搖桿式風(fēng)速風(fēng)向儀

王魏魏 宿忠娥 朱實(shí)強(qiáng)

摘 要：風(fēng)速風(fēng)向儀主要有兩種，一種是風(fēng)杯式風(fēng)速風(fēng)向儀，存在的缺點(diǎn)是體積大，旋轉(zhuǎn)部件長(zhǎng)期會(huì)造成磨損，另一種就是超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，存在的缺點(diǎn)就是成本高，技術(shù)復(fù)雜，國(guó)內(nèi)技術(shù)被國(guó)外所壟斷，搖桿式風(fēng)速風(fēng)向儀優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，采用球形鉸鏈機(jī)構(gòu)，縮小了體積，設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，成本低，可以在惡劣天氣工作等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：搖桿；風(fēng)速風(fēng)向儀；球形鉸鏈

中圖分類號(hào)：P412.16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0019-02

Abstract： There are mainly two kinds of wind speed and direction meter： one is the wind cup type wind speed and direction meter， with its disadvantage being that the volume is large and the rotating parts will cause wear for a long time； the other is the ultrasonic wind speed and direction meter， the shortcomings of which are high cost and complex technology， and the domestic technology is monopolized by foreign countries. The rocker wind speed and direction meter has been optimized in structure， with a spherical hinge mechanism， a reduced volume， a simplified design principle， and low cost， and it can work in bad weather.

Keywords： rocker； wind speed and direction meter； spherical hinge

引言

風(fēng)速風(fēng)向儀是建筑機(jī)械、鐵路、港口、碼頭、電廠、氣象、索道、環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖等領(lǐng)域用于測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的智能風(fēng)速傳感報(bào)警儀器。風(fēng)能作為一種無污染的可再生能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，風(fēng)力發(fā)電業(yè)成為新能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟，最具發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)。隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了風(fēng)速風(fēng)向儀的大量應(yīng)用。風(fēng)電場(chǎng)的宏觀、微觀選址，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過程中通常由風(fēng)速風(fēng)向儀來進(jìn)行測(cè)風(fēng)。因此，準(zhǔn)確可靠的風(fēng)速風(fēng)向儀對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。

1 設(shè)計(jì)原理

搖桿式風(fēng)速風(fēng)向儀，用于測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的裝置，包括用來測(cè)風(fēng)速風(fēng)向的一體的遙桿機(jī)械裝置和信號(hào)采集電路。其中，搖桿機(jī)械裝置包括：球形鉸鏈杠桿、手柄、殼體、支架、受風(fēng)體，地腳螺栓；信號(hào)采集電路包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、環(huán)形壓力應(yīng)變片、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、138譯碼器模塊、觸點(diǎn)、可充電電池、太陽能電池、液晶顯示模塊、開關(guān)、指南針、印刷電路板，加熱電阻，數(shù)據(jù)傳送線路。

設(shè)計(jì)原理圖（見圖1）。

如圖1所示：1、受風(fēng)體2、球形鉸鏈3、壓力環(huán)4、環(huán)形壓力應(yīng)變片5、觸點(diǎn)環(huán)6、觸點(diǎn)7、單片機(jī)等電子元件8、電路板9、外殼10、支架。

2 工作原理

風(fēng)速風(fēng)向儀安裝在被測(cè)量的環(huán)境中，當(dāng)風(fēng)從某一角度吹來，會(huì)作用在受風(fēng)體上，受風(fēng)體受到空氣阻力的作用，在力的作用下，受風(fēng)體會(huì)偏向力作用的方向。在球形鉸鏈的支撐作用下，因?yàn)槭茱L(fēng)體和壓力環(huán)連接在球形鉸鏈的兩頭，因此受風(fēng)體和壓力頭會(huì)相反的轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)杠桿的作用。

壓力頭在杠桿的作用下，會(huì)觸碰到周圍的環(huán)形壓力應(yīng)變片，根據(jù)杠桿受到的力的大小不同，環(huán)形壓力應(yīng)變片受到的力也是和風(fēng)速的大小成正比，環(huán)形壓力應(yīng)變片在不同的力的作用下，阻值會(huì)發(fā)生非線性的變化。

通過模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊的作用，將環(huán)形壓力應(yīng)變片兩端的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳送到單片機(jī)中。

環(huán)形壓力應(yīng)變片電阻的非線性的變化通過程序?qū)Ψ蔷€性變化的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合出一條多次項(xiàng)關(guān)系式，將該多項(xiàng)關(guān)系式通過程序的方式寫入到單片機(jī)的程序當(dāng)中，通過單片機(jī)的程序計(jì)算將風(fēng)速的大小計(jì)算出來。

觸點(diǎn)環(huán)是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，安裝在壓力環(huán)的下部，和壓力環(huán)的原理一樣，會(huì)在杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)中觸碰到觸點(diǎn)，把電路導(dǎo)通。

通過38譯碼器將8路的觸點(diǎn)信號(hào)匯集成三路信號(hào)，單片機(jī)將從38譯碼器中的信號(hào)解譯出來，對(duì)比內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)后輸出對(duì)應(yīng)的方位角。

溫度傳感器采集風(fēng)速風(fēng)向儀內(nèi)部的溫度，控制加熱元器件進(jìn)行有需要的工作，保證風(fēng)速風(fēng)向儀內(nèi)部的溫度保持在一個(gè)小范圍的變化，確保環(huán)形壓力應(yīng)變片電阻不會(huì)發(fā)生較大的變化。

