风速设计（共9篇）
风速设计 篇1
气象数据采集监视在各行各业应用广泛，特别在当今提倡旅游经济时代，通过对气象数据的采集监视，对于保障旅游安全、提高旅游管理水平有非常重要的参考指导作用。本风速风向气象数据检测系统被应用在旅游景区的索道管理中，通过对高空索道整个线路上风速风向仪检测数据的采集并进行监视，对超过警示数据进行报警，为高空索道是否能安全发车运行提供决策参考，从而保证索道在安全的气象条件下运行。
1 背景
某景区有一往复式索道，索道缆索用多个支架支撑，上站和下站落差很大，风速风向对索道车安全运行影响很大。该索道系统本身含有一个风速风向系统，但其只能监测上站风速风向数据，且数据不保存，无法传递信息到总控站。为保障运输安全，用户希望开发一个风速风向采集监视系统，实时采集索道关键支架区域的风速风向数据并能进行图形显示，其数据作为能否发车的主要依据，采集的风速风像数据保存在数据库。
2 系统架构
风速风向仪安装在支架上，统一编址, 通过无线方式连接上下站收发器。采集计算机放置在总控站，计算机COM口外接RS-232-RS-485转换器, 通过485总线连接上站收发器。采集程序采用周期轮询方式询问风速风向仪，获取其监测数据，然后通过udp协议发送给中心监视器并存储于数据库中。中心监视器通过图形化的界面显示风速风向数据，并能实时报警。远程监控端通过读取数据库中最新记录显示每个监测点的风速风向数据(可以有两种显示模式：表格式和图形式)。系统架构如图1所示。
串口接口参数：通讯速率9600波特，8位数据位，1位停止位，无校验位。
通讯协议：主机发送被采集风速风向仪地址码：Ax;被采集风速风向仪应答：4EXXXXEXXXX0A0D;
3 主要软件功能模块
1)采集服务器软件：采集服务器计算机通过RS-232转RS-485连接收发器，收发器再通过无线方式连接多台风速风向仪。采集服务器软件通过定时轮询读取风速风向仪的风速风向数据，读取后通过udp协议快速发给中心监视器计算机，并同时将读取的数据送往数据库服务器存储。
2)中心监视软件：中心监视器软件通过udp协议接收采集服务器发来的数据，并用图像化的界面实时显示每个风速风向仪的数据，并对超过警示的数据采用颜色和声音报警。
3)远程监视软件：远程监视器软件通过读取数据库中最新纪录，以图形化的界面显示每个风速风向仪的风速风向数据，并对超过警示的数据采用颜色和声音报警。
4 采集服务器软件
4.1 采集服务器软件分析
对采集服务器软件需求分析后，描绘系统的组成单元包括定时单元，串口发送单元，串口接收单元，协议编解码单元，显示单元，存储单元，参数配置单元，安全认证单元，采集控制单元等。
工作流程为：定时系统启动一次批采集，采集控制询问A1风速风向仪，等待其返回监测数据。等待时间为n毫秒, 若收到数据, 则解码写入接收缓存区尾部, 发送信号启动保存处理, 自己立即返回继续轮询下一个风速风向仪。若等待超时, 则修改特定标志, 继续轮询下一个风速风向仪, 直到完成本次轮询。同时, 存储单元在等待保存信号, 一旦收到该信号, 其从缓存队列头部取得数据保存到数据库。
4.2 采集服务器软件结构
如图2所示, 串口发送单元和串口接收单元合并为串口通讯单元, 可使用现有的SPCOMM组件。从工作过程分析，COM口发送、接收、采集数据存储等功能单元互不相关，为提高系统实时性和效率，采用多线程技术，存储功能同系统其他功能由不同线程完成。为了保证它们操作的正确次序(发--收--存)和对共享资源正确访问，必须采用线程同步技术。
4.3 SPCOMM串口通讯组件
Spcomm是一个Delphi串口组件，由Small-Pig Team开发，该组件封装了与串口通信相关的属性及事件，提供了对串口的相关操作，具有编程简单、通用性强、可移植性好等特点，是一个在Delphi软件开发中被广泛应用的串口通信组件。
4.4 多线程及线程同步技术
在本程序中，存储功能和COM通讯等工作在不同的线程，以提高实时性。PC机查询数据发送后，调度功能使用WaitForSingleObject函数进入等待状态，直到接收到有效数据事件内核对象变为已通知状态或等待超时。存储功能由另一个线程完成, 该线程平时处于等待状态，无限期等待二个事件中任一个发生, 一个是调度线程激发的数据保存事件, 当接收到数据后，调度线程将保存事件内核对象变为已通知状态后, 存储线程退出等待状态，从数据共享缓存队列, 从其头部取出数据, 调用存储过程将数据保存到数据库指定的表中。另一个是终止运行事件, 当主程序关闭时, 调度将终止事件内核对象变为已通知状态, 存储线程退出等待状态。
5 中心监视软件
中心监视软件使用多线程与采集服务器进行udp通信，使用绘图函数，将风速风向数据以图形化的方式显示。一台机器可以通过设置有选择的监视多个风速风向仪的数据，并根据报警参数设置实时报警。如果监测点较多，可以使用多台机器对不同地点的风速风向议进行监视，从而达到监视覆盖全网的目的。
5.1 udp代码举例
5.2 风速风向监视图
图3为风速风向监视图。
6 结束语
该系统已投入运行，现有8个采集点，每点采集时间为200ms，一个周期设为2s, 现系统工作正常。
摘要：该系统使用delphi7.0和SPCOMM组件开发一个风速风向多点采集软件, 使用c#开发监视软件, 其中采用了多线程、线程同步和udp协议传输技术以实现最大程度的实时性, 系统已投入使用。
关键词：SPCOMM,多线程,线程同步,C#
参考文献
[1]Robinson S.C#高级编程[M].北京:清华大学出版社, 2002.
