本发明公开了一种热温差型风速风向测量装置及方法，包括导风管、加热片和温度传感器，所述的导风管有两根，并呈90°交叠分布，所述的加热片位于导风管的中央位置，所述的温度传感器分别位于加热片的两侧，并固定在导风管内，所述导风管内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游，所述的加热片及温度传感器均与电路板连接，当无风时，上下游温度传感器示数相同；当有风吹过时，风带走导风管中间加热片的热量，导致有风一侧温度传感器示数低于无风一侧，根据上下游温差测量出风速，通过两个互相垂直的导风管中的温度差得到风向。本发明可同时测得风速与风向，且该风速风向测量系统体积小、成本低、精度高，易于生产。
1.一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，包括导风管、加热片和温度传感器，所述的导风管有两根，并呈90°交叠分布，所述的加热片位于导风管的中央位置，所述的温度传感器分别位于加热片的两侧，并固定在导风管内，所述导风管内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游，所述的加热片及温度传感器均与电路板连接。
2.根据权利要求1所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的导风管采用树脂材料。
3.根据权利要求1所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的加热片为恒温PTC加热片。
4.根据权利要求1或3所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的加热片采用插槽固定在导风管内部。
5.根据权利要求1所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的温度传感器采用PT100温度传感器，所述的温度传感器距离加热片的间距相等。
6.根据权利要求1或5所述的一种热温差型风速风向测量装置，其特征在于，所述的温度传感器采用插槽固定在导风管内。
7.一种热温差型风速风向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)导风管中心插入恒温加热片，在加热片的左右两侧对称固定PT100温度传感器；
(2)加热片通电，无风时，加热片周围的温度场呈对称分布；有风时，风带走加热片的热量，导致下游温度高于上游温度，温度场偏离对称分布；
(3)计算风速：进行建模仿真，计算在不同环境温度、不同风速时上下游的温差，仿真得出不同环境温度，不同风速下的温度差值，记环境温度为x，上下游温差为y，风速为z，经拟合得函数关系式：z＝(p1+p2x+p3y+p4y2+p5y3)/(1+p6x+p7x2+p8y+p9y2+p10y3)其中，
p1＝1480.7199,p2＝-29.7511,p3＝-68.4632,p4＝-0.3387,p5＝0.0156752,p6＝
0.15505,p7＝-0.00454,p8＝13.58846,p9＝-0.08,p10＝0.0072；
1)在风速为V的风场中，设定两导风管的四个管口分别为A、B、C、D口，并平行于地面建立直角坐标系OXY，X轴正半轴指向正东，X轴负半轴指向正西，Y轴正半轴指向正北，Y轴负半轴指向正南，A、B、C、D所在平面与坐标系平面重合，AB与Y轴重合，CD与X轴重合，则风速为：其中VNS和VEW为V的两个分量，VNS为从北向南方向吹入导风管的风速，VEW为从东向西方向吹入导管的风速，VNS和VEW均可通过拟合的函数关系式求得；
一种热温差型风速风向测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及风速风向测量装置及方法，尤其涉及一种热温差型风速风向测量装置及方法。
背景技术
[0002] 风速的测量对于我们的生活有着重大意义，在航空领域、农业领域、工业领域、环境监测领域等都发挥着重要作用，如何测量出精确的风速一直是人类探索的问题。
[0003] 目前常用的测量方法有机械测量法、超声波测量法以及热式测量法。机械测量法因存在旋转件，易受恶劣环境的影响，被磨损的地方需定期维护，超声波测量法虽不受外界影响，不被磨损，但体积大且价格昂贵。热式测量法利用热力学原理，分热损失型与热温差型两种测量方法，设计出来的风速传感器成本低、体积小且精度高。
发明内容
[0004] 发明目的：本发明目的是提供一种热温差型风速风向测量装置及方法。
[0005] 技术方案：本发明包括导风管、加热片和温度传感器，所述的导风管有两根，并呈90°交叠分布，所述的加热片位于导风管的中央位置，所述的温度传感器分别位于加热片的两侧，并固定在导风管内，所述导风管内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游，所述的加热片及温度传感器均与电路板连接。
[0006] 所述的导风管采用树脂材料，并呈90°交叠设置。
[0007] 所述的加热片为恒温PTC加热片，温度恒定为50℃。
[0008] 所述的加热片采用插槽固定在导风管内部。
[0009] 所述的温度传感器采用PT100温度传感器，所述的温度传感器距离加热片的间距相等。
[0010] 所述的温度传感器采用插槽固定在导风管内。
[0011] 一种热温差型风速风向测量方法，包括以下步骤：
[0012] (1)导风管中心插入恒温加热片，在加热片的左右两侧对称固定PT100温度传感器；
[0013] (2)加热片通电，无风时，加热片周围的温度场呈对称分布；有风时，风带走加热片的热量，导致下游温度高于上游温度，温度场偏离对称分布；
[0014] (3)计算风速：进行建模仿真，计算在不同环境温度、不同风速时上下游的温差，仿真得出不同环境温度，不同风速下的温度差值，记环境温度为x，上下游温差为y，风速为z，经拟合得函数关系式：
[0015] z＝(p1+p2x+p3y+p4y2+p5y3)/(1+p6x+p7x2+p8y+p9y2+p10y3)
[0016] 其中，