3 原理補(bǔ)充

如圖2所示，1、球體2、座臺(tái)，兩個(gè)組合而成球形鉸鏈，之間保持潤(rùn)滑滑動(dòng)，摩擦力很小。3、環(huán)形壓力應(yīng)變片4、壓力環(huán)，在風(fēng)的作用下，球形鉸鏈做杠桿運(yùn)動(dòng)，壓力環(huán)就會(huì)朝著風(fēng)相反的方向運(yùn)動(dòng)，碰到環(huán)形應(yīng)變片，應(yīng)變片受到壓力，阻值會(huì)發(fā)生非線性變化，單片機(jī)根據(jù)非線性變化的曲線擬合成一個(gè)高次方程，并計(jì)算出風(fēng)力的大小。5、觸點(diǎn)6、觸點(diǎn)環(huán)7、電路板，在電路板上，圍繞觸點(diǎn)環(huán)分布了很多個(gè)觸點(diǎn)（對(duì)于精度要求更高的則需要更多的觸點(diǎn)），每個(gè)觸點(diǎn)之間都絕緣，觸點(diǎn)環(huán)觸碰到每個(gè)觸點(diǎn)的時(shí)候，就會(huì)相應(yīng)的導(dǎo)通電路，每個(gè)觸點(diǎn)在地址里面都有一個(gè)編號(hào)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)導(dǎo)通的觸點(diǎn)去輸出當(dāng)前的風(fēng)向。

4 注意事項(xiàng)

受風(fēng)體采用不銹鋼材料做成的空殼結(jié)構(gòu)，在球體上部和下部所連接的零部件的重量分配如下：（1）觸點(diǎn)環(huán)和壓力環(huán)的重量之和略大于受風(fēng)體的重量，使測(cè)風(fēng)裝置保持豎直狀態(tài)；（2）整體的質(zhì)量不能太大，可以降低啟動(dòng)風(fēng)速。

壓力環(huán)與環(huán)形壓力應(yīng)變片之間的間隙不能太大也不能太小，觸點(diǎn)環(huán)與觸點(diǎn)之間的間隙也不能太大，同時(shí)觸點(diǎn)具有彈性，且勁度系數(shù)不大，觸點(diǎn)環(huán)與觸點(diǎn)之間的間隙小于壓力環(huán)與環(huán)形壓力應(yīng)變片之間的間隙，保證測(cè)到風(fēng)速的時(shí)候也能測(cè)到風(fēng)向。

5 電路圖的設(shè)計(jì)（圖3）

6 兩觸點(diǎn)間的信號(hào)處理

觸點(diǎn)環(huán)是觸碰觸點(diǎn)導(dǎo)通電路進(jìn)行工作的，但是在觸碰觸點(diǎn)的時(shí)候會(huì)發(fā)生兩種情況，第一種就是觸點(diǎn)環(huán)和一個(gè)觸點(diǎn)接觸，單片機(jī)則根據(jù)觸電的地址判斷風(fēng)向；第二種就是觸點(diǎn)環(huán)同時(shí)觸碰到兩個(gè)相鄰的觸點(diǎn)，觸點(diǎn)環(huán)在兩者之間，這時(shí)候系統(tǒng)就會(huì)算這兩個(gè)觸點(diǎn)的地址對(duì)應(yīng)方位角的中間值。

7 設(shè)備分類

搖桿式風(fēng)速風(fēng)向儀主要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但是對(duì)于戶外測(cè)風(fēng)人員來說也需要一個(gè)好用的儀器，所以把風(fēng)速風(fēng)向儀分成了兩類，一類是便攜式的，測(cè)風(fēng)人員在戶外使用型的；另一類是固定式的，主要安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。

兩者的區(qū)別如表 1所示：

便攜式搖桿式風(fēng)速風(fēng)向儀液晶顯示屏與單片機(jī)連接，輸出即時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向信息。指南針是為了定位當(dāng)?shù)氐姆轿唤?，給單片機(jī)一個(gè)參考信號(hào)，將風(fēng)速風(fēng)向儀水平旋轉(zhuǎn)直到指南針指向S極時(shí)，此時(shí)的風(fēng)向就是風(fēng)的實(shí)際風(fēng)向。表面的太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，供給風(fēng)速風(fēng)向儀的電路的電能消耗?？沙潆婋姵貙⑻柲茈姵厮a(chǎn)生的電存儲(chǔ)起來，供給風(fēng)速風(fēng)向儀的電路的電能消耗。

固定式搖桿式風(fēng)速風(fēng)向儀的四個(gè)地腳螺栓用于調(diào)平儀器的水平狀態(tài)，信號(hào)輸出采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)通信協(xié)議與波特率。

8 優(yōu)勢(shì)

球形鉸鏈作為旋轉(zhuǎn)體，相比于風(fēng)杯式風(fēng)速風(fēng)向儀沒有非常強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)了使用壽命。將測(cè)風(fēng)速大小與測(cè)風(fēng)速方向融為一體，與風(fēng)杯式風(fēng)速風(fēng)向儀相比，減小了體積。采用成熟的單片微機(jī)作為信號(hào)處理核心，不采用像超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀等復(fù)雜的技術(shù)，降低了成本，減少了故障發(fā)生率，總體而言，具有更高的性價(jià)比。

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