[2]Richter J.Windows核心编程[M].北京:机械工业出版社, 2000.
[3]邱庆生.版主答疑—Delphi高级编程技巧[M].北京:清华大学出版社, 2000.
风速设计 篇2
在径赛裁判长及跳远三级跳远主裁判的领导下，保证按规则规定，及时准确地测定有关项目，并及时显示公告和记录测量结果。
工作方法：
1、赛前我们认真学习田径竞赛规则，竞赛规程和大会相关文件。了解有关项目的竞赛日程及参赛具体情况，进行了分工和具体计划，并切实做好赛前的现场实习工作。
2、赛中按大会规定的时间到达比赛场地，调试机器，准备所需文具，确认无误后准备工作。
3、田赛在比赛前10分钟按规则规定设置好风速测定时间，比赛开始测风速，每次试跳测定后迅速准确填写风速记录表，及时传输数据，比赛结束后立即上交风速记录表给跳远、三级跳远主裁判，与成绩记录表一起上交竞赛秘书处，以便查询。
闭环恒温式热线风速传感器的设计 篇3
关键词：热线风速传感器,恒温,温度补偿,线性化
0 引言
在工业生产、家用电器等诸多领域,空气流速(流量)都是一项重要的检测指标。汽车电子控制燃油喷射装置上,空气流量传感器是决定系统控制精度的重要部件之一,目前各种空调、抽油烟机等家用电器大量进入日常生活,各种空气调节设备大量涌现,厂家和技术监督部门需要对其进行监测。热线式风速传感器具有测量准确度高、动态响应时间短等优点,可以很好地解决各种风速检测问题。
1 数学模型的建立
当一个被加热的物体置于流体中,则该物体的热量损失随流体的流动速度增加。如果以电的方式以已知功率对该物体进行加热,那么它将达到一个由气流冷却速度所确定的温度。
我们采用热电阻作为加热对象,由于温度的变化引起热电阻本身阻值的改变,从而可以通过桥路建立流体速度与桥路输出电压的数学模型,利用此原理进行风速的测量。
图1在测量管路中采用金属铂电阻,金属铂的熔点高、延展性好,性能稳定,800℃以下,温度系数误差极小,可以忽略温度对本身影响。
对于有限长的热线,热损耗大部分经过对流传到流体,过程中的热辐射可以忽略不计,而经过热传导传到支撑叉子的热可以通过标定加以补偿[1]。因此由热线热耗散规律,对流换热量Q可以表示为
Q=πdhl(TH-Tf) (1)
其中:d为热线直径;h为对流换热系数;l为热线长度;TH为热线温度;Tf为流体温度。根据热工学有努塞尔数Nu(Nu=hl/λ)及King公式(Nu=A+B·Re0.5),在强制对流的冷却作用下,发热元件在单位时间内的热量耗散与空气温差ΔT成正比。即H=hSΔT[2]。综合以上公式可得热线热耗散率表示为
H=πdλf(A+BRe0.5)(TH-Tf) (2)
其中:λf为流体热传导率;
Re=ρvd/μ (3)
于是undefined(4)
式中:C0, C1为常数,与热线的结构参数有关;ρ为流体密度,υ为流体速度。
而热线单位时间内产生的焦耳热为W=IH2RH,当达到热平衡时,即有
undefined(5)
由此看出风速υ在环境温度固定的情况下,仅是流体温度TH与热线电流IH的函数。即有
v=g(TH, IH) (6)
a) 电流IH固定,则v=g(TH),可根据热线温度TH测量流速υ。这种工作方式即为恒流工作方式。
b) 热线温度TH恒定,则v=g(IH),根据流经热线的电流IH,得到风速υ即为恒温工作方式。
恒温法的反馈过程进行得非常迅速,适用于流速的动态检测。本文设计了一种闭环式恒温风速测量方法。
2 恒温工作方式的基本测量电路
2.1 闭环式恒温反馈电路设计
恒温法把热线接到电桥的一个臂上,通过快速反馈,确保热线温度恒定。其基本思路是:流体流过热线→热线温度降低→电阻值下降→电桥失去平衡→输出一个不平衡的信号→不平衡的信号放大反馈到电桥→改变热线加热电流→提高它的温度和电阻使其恢复原来大小→电桥恢复平衡。
图2为恒温反馈电路,其中R1, R2, R3为精密电阻,RH为铂电阻。电桥开始处于平衡态,即对一定流速,有V+=V-。现假设气流速度增加,使热线冷却,则RH减小,使V-下降。于是放大器输出端Vout变大,使ib增加,即使ic增加。由于热线电流增加,热线被加热,直至电桥再度平衡,这一过程是瞬时发生的。
2.2 带有温度补偿的实用电路设计
图3是带有温度补偿功能的恒温测量电路,在恒温反馈环节,采用A1, A2, A3与三极管Q构成有大电流输出的低漂放大器,实现将有风与无风时的电桥输出电压的放大。放大关系如下:
undefined(7)
热线式风速传感器在使用过程中,要求其使用环境温度要与其所标定的环境温度一致,如果二者温度差超过±5℃,那么传感器应在被使用的环境温度之下重新标定。为此必须进行温度补偿。与图2相比,图3所示电路中在电桥-臂采用并联串联方式。其中的Rt为对温度敏感的元件,也采用铂丝,与热线RH置于相同的流场中,并且与热线具有相同的温度系数。在制造上可使Rt做成具有较大面积的线圈。使得电桥电流通过时,不至于被加热到对流量敏感的地步。电桥平衡时满足undefined,由此选定Rt后,即可确定Rb, R0规格。
测量输出电压UO=kV+ (8)
undefined(9)
将式(8)、式(9)代入公式(5),可得
undefined(10)
图4是用Matlab仿真的关系曲线,风速测量范围一般为0～20m/s。
3 非线性特性线性化
