CN216082808U - 一种热线风速风向测速仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种热线风速风向测速仪，包括测量装置、电桥、信号转换器、电源以及微计算机，测量装置包括风向测量部和风速测量部，风向测量部包括安装架以及四个第一热线探头，安装架呈“十”字形结构；安装架四周末端均设置一个第一热线探头，第一热线探头左右两端设有导电接头，第一热线探头内设有热线电阻丝，热线电阻丝两端分别与两个导电接头连接，第一热线探头一端表面设有进风端，另一端表面为封闭端，第一热线探头的两个侧面开设有出风口；利用四个第一热线探头中热线电阻丝电阻的变化，再通过比较四个热线电阻丝的电阻变化量，可测出风向的角度，实现对风速和风向的测量。

Description

一种热线风速风向测速仪

技术领域

本实用新型属于风速风向测量装置技术领域，具体涉及一种热线风速风向测速仪。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对风的实时监测越来越重要，过去，风速计主要用在气象研究和天气预报，现在，风速风向传感器在农业生产，环境保护交通运输等新的领域发挥着重要的作用。在农业生产中，风影响土壤的干湿度，花粉的传播和CO2的分布；在众多MEMS风速传感器中，热线风速仪作为一种测量流体流速的精密设备，在流体流场的研究中有不可或缺的作用。热线风速仪的检测元件小、热惯性小、灵敏度及空间分辨力高、对流体干扰小。在工业上，可用于测量风洞的速度场，内燃机的流动特性，大型电站的锅炉进风量的测量等。在环境上，可用于气候中的风速监测，防护林抗风效果评价等。因此，热线风速仪在机械、生物、环境等领域中有很强的适用性。同时，在湍流脉动测量的专用领域也有十分广泛的应用前景。例如，用于高压交变流体流动的测量，超音速流体流速的测量等。

目前测量流体流速的仪器主要有皮托管、转林风速仪、螺旋浆式风速仪、热线风速仪和声学风速仪等。皮托管、转杯风速仪和螺旋浆式风速仪构造简单，使用方便，结构可靠，价格低廉，然而存在着测速范围窄、不能测量端流脉动、频率响应低等问题。声学风速仪高频响应好，不干扰气流，能精确测量瞬时风速，是理想的瑞流测量仪器，但其造价昂贵。热线测速技术作为一种非常重要的测量流体速度与方向的技术，己经有100多年的历史，相比于其它流体测速方法，具有响应特性好、成本低廉、操作方便、理论成熟的特点，在风速测量领域具有重要地位。

按照热线热平衡原理可以将热线分为恒流风速计和恒温风速计。由于恒温风速计热滞后效应很小，频率响应很宽，反应快速，而恒流风速计则不具备上述特点，因此，恒温风速计的出现成为热线技术进一步发展的重要标志。恒温热线风速计测风速基本原理是根据热线产生的热量与直耗散的热量相等，在没有其他形式的热交换条件下，得出加热电流在热线中产生的热量应等于热线与周围介质的热交换进行的。根据king公式，近似得到换热表面的努塞尔数与雷诺数之间的关系，再由换热系数得到热线处流速的大小和方向。根据其工作模式的不同主要分为恒流式热线风速仪、恒温式热线风速仪和恒压式热线风速仪。恒温式热线风速仪的主要元件有惠斯通电桥和反馈补偿网络，其原理图如图1所示。通过保持热线电阻在流场中的温度不变，当风速变化时，引起流经热线电阻的电流发生变化，从而引起两端的电压发生变化。通过设定热线的工作过热比确定温度保持恒定的点。其反馈的流程为：当风速增大时，热线电阻上的热量减少，导致其电阻减小，因而E12增大，引起输出电压E0增大，使流经热线电阻的电流增大，热线电阻产生的热量增加。在其动态过中，保持热线电阻的温度不变。因此根据以上原理，设计和发明一种热线风速风向测速仪具有积极的现实意义。

实用新型内容

本实用新型针对上述问题，公开了一种热线风速风向测速仪，可利用风速计进行层流风向测量，并且实现同时测量风速和风向。

具体的技术方案如下：

一种热线风速风向测速仪，包括测量装置、电桥、信号转换器、电源以及微计算机，所述测量装置包括风向测量部和风速测量部，所述风向测量部包括安装架以及设置在安装架上的四个第一热线探头，所述安装架呈“十”字形结构，安装架中心设有固定座；安装架四周末端均设置一个所述第一热线探头，第一热线探头呈中空的长方体结构，第一热线探头左右两端均设有导电接头，两个导电接头均与电桥相连接，第一热线探头内横向设有一根热线电阻丝，热线电阻丝两端分别与两个导电接头连接，第一热线探头一端表面设有进风端，另一端表面为封闭端，第一热线探头的两个侧面开设有出风口，使得风从进风端进入到第一热线探头内腔与热线电阻丝接触后从两侧的出风口排出；所述风速测量部包括安装杆，所述安装杆一端垂直设置在固定座一侧中心，安装杆另一端设置第二热线探头，所述第二热线探头与第一热线探头的不同之处在于，第二热线探头位于所述进风端的相对一端为开口端；电源用于给第一热线探头和第二热线探头供电，且第一热线探头和第二热线探头通过电桥与信号转换器的模拟信号端口连接，信号转换器与微计算机相连接。

