳体内的磁管和衬管与管形电极构成活塞外腔同活塞柱一起构成磁力活塞，靶套管通过A引线孔引入空舱，磁套管、衬管、套管、紧固器依次推入壳体内腔，套管经B引线孔引入空舱；

所述的风向测量装置包括舵、支承、水准器与动电极、第一定电极、第二定电极，其中舵装在壳体上，指北针、水准器和第一定电极、第二定电极分别胶结在支承上，动电极通过引线经F引线孔引入空舱；

所述的风温度测量单元采用温度测量用半导体热敏电阻和不平衡电桥组合；

所述的湿度测量单元采用三极头散射场电容器作为湿度传感器，胶结在舵上，并分别将各自电线经E引线孔3引入空舱，所述的三极头散射场电容器包括A电容器、B电容器、C电容器；

所述单片机智能显示***由模板A/D转换器、单片机PI、并行接口I/O、程序储存器EPROM、LED显示器、记录器具构成，测量与计算和数据表格及工作程序存入EPROM并受键盘控制；

所述的磁浮轴承包括圆形磁板、隔离垫、圆形磁板、大磁管、小磁管和承重柱，其中圆形磁板与圆形磁板相斥，大磁管与小磁管相吸，小磁管、圆形磁板与承重柱胶结为一体，圆形磁板与大磁管组合成转动件，承载整机磁悬浮在圆形磁板与小磁管和承重柱的上面，以承重柱为中心在水平面上转动；

风速直读器31采用在靶上固定数显卡尺的游框，在机壳上固定数显卡尺的主尺，风力作用下靶的直线位移带动游框位移完成位移测量并数字显示实现风速的直接读数，标尺分度为0.01mm。

本实用新型的优点是：采用活塞直接测力和磁浮轴承传动消除叶轮和机械轴承传动的多种负作用，扩大量程(span)、提高响应特性(responsecharacteristic)和极限条件(limiting conditions)；用(低等级的)三等压力标准校验获得±0.5％～±0.1％准确度并不困难、便宜、省时省事；为相关工作低成本高效率提供有利条件。一种工作原理的改变，为风速测量和装置制造创造高水平提供新的模式。

附图说明

附图1是本实用新型结构示意图。

附图2是本实用新型电容的测量电桥示意图。

附图3是本实用新型风向测量用电桥示意图。

附图4是本实用新型气温测量用电桥示意图。

附图5是本实用新型风速直读斜边放大原理示意图，

附图6是本实用新型另一外形活塞式磁浮传动可直读多功能风速计示意图。

附图7是本实用新型风向测量原理示意图。

附图8是本实用新型湿度测量用三极头散射场式电容示意图。

附图9是本实用新型三级头散射场电容测量线路示意图。

附图10是本实用新型壳体1左视图。

附图11是单片机智能显示***16示意图。

图中：1是壳体、2是衬管、3是紧固器、4是空舱、5是靶、6是中心轴、7是磁套管、8是磁管、9是靶套管、10是套管、11是舵、12是支承、13是指南针、14是水准器、15是镀银针形接插件、16是(单片机智能)显示***、17是圆形磁板、18是隔离垫、19是圆形磁板、20是大磁管、21是小磁管、22是承重柱(有竖向矩形槽为支承12***定位孔)、23是三脚架或带微调器三脚座，24、25、26是三级头散射场电容(湿度传感器)、27是半导体热敏电阻(温度传感器)、28是动电极、29、30是定电极，31是风速直读器，32是出线孔，33是出线孔，34是出线孔，35是出线孔，36是进线孔，37是管形电极。

具体实施方式

对照附图，其结构是包括壳体、风速测量用磁力活塞、风向测量装置、风温度测量单元、风湿度测量单元、单片机智能显示***、磁浮轴承和风速直读器；

所述的风速测量用磁力活塞包括靶5、中心轴6、磁套管7、衬管2、磁管8、靶套管9和套管10，其中磁管8、靶套管9分别套装在中心轴6上，靶5垂直安装在中心轴6前端，中心轴6和垂直装在轴上管形电极37构成活塞柱，用固定在壳体内的磁管8和衬管2与管形电极37构成活塞外腔同活塞柱一起构成磁力活塞，靶套管9通过A引线孔32引入空舱4，磁套管7、衬管2、套管10、紧固器3依次推入壳体1内腔，套管10经B引线孔33引入空舱4；

所述的风向测量装置包括舵11、支承12、水准器14与动电极28、第一定电极29、第二定电极30，其中舵11装在壳体1上，指北针13、水准器14和第一定电极29、第二定电极30分别胶结在支承12上，动电极28通过引线经F引线孔36引入空舱4；

所述的风温度测量单元采用温度测量用半导体热敏电阻27和不平衡电桥组合；

所述的湿度测量单元采用三极头散射场电容器作为湿度传感器，胶结在舵11上，并分别将各自电线经E引线孔35引入空舱4，所述的三极头散射场电容器包括A电容器24、B电容器25、C电容器26；