由仿真曲线和式(10)可知测量电路输出电压UO与风速v是非线性关系,给测量和标定带来困难,需要引入线性化环节。这里采用非线性反馈补偿法[3]。
在图5非线性反馈补偿的方框图中,有:
消去中间量v, U1, ΔU,可得非线性反馈环节的非线性特性表达式
undefined(12)
据此可以设计非线性反馈环节。
4 影响风速传感器灵敏度因素分析
a) 环境温度。由于电路中采用相同的铂电阻用作温度补偿,因此环境温度的变化在一定范围内对风速测量影响可以忽略。从这个角度看,这种风速测量的精度较高。
b) 气体相对湿度。从公式undefined来看,气体密度的变化对测量有影响。查阅相关资料,气体相对湿度的变化,反应到气体密度的变化上,当相对湿度从30%升至100%时,密度变化不到1%,因此相对湿度对风速测量的影响可以忽略不计。
c) 气体的密度反映在压力的变化上,对传感器风速的影响很大,当压力从0.1MPa下降到0.0275MPa时,传感器输出的风速下降80%以上。[4]
5 结论
热线在对流热交换下,建立了风速测量的数学模型、设计具有温度补偿的检测电路。提出了运用非线性反馈处理输出电压与风速的关系。在汽车工业,可用于检测进入发动机的空气量,为发动机提供准确喷油量;可以进行空调室内空气质量与通风节能的最佳控制,适用各种可燃性气体的速度流量检测。
参考文献
[1]王伯雄.测试技术基础[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2]傅秦生,何雅玲,赵晓明.热工基础与应用[M].北京:机械工业出版社,2001.
[3]张洪润,傅谨新.传感器应用电路200例[M].北京:北京航空航天大学,2006.
GFW15风速传感器 篇4
一 产品概述：
GFW15风速传感器是安装分站后必备的一种传感器，用于煤矿井下各种主要的测风巷道及风口，主扇风机井口等处的风速检测，以确保煤矿的安全生产。GFW15风速传感器是一种井下测量风速的智能型的检测仪表，使用方便，能与各种煤矿安全监测系统配套使用。传感器实现了全数字化设计。王秋杰――18653763328
二 产品说明：
GFW15风速传感器采用200-1000Hz的频率输出方式，可与国内各种监控分站配套使用，测量风速的范围是0.4m/s～15m/s 。
GFW15风速传感器是这样工作的`：风速探头选用稳定性良好的超声波元件，超声波被风速调制解调后经波形整形电路处理后输出与风速对应的频率信号，再送给单片机电路进行运算处理，然后输出对应的频率信号、并进行风速值的就地显示。单片机将程序存储器、数据存储器、微处理器以及输入输出接口融为一体，性能好，可靠性高。
三 GFW15风速传感器的主要技术参数：
防爆标志：ExibⅠ
测量范围：0.4m/s～15m/s
误差范围：≤+0.3m/s
输出信号：200-1000Hz
传输距离：≤2km
显示方式：4位LED显示
显示分辨率：0.1m/s
工作电压：DC 9～24V
风速设计 篇5
风速风向测量是气象监测的重要组成部分,测量风速风向对人类更好地研究及利用风能和改善生活生产有积极的影响。
本系统针对传感器的特点选用了L P C 9 2 1单片机,通过I/O口输出高低电平,通过放大电路驱动继电器,控制传感器电源的开关。利用单片机的两个通用定时计数器,对风速脉冲进行定时和计数,通过计算单位时间内的脉冲数计算出风速。风向则是检测输入的风向格雷码,将格雷码转换成二进制码,通过查表的方式求出风向角度,最终确定风向。最后设计RS485通信协议,保证通信可靠性,将风速风向数据送往上位机进行显示和发布。
2 传感器工作原理
本系统采用长春气象仪器研究所的E C 9-1系列高动态性能测风传感器。E C 9-1系列传感器具有动态性能好、线性精度高、灵敏度高、测量范围宽、互换性好、抗风强度大等特点。
风速传感器的感应组件为三杯式风杯组件,当风速大于0.4m/s时就产生旋转,信号变换电路为霍尔集成电路。在水平风力驱动下风杯组旋转,通过主轴带动磁棒盘旋转,其上的数十只小磁体形成若干个旋转的磁场,通过霍尔磁敏元件感应出脉冲信号,其频率随风速的增大而线性增加[1]。
计算公式:V=0.1F
V:风速,单位:m/s;F:脉冲频率,单位:Hz
风向传感器的感应组件为前端装有辅助标板的单板式风向标。角度变换采用的是七位格雷码光电码盘。当风向标随风旋转时,通过主轴带动码盘旋转,每转动2.8125°,位于码盘上下两侧的七组发光与接收光电器件就会产生一组新的七位并行格雷码,经过整形、倒相后输出。方位-角度-格雷码-二进制码对照表是风向测量单片机编程的重要依据。传感器结构组成如图1所示。
3 硬件电路设计
该风速风向测量系统主要由电源模块、主控制模块、输入输出模块和通信模块4部分构成。硬件电路示意图如图2所示。
3.1 电源模块
电源包括LPC921芯片工作的3.3V电源和测风传感器工作的5 V电源。电源稳压芯片采用A S 1 1 1 7。AS1117是一个低压差电压调节器系列,其压差在1.2V输出,负载电流为8 0 0 m A时为1.2 V,有多个固定电压输出型号,包括3.3V和5V。通过电源指示、防雷、稳压和滤波处理,能够为各个芯片和传感器提供稳定的工作电源。
3.2 主控制模块和输入输出模块