[0017] p1＝1480.7199,p2＝-29.7511,p3＝-68.4632,p4＝-0.3387,p5＝0.0156752,p6＝0.15505,p7＝-0.00454,p8＝13.58846,p9＝-0.08,p10＝0.0072；
[0018] (4)计算风向，具体步骤为：
[0019] 1)在风速为V的风场中，设定两导风管的四个管口分别为A、B、C、D口，并平行于地面建立直角坐标系OXY，X轴正半轴指向正东，X轴负半轴指向正西，Y轴正半轴指向正北，Y轴负半轴指向正南，A、B、C、D所在平面与坐标系平面重合，AB与Y轴重合，CD与X轴重合，则风速为：
[0020]
[0021] 其中VNS和VEW为V的两个分量，VNS为从北向南方向吹入导风管的风速，VEW为从东向西方向吹入导管的风速，VNS和VEW均可通过拟合的函数关系式求得；
[0022] 2)设风速与X轴成θ角，则：
[0023]
[0024]
[0025] 即风向为：
[0026] 工作原理：以加热片为中心，导风管内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游。当无风时，上下游温度传感器示数相同；当有风吹过时，风带走导风管中间加热片的热量，导致有风一侧温度传感器示数低于无风一侧，根据上下游温差测量出风速，通过两个互相垂直的导风管中的温度差得到风向。
[0027] 有益效果：本发明可同时测得风速与风向，且该风速风向测量系统体积小、成本低、精度高，易于生产。
附图说明
[0028] 图1为本发明的示意图；
[0029] 图2为本发明无风时加热片周围温度分布图；
[0030] 图3为本发明有风时加热片周围温度分布图；
[0031] 图4为本发明的实施例图；
[0032] 图5为本发明的电路结构图；
[0033] 图6为本发明的温度传感器的电路原理图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0035] 如图1所示，本发明包括导风管1、加热片2和温度传感器3，导风管1为圆柱形空心管，由两根呈90°交叠分布，采用树脂材质，两根导风管1的中间均竖直固定有加热片2，加热片2为恒温加热片，通过插槽固定在树脂导风管中心内部，位于水平导风管1内部的加热片2的左右两侧用插槽等距固定温度传感器3；位于竖直导风管1内部的加热片2的上下两侧用插槽等间距固定温度传感器3。两个加热片2和四个温度传感器3均用导线与单片机STM32F103RCT6连接，如图5所示。其中恒温PTC加热片2直接与单片机的5V电源连接。
[0036] 温度传感器3采用PT100温度传感器，其电路原理图如图6所示，R2、R3、R4和温度传感器组成传感器测量电桥，并通过TL431将电桥的输入电压稳定至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机，通过调节可调电阻R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小。放大电路采用LM358集成运算放大器，当温度上升时，温度传感器的阻值变大，输入放大电路的差分信号放大，放大电路的输出电压也对应升高。
[0037] 因导风管互呈九十度分布，因此，在任意时刻都有一个或者两个管口处于来流中，只要建立合适的坐标系，任意风速都可以通过正交分解求得。规定以加热片2为中心，导风管1内部气流与来流入口近的部分为上游，与来流出口近的部分为下游，即导风管1的左右两侧为上游或下游。当无风时，上下游的温度传感器示数相同；当有风吹过时，风带走导风管1中间加热片2的热量，导致有风一侧温度传感器示数低于无风一侧，根据上下游温差测量出风速，通过两个互相垂直的导风管1中的温度差得到风向。
[0038] 一种热温差型风速风向测量方法，包括以下步骤：
[0039] (1)在两个长120mm、直径10mm、壁厚1mm且互呈九十度交叠分布的树脂导风圆管中心插入一个温度为50℃的恒温PTC加热片，在距离加热片左右两侧2cm处的位置对称固定PT100温度传感器。
[0040] (2)加热片通电，温度恒定为50℃，因导风圆管互呈九十度分布，在任意时刻都有一个或者两个管口处于来流中，只要建立合适的坐标系，任意风速都可以通过正交分解求得。无风时，上下游温度传感器示数相同；有风吹过时，风带走圆管中间加热片的热量，导致有风一侧温度传感器示数低于无风一侧，图2、3分别为无风和有风时加热片周围温度分布图。无风时，加热片周围的温度场呈对称分布；有风时，风带走加热片的热量，导致下游温度高于上游温度，温度场偏离对称分布。
[0041] (3)计算风速。利用FLUENT软件进行建模仿真，计算在不同环境温度、不同风速时上下游的温差。环境温度设置250K、260K、270K、280K、290K、300K共6个不同温度值，风速设置0.1m/s、0.2m/s…3m/s、3.1m/s…8m/s共80个不同风速值，仿真得出不同环境温度，不同风速下的温度差值。记环境温度为x，上下游温差为y，风速为z，经拟合得函数关系式：
[0042] z＝(p1+p2x+p3y+p4y2+p5y3)/(1+p6x+p7x2+p8y+p9y2+p10y3)
[0043] 其中：
[0044] p1＝1480.7199,p2＝-29.7511,p3＝-68.4632,p4＝-0.3387,p5＝0.0156752,p6＝0.15505,p7＝-0.00454,p8＝13.58846,p9＝-0.08,p10＝0.0072。
[0045] 利用该函数便可求得流入两垂直圆形导风管内的风速，对于二维结构的风速测量，只要测得互相垂直的两个方向的风速，便可通过正交分解测得任意方向的风速。如图4所示，将本装置放在风速为V的风场中，设定两导管的四个管口分别为A、B、C、D口，并平行于地面建立直角坐标系OXY，X轴正半轴指向正东，X轴负半轴指向正西，Y轴正半轴指向正北，Y轴负半轴指向正南，A、B、C、D所在平面与坐标系平面重合，AB与Y轴重合，CD与X轴重合。
[0046] 则风速 其中VNS和VEW为V的两个分量，VNS为从北向南方向吹入导管的风速，VEW为从东向西方向吹入导管的风速，VNS和VEW均可通过拟合的函数关系式求得。
[0047] (4)计算风向。设风速与X轴成θ角，则：
[0048]
[0049]
[0050] 即风向：