所述的磁浮轴承包括圆形磁板17、隔离垫18、圆形磁板19、大磁管20、小磁管21和承重柱22，其中圆形磁板17与圆形磁板19相斥，大磁管20与小磁管21相吸，小磁管21、圆形磁板19与承重柱22胶结为一体，圆形磁板17与大磁管20组合成转动件，承载整机磁悬浮在圆形磁板19与小磁管21和承重柱22的上面，以承重柱22为中心在水平面上转动；

风速直读器31采用在靶5上固定数显卡尺的游框，在机壳上固定数显卡尺的主尺，风力作用下靶的直线位移带动游框位移完成位移测量并数字显示实现风速的直接读数，标尺分度为0.01mm。

所述中心轴6采用空管中心轴。

磁浮轴承以承重柱22为中心安装在三脚架或带微调器三脚座23上。

图2中：Cx＝R1/R2·Cs，(A、D供电，C、D输出)

用V-F型电压数字转换器或位移数字转换器输出Δf1。

图3中：实际表示的是两个电桥，除第一定电极29、第二定电极30外其余完全相同；舵11转动中带动差动电容的动电极28，与支承12上第一定电极29、第二定电极30的重合面，产生变化以C_×1，C_×2度量，测量C_×1，C_×2(＝R1/R4×R2/R3×Cj)，用V-F型电压数字转换器或角度数字转换器转出频率Δf2，以舵11转角表征的风向可知

(E为供电电源，C、D输出)

图4中：E是供电电源，C、D是输出电流Im

Im = \frac{R_{1} \times R_{60} - R_{2} R_{3}}{(R_{1} + R_{3}) (R_{2} + R_{60}) R_{m} + R_{1} R_{3} (R_{2} + R_{60}) + R_{2} R_{60} (R_{1} + R_{3})} \times U_{AB}

用V～F电压数字转换器输出Δf₃。

对照图5，在壳体1外圆的AB段做一条螺线AC，条件是直角三角形ABC中β为5°42′，AB/BC＝0.0998、AC对AB的放大倍数为10.02。其中L为风速计量程(即磁力活塞计行程)；

在壳体1外圆的AB段圆周上等分的做上述条件螺线(AC)k(k≥4)条以求方便直读。

对照附图6，四片LED显示装在图1上，示意活塞式磁浮传动可直读多功能风速机的外壳上，加透明材质保护(壳)，所有引线在图1空舱4中(转)接线；从左自右第一片LED为风向显示，第二片LED为风速显示(或换成“级”)，第三片LED为气温显示，第四片LED为空气湿度显示。

实施时，依据流动空气(风)的动量和单位时间内流动空气的质量PVF(P～空气密度、V～风速、F～靶面积)与流速V之积成正比，测量变换位移量Δx，Δx与PV²成正比，其中工程中的空气密度P全世界都由计算确定并非测量确定，可以忽略的影响量令p为常数K₀的条件在测量范围成立。因此，Δx与KV²成正比，以此依据确定靶，磁套管，磁管和靶套管，套管(靶套管9，套管10组合电容为位移Δx测量用传感器)等相关技术参数。

准备：对照图1，

1)壳1，左视图如图2示意，和衬管2，靶5，舵11，隔离垫18一起用不饱和聚酯树脂增强玻璃纤维【同一个配方(BB)】模压制取备用；

2)风速测量用磁力活塞与位移测量包括靶5、中心轴6、磁套管7、衬管2、磁管8、靶套管9和套管10组合。其中中心轴6用1Cr18Ni9Ti制成；磁套管7、磁管8可以根据需要用图1示整体结构，也可以由多节组成。靶套管9、套管10合成的靶5位移Δx测量用电容。

3)风向测量用舵11、壳体1底部的动电极28、支承12、顶部的第一定电极29、第二定电极30组合测量，其中支承12用1Cr18Ni9Ti制成，三个电极组成差动电容，示意图如图7-3。图7、图3示意的原理中，当R＝2r时测量范围为(2X60°＝)120°，若动电极28、第二定电极29为圆形时，正负60°时电容为零。若三电极为正方形时，电容不为零。测量范围要求大于120°条件，可依图7原理在半径为R的圆周上对称y1、y2添置29′和30′；

4)(风)温度测量用半导体热敏电阻27和不平衡电桥组合，如图4；

5)(风)湿度测量用三极头散射场电容器24、25、26由1Cr18Ni9Ti箔组合示意如图8，测量线路示意如图9；

6)单片机智能显示***16示意如图11，由A/D转换器(如7135)、单片机PI(如：8031)、并行接口：I/O(如：8155)、程序储存器EPROM(如：2764)、LED显示器、记录器具(如：微型打印机、与另一微机通讯和磁带等等)、键盘(供操作，如：工作选择、数据预置)等等构成，测量与计算和数据表格及工作程序等等一应俱全的存入EPROM并受键盘控制，只要供电并有信号Δx输入测量与记录和显示等相关工作将自动进行；