P89LPC921是一款单片封装的微控制器,适合于许多要求高集成度、低成本的场合。可以满足多方面的性能要求。P89LPC921采用了高性能的处理器结构,指令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准80C51器件。P89LPC921集成了许多系统级的功能,这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。
20脚TSSOP封装的LPC921芯片,除去电源、地、晶振、复位管脚,还有15个可用I/O口。P0口的P0.0到P0.6作为风向七位格雷码的输入引脚,P1.2脚同时是定时计数器0的引脚,我们将其作为风速脉冲的输入引脚。P1.0和P1.1用作RS485通信,P1.3作为RS485通信收发控制引脚。P1.7用作继电器控制引脚,控制传感器电源的导通和关闭。同时,P0.4和P0.5也是用芯片程序下载接口,在此,用3脚跳线将P0.4和P0.5引出,使其作为复用引脚。LPC921采用ICP下载器下载程序,下载程序时要将电源和地与周围电路隔离,因此电源和地的引脚应使用2条跳线引出。
LPC921管脚可承受5V工作电压,因此5V脉冲信号和格雷码在经过防雷,滤波后可以直接接到单片机引脚上。输出部分主要是单片机输出引脚通过驱动电路控制继电器,在此,继电器选用台湾欣大继电器9 4 6 H-1 C-5 D,工作电压5 V,驱动电流7 0 m A。驱动电路三极管采用9013H,直流增益150,限流电阻R5选8.2K或5.6 K。为了防止继电器的反向感生电动势烧坏三极管甚至前边的电路比如单片机,应在继电器两端反向并联二极管,该二极管的正极应该在三极管集电极那端,负极接正5 V端。继电器的使用可以降低系统功耗,延长传感器的使用寿命。
主控制模块电路图如图3所示。
3.3 通信模块
本系统提供了两种通信方式,一种是R S 4 8 5通信,采用M A X 4 8 5 E收发器,接口电路如图3中所示。另一种是采用短距离无线方式传输,因为很多情况下,风速风向观测点距离数据处理中心并不远,采用无线传输可以节省铺线成本并提高应用的灵活性。短距离无线传输采用的是华奥通H A C-U M数传模块,传输距离可达1 0 0 0米,数据输入接M A X 4 8 5的A、B端输出,并由LPC921提供休眠控制,电源则共用系统电源模块的3.3 V或5 V电源。
4 软件设计
4.1 风速测量程序设计
由测风传感器资料可知,V=0.1 F,其中F为传感器输入到单片机的脉冲频率。将T1做为定时器,将T0作为计数器。T1与T0同时工作,如果T1定时1秒,则T0计数值即为此刻风速的10倍。由此可知最终的风速测量精度为0.1 m/s。LPC921的两个定时计数器共有5种工作模式,本系统选择模式1,即T0,T1均为16位定时器/计数器,THn和TLn级联,无预分频器。系统选用7.373MHz外部晶振,在不预分频情况下,定时计数器工作频率为:7.373/2MHz。16位的定时器在初值为0的情况下,溢出一次共计时次数为6 5 5 3 5(0x FFFFH),共计时时间为17.777ms,所以在定时器中断56次之后共计延时约1秒。
风速测量子程序流程图如图4所示。
4.2 风向测量程序设计
风向测量先测得7位格雷码的输入,通过7位输入值计算出格雷码,再通过格雷码换算成二进制码,最后通过查表法得出风向角度。
格雷码(Gray code),又叫循环二进制码或反射二进制码。格雷码属于可靠性编码,是一种错误最小化的编码方式,因为,自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号,但某些情况,例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变,使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点,它是一种数字排序系统,其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时,只有一个数位发生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。
n位格雷码转换到n位二进制码的逻辑关系式(B代表二进制码,R代表格雷码):
在C语言里面实现风向格雷码到二进制码转换程序如下:
Wind_Tbl数组里面依次存储的是二进制码对应的角度值,该值来源于方位-角度-格雷码-二进制码对照表,该表由传感器资料提供。如表1所示。
5 结束语
LPC921本身自带一个全双工的串行口,使用RS485收发器可以与外部进行485串行通信。通过编写简单通信协议,多个风速风向测量子系统都可以与PC进行数据通信。最后在PC机上编写上位机程序,定时或主动给下位机发送请求数据命令,下位机收到命令进行地址,命令类型和校验等检验后给上位机发送数据,上位机收到命令后进行校验,然后进行数据存储和显示。实践证明本系统在测量风速风向上有着较高的准确性和可靠性。
摘要：介绍了一种风速风向传感器原理,选用LPC921单片机设计了数据采集和数据传输的检测系统,给出了系统硬件电路图和软件流程图,分析了硬件设计和软件编程中的一些问题。
关键词：风速,风向,单片机,检测
参考文献
[1]冯澜,万军红.风速与风力智能测定装置的设计[J].上海电机学院学报,2005,8(3):22-23.