进一步的，所述进风端由若干个孔洞排列组成。

进一步的，所述安装架四周的第一热线探头的安装方向和位置均一致。

进一步的，所述固定座呈圆柱形结构。

进一步的，所述安装杆一端设有转动座，所述转动座转动设置在固定座一侧中心。

进一步的，所述第一热线探头均通过胶粘的方式固定在安装架四周末端。

工作原理：风吹过热线风速仪的第一热线探头和第二热线探头时，将带走热线电阻丝上的热量，从而引起热线电阻丝电阻的变化。电桥测得热线电阻丝的电阻变化量，并发送给信号转换器转换成电信号，再将电信号发送给微计算机，并将该电信号通过热平衡原理折算成风速的大小。

本实用新型的有益效果体现在：

本实用新型采用十字形结构安装架分别设置四个第一热线探头，利用四个第一热线探头中热线电阻丝电阻的变化，再通过比较四个热线电阻丝的电阻变化量，即可精准的测出风向的角度，实现了风速和风向的测量。

附图说明

图1为恒温式热线风速仪原理图。

图2为本实用新型中测量装置的结构图。

图3为本实用新型中测量装置的立体图。

图4为本实用新型中第一热线探头的结构示意图。

图5为本实用新型中风向测量部结构示意图。

图6为本实用新型的工作原理图。

风向测量部1、安装架11、固定座12、第一热线探头13、导电接头131、热线电阻丝132进风端133、封闭端134、出风口135、风速测量部2、安装杆21、转动座22、第二热线探头23、开口端231、电桥3、信号转换器4、电源5、微计算机6。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本实用新型进行进一步描述，任何对本实用新型技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本实用新型保护范围。本实用新型中所提及的固定连接，固定设置均为机械领域中的通用连接方式，焊接、螺栓螺母连接以及螺钉连接均可。

在本实用新型创造的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图2-6所示，一种热线风速风向测速仪，包括测量装置、电桥3、信号转换器4、电源5以及微计算机6，所述测量装置包括风向测量部1和风速测量部2，所述风向测量部1包括安装架11以及设置在安装架11上的四个第一热线探头13，所述安装架11呈“十”字形结构，安装架11中心设有固定座12；安装架11四周末端均设置一个所述第一热线探头13，第一热线探头13呈中空的长方体结构，第一热线探头13左右两端均设有导电接头131，两个导电接头131均与电桥3相连接，第一热线探头13内横向设有一根具有加热电流的热线电阻丝132，热线电阻丝132两端分别与两个导电接头131连接，第一热线探头13一端表面设有进风端133，另一端表面为封闭端134，第一热线探头13的两个侧面开设有出风口135，使得风从进风端133进入到第一热线探头13内腔与热线电阻丝132接触后从两侧的出风口135排出；所述风速测量部2包括安装杆21，所述安装杆21一端垂直设置在固定座12一侧中心，安装杆21另一端设置第二热线探头23，所述第二热线探头23与第一热线探头13的不同之处在于，第二热线探头23位于所述进风端133的相对一端为开口端231；电源5用于给第一热线探头13和第二热线探头23供电，且第一热线探头13和第二热线探头23通过电桥3与信号转换器4的模拟信号端口连接，信号转换器4与微计算机6相连接，热线风速仪探头的信号经过电桥3转换后，信号转换器4采集电桥3输出的模拟信号，转换成数字信号并发送给微计算机6。

进一步的，所述进风端133由若干个矩形孔洞排列组成。

进一步的，所述安装架11四周的第一热线探头13的安装方向和位置均一致。

进一步的，所述固定座12呈圆柱形结构。

进一步的，所述安装杆21一端设有转动座22，所述转动座22转动设置在固定座12一侧中心。

进一步的，所述第一热线探头13均通过胶粘的方式固定在安装架11四周末端。

测量风速原理：风吹过热线风速仪的第一热线探头13和第二热线探头23时，将带走热线电阻丝132上的热量，从而引起热线电阻丝132电阻的变化。电桥3测得热线电阻丝132的电阻变化量，并发送给信号转换器4转换成电信号，再将电信号发送给微计算机6，并将该电信号通过热平衡原理折算成风速的大小。