7)磁浮轴承用图10示意的孔38、定位孔39，图1中的圆形磁板17、隔离垫18、圆形磁板19、大磁管20、小磁管21、(1Cr18Ni9Ti制)承重柱22组成、其中圆形磁板17与圆形磁板19相斥、大磁管20与小磁管21相吸、小磁管21、圆形磁板19与承重柱22胶结为一体，结果是由圆形磁板17与大磁管20组合的转动件，承载整机磁悬浮在由圆形磁板19与小磁管21和承重柱22的上面可以以承重柱22为中心在水平面上转动自如。磁钢的磁感应强度B一般为2000～7000高斯、定制周期，市场上通常为10～15天；

8)支承12用铝合金制，***承重柱22内部加横销定位部分为竖向矩形(与承重柱22上的竖向矩形孔为松配合)、垂直部分为横向矩形、水平部分为平板并做指北针13，水准器14，定电极、定位孔；

9)成套件指北针13、水准器14、(镀银针形)接插件15、三脚架或带微调器三脚座等请专业厂或供货商供应；

10)风速直读、风速直读功能的获得方法不止一种。包括是否配置风速直读功能，对直读功能的技术要求、价格、造型等等均由用户或市场预期决定。本发明以例提出两种原理三个实现风速直读方法述如下：

原理1.斜边放大，方法是应用直角三角形斜边和直角边关系。放大靶5位移Δx，示意如图5，用图5中做好标尺数码的螺线为标尺，靶5的终端为指示器，在不增加任何器件的条件下获得风速再读功能。以简单经济见长；

原理2.齿条传动栅格，应用此原理适用的现有商品是数显卡尺。应用为风速直读器具的方法1：将主尺6固定在图1中壳1，与舵11成线的外圆上，将游框固定在图1中靶5的外圆上，并与舵11和主尺在一条线上，风推动靶5运动供游框在主尺上移动，赋游框显示数字以标尺数码定义就获得风速直读功能；方法2是以主尺取代图1中套管10、游框取代图1中管9，壳1的相应段内内衬透明“窗口”，赋游框显示数字以标尺数码定义就获得风速直读功能。数显卡尺的标尺分度为0.01mm比斜边放大见长，但造价和装配及使用环境条件远不如斜边放大。采用原理2数显卡尺为风速直读器具时只适用有个性有特定要求的用户。为此，本发明中有代表性的风速直读仍以原理1斜边放大为主。

校验(也称标定或刻度)：用支架支持“动子”，使靶5垂直在水平面上，用三等压力标准给靶5以不同量值(ΔF)的作用力、一一对应的测量并记录图6示意测量线路输出(Δf1)，得到ΔF与Δf1一一对应的表格，通过靶5受力面积FV和风速ΔV关系换算，制定Δf1与ΔV一一对应的表格，实际上就是Δx与KΔV²成一一对应的表格，将它写入EPROM，完成风速定标；用一个直径大于壳1长度的角度盘、分度值≤0.5，在壳1尾部(或接插件15中心点)挂重垂线，将装好的磁浮轴承整机的承重柱22置角度盘中心点重合位置，人工转动转动件、测量并记录转角β与图3示意测量线路输出(Δf2)得到，得到Δβ与Δf2一一对应的表格，将它写入EPROM，完成风向定标；空气温度和湿度刻度沿用计量技术研究机构现有标准装置定标，将得到的相应表格一一写入EPROM，完成温度和湿度定标。

本发明活塞式磁浮传动可直读多功能风速计工作过程：

以指北针13、水准器14为准调整三脚架或带微调三脚座23使支承12在与指北针13成线的水平面上，将接插件15与(单片机智能)显示***16可靠插接、送电、(按钮)置工作状态。无风时，温度与湿度将分时显示，有风时，“动子”将以“定子”为中心随风转动、靶5将随风速不同程度的被推入壳1，自动的分时显示风向、风速、温度和湿度测量结果并记录或远传，用不间断电源支持可以实现无人操作的连续测量。风速直读只用为观察、比较或万一故障的应对。

Claims

1.一种活塞式磁浮传动可直读多功能风速计，其特征是包括壳体、风速测量用磁力活塞、风向测量装置、风温度测量单元、风湿度测量单元、单片机智能显示***、磁浮轴承和风速直读器；

风速直读器31采用在靶上固定数显卡尺的游框，在机壳上固定数显卡尺

的主尺，风力作用下靶的直线位移带动游框位移完成位移测量并数字显示实现风速的直接读数，标尺分度为0.01mm。

2.根据权利要求1所述的一种活塞式磁浮传动可直读多功能风速计，其特征是所述中心轴采用空管中心轴。

3.根据权利要求1所述的一种活塞式磁浮传动可直读多功能风速计，其特征是磁浮轴承以承重柱为中心安装在三脚架或带微调器三脚座上。