风速设计 篇6
1 超声波风速仪测量原理
超声波信号在流体中传播时会承载流体流动的信息, 利用时差法、多普勒法、频差法[2,3]等可以获得流体的流速和流向等信息。由于时差法原理简单, 电路易实现, 且受外界环境因素影响小, 目前大部分超声波风速仪都采用时差法对风速风向进行测量。本设计中将两对收发一体的超声波换能器正交放置, 实现对水平方向上二维风的测量。超声波时差法测量结构示意图如图1所示。每对超声波换能器之间的距离固定, 当超声波在流体中传播时, 受流体影响超声波存在顺向和逆向, 其具有一定的时间差, 通过获得该顺向和逆向的时间差就可以确定所测流体的速度和流向。
如图1所示, 设置两换能器之间的距离为L, 可得超声波在南北和东西方向上顺向和逆向的传播时间分别为t南北、t北南、t东西和t西东, 依据时差法测量原理[4], 可得到风速在直角坐标系上的风速分量如式 (1) 和式 (2) :
依据矢量计算定理, 由式 (1) 和式 (2) 可得到风速值。本设计中选择正北方向为0°方向, 按顺时针方向进行转动, 根据式 (3) 可获得当前风的风向值:
根据超声波时差法测风原理, 只需获得超声波在固定距离上顺向和逆向所传播的时间, 就可以测定流体的流速和流向。同时时差法测风可以消除温度等环境因素引起的声速变化而导致的测量错误。
2 系统总体结构设计
基于ARM-Linux和CPLD的移动式风速仪的硬件结构框图如图2所示。系统主要包括ARM主控制器单元、CPLD协处理器单元、超声波驱动电路模块、信号接收调理模块、LCD显示模块、存储模块以及超声波换能器阵列单元。
系统采用CPLD芯片EPM-570T100C5作为协处理器, 通过接收ARM处理器发出的控制命令来执行超声波信号的发送、接收及渡越时间的测量。超声波渡越时间的测量直接影响到风速仪测量结果的精确性, 本设计中CPLD外接100 MHz的晶振, 使其内部计时单元的分辨率可达到10 ns, 完全满足该系统的设计精度要求。同时CPLD具有可并发执行的特性[5], 可使CPLD在驱动超声波传感器的同时启动内部计数, 与顺序执行流程相比, 其消除了代码运行所带来的计时误差。此外, 并发执行方式可提高信号处理的速度, 使其满足实时性要求。主控制器选用ARM11芯片S3C6410来作为系统的显示、控制及运算核心, 系统通过ARM处理器发送控制命令给CPLD, 计算和存储由CPLD送入的数据, 并以可视化界面形式将风速和风向值进行显示。
超声波换能器收/发阵列将4个收发一体的超声波换能器正交放置[6]实现对二维平面上风速/风向的测量。根据换能器阵列结构的设计, 选用的超声波换能器应具有高的灵敏度和分辨率, 本设计中采用型号为FUS-200A的高频压电式超声波传感器, 其工作中心频率为200 k Hz, 对于同频率的超声波换能器的驱动电压一般为200~400 V, 而该换能器所需驱动电压为60 V, 并且其具有较低驱动功率。阵列中各超声波换能器之间保持25 cm距离。超声波换能器按次序发射一定频率的超声波信号并测量其顺向和逆向传播的时间, 通过计算可以得到所测风的风速和风向值。
2.1 系统硬件设计
2.1.1 超声波驱动电路设计
为了获得超声波换能器工作时所需的电压, 驱动电路设计中采用原/副边匝数比为42:420、型号为750 A的超声波专用升压中周变压器P2构成升压电路, 使由QU1端输入的方波控制脉冲信号能将变压器原边的低压方波脉冲升至60 V左右, 从而驱动超声波换能器发出超声波信号。图3为超声波驱动单元电路原理图。
为了保证变压器P2在处于原边的由8050三极管构成的开关电路导通时, 其副边能同时驱动超声波换能器, 同时为了使开关电路断开后能快速释放变压器中多余磁能, 防止处于“空载”状态的变压器P2存储的磁能使电感饱和而烧毁开关器件, 采用电阻和高速开关二极管1N4148构成磁通复位电路来释放磁能。在实际调试中, QU1端至少要产生16个频率为200 k Hz的脉冲方波信号才能使升压中周变压器驱动后续的超声波换能器。图4为QU1端输入16个方波脉冲信号时, 变压器副边输出的波形图像, 该信号可稳定驱动超声波换能器发出超声波信号。
2.1.2 超声波信号调理电路设计
本设计中采用包络检波法来实现对超声波回波渡越时间的测量。由超声波换能器发出的信号在传播中因环境等影响, 其信号幅值会发生变化, 但对于接收端, 其首波点与回波包络峰值之间的周期数是确定的, 通过检测回波信号包络峰值点到达的时间, 就可以确定超声波传播的渡越时间。超声波信号调理电路如图5所示。
在气体流速测量中, 当两换能器之间的距离在10 cm~50 cm时, 变压器副边的60 V脉冲信号驱动换能器发射超声波信号, 其相应接收端接收到的回波信号电压等级一般在毫伏级, 为了满足后续调理电路的输入要求, 需要在提高接收端信号的信噪比的同时对回波信号进行放大。本系统设计中选用TI公司低噪声高速运放TLE2072构成两级放大电路, 该前置放大电路将接收到的回波信号放大2 000倍左右, 放大后由运放输出的电压在±10V以内, 满足后续电路的要求。放大输出的信号经由双二极管和电容构成的包络检波电路进行处理, 获得平滑的包络信号, 使环境因素对接收回波信号的影响降到最低, 提高渡越时间测量的精度。经包络检波电路输出的信号送入由轨到轨高速比较器TLV3502构成的电压型比较电路中, 其基准电压设置为2.2 V, 可有效防止电路中噪声影响而引起的误中断触发, 包络信号经TLV3502获得数字中断触发信号, 使CPLD暂停计数, 获得超声波渡越时间。图6为实际调试过程中触发捕获到的中断信号波形图像。