测量风向原理简述如下：

如5图所示，先对四个第一热线探头进行标号区分，分别为1、2、3、4，其中1和2位于同一直线上，3和4位于同一直线上。

(1)当风从3→4方向吹过，即沿3、4第一热线探头的轴向吹过，3、4探头与风的接触面积小，因此散失的热量相对较小，温度降低较小，引起的可测信号的变化量ΔV3,ΔV4较小。对于1、2第一热线探头而言，风是沿其径向吹过。1号第一热线探头封闭端在上部，则从3→4方向吹来的风对1号探头影响较小，即相当于背风的状态。2号第一热线探头与风的接触面积大，因此散失的热量相对较大，温度降低较大相当于迎风的状态，引起的可测电信号的变化量ΔV1较小，ΔV2较大。

(2)同理，当风从1→2方向吹过，风经1、2第一热线探头轴向吹过，1、2探头与风的接触面积小，因此散失的热量相对较小，温度降低较小，引起的可测电信号的变化量ΔV1、ΔV2较小。风经3、4第一热线探头径向吹过，3、4探头与风的接触面积大，因此散失的热量相对较大，温度降低较大，但4探头相当于背风，因此，引起的可测电信号的变化量ΔV3较大，ΔV4较小。

(3)通过比较ΔV1,ΔV2,ΔV3,ΔV4的相对大小关系，即可判断风的方向。例如，在测量误差范围内ΔV1＝ΔV2＜ΔV3，风向为1→2；ΔV1＝ΔV2＜ΔV4，风向为2→1。

(4)当风从(1-3)间吹向(2-4)时(斜吹过来，一三象限到二四象限)，由图5可知，ΔV1,ΔV4较小，ΔV2,ΔV3相对较大。若ΔV3＞ΔV2，风向小于45度(角度为风与第一热线探头1的夹角)；若ΔV2＞ΔV3，风向大于45度。我们依据测得的数值大小，通过演算，可精确确定风向的角度。

(5)当风从(2-4)间吹向(1-3)时，由图5可知ΔV1,ΔV4较大，ΔV2,ΔV3相对较小。若ΔV1＞ΔV4，风向大于225度；若ΔV4＞ΔV1风向小于225度。我们依据测得的数值大小，通过演算，可精确确定风向的角度。

(6)其余风向的测定，可通过以上算法推演。采用以上的结构，即可精准的测出风向的角度。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种热线风速风向测速仪，包括测量装置、电桥(3)、信号转换器(4)、电源(5)以及微计算机(6)，其特征在于，所述测量装置包括风向测量部(1)和风速测量部(2)，所述风向测量部(1)包括安装架(11)以及设置在安装架(11)上的四个第一热线探头(13)，所述安装架(11)呈“十”字形结构，安装架(11)中心设有固定座(12)；安装架(11)四周末端均设置一个所述第一热线探头(13)，第一热线探头(13)呈中空的长方体结构，第一热线探头(13)左右两端均设有导电接头(131)，两个导电接头(131)均与电桥(3)相连接，第一热线探头(13)内横向设有一根热线电阻丝(132)，热线电阻丝(132)两端分别与两个导电接头(131)连接，第一热线探头(13)一端表面设有进风端(133)，另一端表面为封闭端(134)，第一热线探头(13)的两个侧面开设有出风口(135)，使得风从进风端(133)进入到第一热线探头(13)内腔与热线电阻丝(132)接触后从两侧的出风口(135)排出；所述风速测量部(2)包括安装杆(21)，所述安装杆(21)一端垂直设置在固定座(12)一侧中心，安装杆(21)另一端设置第二热线探头(23)，所述第二热线探头(23)与第一热线探头(13)的不同之处在于，第二热线探头(23)位于所述进风端(133)的相对一端为开口端(231)；电源(5)用于给第一热线探头(13)和第二热线探头(23)供电，且第一热线探头(13)和第二热线探头(23)通过电桥(3)与信号转换器(4)的模拟信号端口连接，信号转换器(4)与微计算机(6)相连接。

2.如权利要求1所述的一种热线风速风向测速仪，其特征在于，所述进风端(133)由若干个孔洞排列组成。

3.如权利要求1所述的一种热线风速风向测速仪，其特征在于，所述安装架(11)四周的第一热线探头(13)的安装方向和位置均一致。

4.如权利要求1所述的一种热线风速风向测速仪，其特征在于，所述固定座(12)呈圆柱形结构。

5.如权利要求4所述的一种热线风速风向测速仪，其特征在于，所述安装杆(21)一端设有转动座(22)，所述转动座(22)转动设置在固定座(12)一侧中心。

6.如权利要求1所述的一种热线风速风向测速仪，其特征在于，所述第一热线探头(13)均通过胶粘的方式固定在安装架(11)四周末端。

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