2.1.3 Linux移植与界面显示
本系统设计目标板中采用Linux-2.6.38内核进行底层数据端口驱动程序和电阻触摸式LCD显示屏界面的开发, 宿主机中选择Ubuntu-9.10运行环境, 并采用ARM-Linux-gcc-4.5.1交叉编译器进行目标板代码编译[7]。由于S3C6410的BSP支持多种不同类型和不同显示分辨率的显示屏, LCD显示屏无需编写驱动模块即可显示。而对于底层数据端口驱动程序的操作则采用动态添加的方式, 无需多次编译内核。
2.2 系统软件设计
基于ARM-Linux和CPLD的移动式风速仪系统软件设计主要包括S3C6410、EPM570T100C5以及LCD液晶界面部分设计。S3C6410的软件设计主要包括端口初始化程序、LCD数据读取及显示程序、风测量控制程序、ARM与CPLD数据传输程序、SD存储程序、RS485通信程序六部分。EPM570T100C5的软件设计主要包括:端口初始化程序、计时程序、超声波发送和接收程序、CPLD与ARM数据传输程序。S3C6410采用RVDS集成开发环境进行C语言编程, EPM570T100C5在Quartus II 8.1环境下采用Verilog语言进行开发。图7为进行一次测量时的程序流程图。
3 实验结果及分析
测试采用将传统机械风杯式风速仪与本设计超声波式风速仪放置在同一风洞中进行验证测试对比, 超声波式风速仪通过LCD界面设置其平均采样间隔为20 min, 连续对其测试12 h, 来验证所设计系统的测量准确性和工作稳定性。风杯式风速仪与超声波式风速仪测量数据统计结果及对比如图8所示, 由于对于风向的准确测量要求所测风速足够大, 本设计中系统预先设置风向移动阈值, 当风向高于该阈值时才输出相应风向值, 若未超过该阈值, 则系统输出预先设置的数值。为了便于对风速仪进行分析, 这里仅统计固定时间点的风速值来进行系统稳定性及准确性分析。
由于对风速的测量属于一种不确定性测量, 可利用统计学中标准差方法对测量数值集合进行测量精确性分析, 分析测量数值是否符合预测值或对比值以及判断所设计的风速仪是否符合设计要求。利用标准差及标量平均值原理[8,9], 得到超声波式风速仪的平均值为2.56, 标准差为1.132 11;风杯式风速仪的平均值为2.896, 标准差为0.844 83。通过分析知, 超声波式风速仪测量结果接近风杯式风速仪测量数据, 其标准差数据与预测值相差较小, 可以判断本系统设计合理。
同时从图8中风杯式与超声波式风速仪测量数据直观对比结果来看, 本系统所测得的数据比较准确, 系统基本能够满足设计要求实现对风的测量, 且在长时间工作状态下, 性能稳定可靠, 在可靠性和测量精度上均能达到较高的水平。
本文基于超声波时差法设计了一种基于ARM-Linux和CPLD的移动式风速仪。重点阐述了系统工作的基本原理, 并详细介绍了系统主要部分硬件电路的设计及系统软件设计流程和方法。系统设计中充分考虑了成本、低功耗及便携式问题。实验测量结果表明, 整个系统软硬件设计合理, 测量精度可以满足实际工程需求, 解决了现有风速仪不便移动及数据显示不直观的问题, 且实现成本较低, 具有一定的实际工程应用价值。
参考文献
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风速设计 篇7
1资料来源
由于福建沿海观测台站有较完整最大风速和极大风速观测数据的年限多在2005年后,故选取2005—2011年福建沿海崇武、东山、平潭3个具有代表性的沿海大风站,以及诏安、漳浦、 厦门、晋江、秀屿、罗源、福鼎、长乐8个距离海岸40 km、分布均匀的内海代表站风速观测资料进行分析,其中风速资料缺测的日数据不作统计。由表1可以看出,各台站单站最大风速与极大风速的相关系数的值均在0.9以上,显然,两者有着明显的近似线性关系。
2线性回归分析
选择日极大风速为预报量,日最大风速为预报因子,选取不同的资料组合集,对比分析两者的线性回归关系。
假设10 min最大风速与极大风速线性关系为一元N次回归方程,即:
其中,x为最大风速,y为极大风速,ai、b为线性回归系数。
用F检验对回归方程作显著性检验。α=0.05时,分子自由度为N,分母自由度为“样本数-N-1”,查F分布表得到Fα;用相关系数r来表示,即F=(n-2) r2/(1-r2);当回归方程的F>Fα,通过显著性检验。
建立预报值的95%置信区间估计方程Y,其中为无偏估计量。
2.1单站回归分析
对2005—2010年崇武站资料进行回归分析,建立单站资料X与Y的一元一次、一元二次、一元三次回归方程,同时评估方程,并对同一资料源2011年的资料进行拟合检验。回归方程如下:
评估方程如下:
根据回归方程(2)~(4)的统计数据来看,(2)、(3) 回归方程表现较好, 对2011年资料进行试报检验,拟合效果较好,且均通过显著性检验,其他台站进行回归分析也得到同样的结果。 最大风速与极大风速的关系可由一元一次回归方程确定,获取最大风速和极大风速间的线性关系。
2.2多站回归分析
选取2005—2010年崇武、东山、平潭3个沿海大风站共6 570个样本数及诏安、漳浦、厦门、晋江、秀屿、罗源、福鼎、长乐8个内海站点共17 520个样本数,分别建立多站资料X与Y的一元一次回归方程(5)、(6),同时建立评估方程(5')、(6'),并对2011年的资料进行试报检验。回归方程如下:
评估方程如下:
对比(5)、(6)的统计数据及评估方程(5')、(6')的试报检验结果,3个沿海大风站回归方程和评估方程的误差较大,绝对误差>3 m/s,比例也较单站回归方程大,整体拟合效果较差;另外8个内海站点回归方程的统计数据和评估方程对2011年的试报检验结果表现较好,与单站资料建立的方程相比, 两者的拟合水平相当。
2.3区域平均风速回归分析
受地形和海峡“狭管效应”影响, 福建沿海南北风速存在差异,而且3个沿海大风站多站资料回归分析拟合效果较差也反映了这一点。以崇武为界进行划分,以北选崇武、平潭两站,以南选取崇武、东山两站,两站平均风速代表区域内的沿海风速,用2005— 2010年资料分别建立区域内平均风速X与Y的一元一次回归方程,同时建立评估方程。回归方程为:
评估方程为:
根据回归方程(7)拟合值与实况风速的差值(残差)逐月变化情况,可看到区域平均风速月平均差值5—8月在0.5~1.0 m/s,其余月份在±0.5 m/s内;回归方程(8)拟合与实况风速差值较稳定在0~0.5 m/s。通过残差分析可看到区域平均风速建立的回归方程的拟合效果较好,风速误差较小,回归方程和评估方程绝对误差>3 m/s的比例<1%,由台站拟合与实况风速差值曲线来看,平均风速最大差值<2.5 m/s,误差的振幅与风速大小大致呈线性比例,这一误差值在风力预报上是可接受的,大风预报误差值在风速上的比重更小,实用性更加可靠。
3结论
(1)福建沿海各站点2005—2011年日最大风速与极大风速间有较好的线性关系,且在风向上存在较好的一致性。
(2)8个内海站点建立的多站资料回归方程的统计数据和回报检验结果都较好,与单站资料建立的方程相比, 两者的拟合水平相当。
“小旋风”风速仪 篇8
准备材料:
泡沫1块、双面胶1卷、剪刀1把、铅笔1支和粘土1块(或带有橡皮头的铅笔)、图钉1个、塑料杯(或纸杯)4个、硬纸板1张。
制作过程:
①用剪刀在硬纸板上剪出两个长条形,并把它们交叉成十字,用胶带粘在一起。
(2)拿出塑料杯, 用剪刀将它们的底部剪下。
(3)将处理好的4个杯子分别粘贴在十字型纸板的4端。
(4)将铅笔直立插在泡沫板上。
(5)取少量粘土粘在铅笔的另一端上,放在一边,晾干。
(6)用图钉将十字交叉点和铅笔上的粘土(或橡皮)钉在一起。“小旋风”风速仪完成!
玩一玩、测一测:
水平弧形公路隧道临界风速研究 篇9
隧道火灾因其具有极大的危害性,愈来愈受到国内外相关科研机构的重视,较多研究机构开展了全尺寸隧道火灾实验。研究内容包括:隧道通风系统对火灾热释放速率、火灾蔓延的影响;热烟气在隧道中的蔓延及对逃生的影响;火灾探测的精确度;灭火系统对烟气蔓延、火源附近车辆和隧道内空气温度冷却的影响;CFD计算对隧道火灾模拟的准确性评价;隧道火灾在不同交通条件下的蔓延规律等。
隧道火灾实验多采用废弃隧道、综合隧道实验基地,如荷兰Benelux2隧道、挪威Runehamar隧道、西班牙TST隧道火灾综合防灾基地等。相对于国外隧道火灾实验,我国对隧道火灾的研究主要以实验室隧道模型试验为主,研究内容主要是通风控制条件下的隧道火灾,隧道内温度、烟气蔓延以及隧道火灾的消防方法。
杨其新等人对秦岭终南山特长公路隧道进行了研究,主要内容为火灾时的减灾救援,研究火灾发生时隧道烟气温度的发展规律,提出隧道发生火灾阶段的划分以及隧道火灾的预防、救援措施等。重庆市公路交通研究所对公路隧道的火灾自动报警系统进行了研究,并对光纤、热敏合金线和双波长火焰探测3种火灾自动报警设备的特性进行了探讨。另外,云南省阳宗对隧道在寿命期内开展了数次全尺寸火灾实验。
2国内隧道火灾计算机模拟现状
我国在隧道火灾数值模拟研究方面起步较晚。舒宁和徐建闽等采用ANSYS对隧道发生火灾后的通风进行模拟,研究火灾烟气在隧道内的蔓延特性。采用1 000 K作为火源中心温度的高温点,未考虑火灾的动态特性。
香港理工大学和哈尔滨工程大学学者利用计算数值模拟方法,研究隧道火灾的烟气特性。研究表明,大涡模拟比模型试验可以更好地模拟烟气回流和隧道断面的热分层现象。
3笔者主要研究方法
全尺寸火灾实验研究由于运作成本高昂,实验数量受到限制。而模型实验研究虽然能够有效降低实验成本,但是模型比例受到火灾相似理论可靠性的制约,实际上缩尺寸范围非常有限。即以现有的技术条件,隧道燃烧火灾强度范围有限。
近年来,随着计算机科学和数值计算方法的发展,许多研究者开始利用N-S方程结合一定的湍流燃烧模型、辐射模型研究隧道火灾,可以灵活设定火灾场景,具有成本低、可重复性强等优点,成为隧道防火设计的基础性方法之一。在已有研究成果的基础上,笔者将给出适合重庆市某公路隧道临界风速预测的计算模型,并利用模型预测某公路隧道典型火灾工况下的临界风速。
4Wu & Bakar临界风速计算模型
Wu & Bakar从实验和数值模拟两方面对相同高度、不同宽度的5种矩形断面隧道进行研究,研究中采用隧道断面当量直径De作为特征长度,其表达式见式(1)。
undefined (1)
式中:De为隧道断面当量直径,m;A为隧道通风断面面积,m2;P为隧道通风断面周长,m。
定义了新的无量纲热释放速率undefined和无量纲临界风速v,总结出临界风速的新计算公式,见式(2)、式(3)。
undefined (2)
undefined (3)
当undefined时:
undefined (4)
当undefined时:
undefined (5)
5弧形隧道临界风速数值模拟
5.1 模型建立
为了找出弧形隧道临界风速的规律,设计了3种不同半径的弧形隧道,隧道半径分别为100、150、200 m,隧道弧度采用π/6、π/4、π/3、π/2、2π/3、3π/4、5π/6、π。图1
为不同弧度隧道FDS模型,图2为隧道洞口的正视图。隧道宽15 m(包括模型壁厚),高7.9 m。共计21个算例,进行了大量模拟计算来确定临界风速。
火源功率为50 MW,位于隧道中部,火源尺寸为3 m×3 m;扩展计算区域为10 m,网格尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m。
5.2 数值模拟结果
根据Wu & Bakar的临界风速预测模型,计算该类型弧形隧道的临界风速为3.5 m/s,而笔者通过大量的计算与观测,得到了21个工况的洞口处临界风速数值,见表1所示。
5.3 临界风速预测模型
表1显示了不同弧度不同半径弧形隧道在洞口处的临界风速模拟值。经过相关性计算隧道半径、弧度、临界风速的相关系数矩阵为:
undefined
(6)
通过相关性矩阵发现,隧道半径和临界风速的相关系数绝对值0.166 7小于弧度和临界风速的相关系数绝对值0.380 0,说明隧道半径对临界风速的影响非常小,可以忽略。
分析弧度与临界风速的模拟结果发现,π/2是分界点。因此,把相关系数分成两类,一类为π/6、π/4、π/3、π/2,另一类为2π/3、3π/4、5π/6、π分别计算,得到隧道半径、弧度、临界风速如下两个相关系数矩阵:
undefined
R(2π/3、3π/4、5π/6、
undefined
很明显,把π/2作为分界点后,弧度与临界风速的相关系数由0.38提高到0.831 9(弧度小于π/2)和0.954 1(弧度大于π/2),说明π/2是临界风速和弧度关系的“拐点”,应该采用分段函数表达两者的关系。
前文已经表明,隧道半径与临界风速相关性很小,为了计算简便,忽略半径对临界风速的影响,将相同弧度的临界风速进行平均,得到表2。
采用Matlab拟合工具箱进行拟合,结果如下:
v'cr=0.539 4tha2-1.508 6tha+0.935 9+vcr,tha≤π/2
v'cr=0.870 9tha3-6.191 4tha2-14.988 6tha-1 223+vcr,tha>π/2
式中:v'cr为弧形隧道洞口临界风速;vcr为Wu & Bakar模型预测的临界风速;tha为隧道弧度。拟合结果见图3、图4。两次数据拟合的相对误差为5.3%、0.039%。
从图3可以看出,当隧道弧度小于π/2时,洞口处临界风速随着隧道弧度的增大而减小。而图4则相反,当隧道弧度大于π/2时,洞口处临界风速随着隧道弧度的增大而增大。分析造成此现象的原因:当弧度小于π/2时,火焰的烟气浮力有很大的作用力,导致弧度越小,作用力越大,需要的通风越多;而当弧度大于π/2时,通风的能量由于壁面摩擦和流场作用,弧度增大时通风损失
能量多,火焰烟气达到临界状态需要的洞口通风越多。
6重庆市方斗山隧道临界风速预测
不考虑隧道垂直风流速度的影响,结合前述有关临界风速的计算模型,对重庆市公路隧道主洞典型火灾工况下的临界风速进行预测。重庆市方斗山隧道工程全长7 600 m,隧道弧度为1.518 4,是重庆的交通要道。
6.1 临界风速预测
(1)主洞断面当量直径。 依据重庆市公路隧道主洞断面的具体设计,其断面当量直径计算如下:
undefined
(2)无量纲热释放速率undefined。 重庆市公路隧道典型火灾热释放速率按50 MW考虑,式(2)中其他参数的取值如下:空气密度ρ0为1.21 kg/m3;空气定压比热容cp为1 000 J/(kg·K);环境空气温度T0为294.15 K;重力加速度g为9.81 m/s2。无量纲热释放速率计算如下:
undefined
(3)无量纲临界风速v"。 由于无量纲热释放速率满足:undefined,故无量纲临界风速可取为:undefined。
(4)由Wu & Bakar模型预测的临界风速vcr的计算。
undefined
(5)采用笔者所得的弧形隧道临界风速计算。
v'cr=0.539 4tha2-1.508 6tha+0.935 9+vcr,其中,tha为1.518 4弧度,则v'cr=3.018 8 m/s。
6.2 临界风速数值模拟
经过5次计算机模拟,最终确定该隧道的临界风速为3.05 m/s,比根据笔者拟合公式预算的结果大0.031 2 m/s,相对误差为1.02%;比Wu & Bakar模型预测的临界风速小0.08 m/s,相对误差为2.62%。由此可见,笔者针对弧形隧道预测的临界风速模型更加接近数值模拟结果。详细模拟过程见图5、图6、图7,分别是风速3.0、3.05、3.1 m/s工况下50、100 、450 s的烟气分布。
3种风速的模拟结果前50 s很接近,烟气都有一定的回流,随着模拟时间的推移,100 s时3.0 m/s和3.05 m/s工况下仍有一定的回流烟气。风速为3.1 m/s时,火焰羽流出现明显被吹偏的迹象,说明洞口临界风速应该比3.1 m/s小。当整个流场充分发展,达到“稳态”时(模拟时间为450 s),3.0 m/s工况下仍有一定的回流烟气,而3.05 m/s风速下偶尔有一定的烟气回流,马上又被吹走,该现象重复出现,说明该风速就是洞口的临界风速。
7结论
采用FDS对水平弧形公路隧道建立不同半径、弧度条件下的隧道模型,通过理论分析和数值模拟相结合的方法,结合前人的研究成果,拟合出水平弧形公路隧道临界风速计算公式,并且对重庆方斗山隧道进行预测,预测结果与数值模拟结果非常接近。需要说明的是,该公路隧道与研究临界风速的隧道横截面不同(面积、周长、弧度),从而证明了笔者对弧形隧道的临界风速预测的准确性。下一步将在此基础上增加精细网格计算,并开展隧道真实火灾的实验,对模型做进一步验证和研究。
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