Principio y aplicación del sensor ultrasónico de velocidad y dirección del viento para medir la velocidad

Principio y aplicación del sensor ultrasónico de velocidad y dirección del viento para medir la velocidad

El vector de viento se refiere a la velocidad y dirección del viento y es uno de los elementos básicos de monitoreo en el monitoreo meteorológico.

Con el desarrollo de la tecnología del Internet de las Cosas y la tecnología de sensores, las estaciones meteorológicas modernas se han vuelto cada vez más inteligentes y están evolucionando gradualmente hacia estaciones meteorológicas autónomas que funcionan todo el día. Por lo tanto, las estaciones meteorológicas modernas necesitan con urgencia un sensor de velocidad y dirección del viento de alta precisión y sin mantenimiento.

Los sensores mecánicos tradicionales de velocidad y dirección del viento tienen piezas giratorias propensas al desgaste. La estructura mecánica puede dañarse con el mal tiempo. El polvo de arena y la niebla salina también pueden causar corrosión. Al mismo tiempo, el anemómetro mecánico conserva la velocidad inicial del viento debido a la fricción. Una velocidad del viento inferior a la inicial no podrá impulsar la hélice ni la copa de viento para que giren. Por lo tanto, un anemómetro mecánico de viento con una velocidad inferior a la inicial no podrá realizar mediciones. Para superar las deficiencias inherentes del anemómetro tradicional de copa de viento, se creó un nuevo tipo de anemómetro ultrasónico.

Los sensores ultrasónicos de velocidad y dirección del viento se han utilizado ampliamente en la industria y la investigación científica gracias a su rápida respuesta, alta precisión de medición y fácil mantenimiento y uso. El sensor ultrasónico de velocidad y dirección del viento utiliza principalmente la diferencia de frecuencia ultrasónica emitida por cuatro sensores ultrasónicos colocados verticalmente para calcular la velocidad y dirección del viento, y emite la velocidad (m/s) y la dirección (°) del viento a través del sensor.

Tres métodos de medición de velocidad ultrasónica

La medición ultrasónica de la velocidad del viento incluye principalmente el método de diferencia de tiempo, el método de diferencia de frecuencia, el método de diferencia de fase y el método de correlación.

Método de diferencia horaria

El método de diferencia horaria es muy común y su principio es el siguiente: en condiciones de aire en calma, la velocidad de propagación de las ondas sonoras se modifica según el flujo de aire en la dirección del viento. Si la dirección del viento y la dirección de propagación de la onda sonora coinciden, la velocidad de propagación aumenta y, viceversa, disminuye.

Cuando la onda ultrasónica se propaga en el aire, existe una diferencia de velocidad entre la dirección a favor y en contra del viento. Al propagarse a una distancia fija, esta diferencia de velocidad refleja una diferencia de tiempo, la cual guarda una relación lineal con la velocidad del viento a medir. Por lo tanto, el sensor ultrasónico de velocidad y dirección del viento emite ondas ultrasónicas secuencialmente a una frecuencia fija y mide el tiempo de llegada de las ondas ultrasónicas en ambas direcciones, obteniendo así la velocidad de propagación a favor y en contra del viento. El valor de la velocidad del viento se obtiene tras el procesamiento y la conversión.

Método de diferencia de frecuencia

El método de diferencia de frecuencia es un método directo con múltiples ciclos. Su precisión duplica el número de ciclos del método directo de diferencia de tiempo. Es adecuado para tuberías de diámetro medio y pequeño. Sus ventajas son su alta precisión y su menor influencia en la temperatura. La desventaja es que el trabajo es inestable debido a las influencias ambientales.

Método de diferencia de fase

El método de diferencia de fase convierte la velocidad del viento a través de la diferencia de tiempo en fase para su medición.

Problemas con el sensor ultrasónico de velocidad y dirección del viento

Problema de transitorios del ángulo de dirección del viento: Al analizar la señal de dirección del viento medida por el sensor ultrasónico bidimensional de velocidad y dirección del viento, el fenómeno de transitorios del ángulo de dirección del viento es común en los datos de dirección del viento. Este ángulo fluctúa de forma extremadamente brusca y considerable en un corto período de tiempo. Las características de fluctuación de la señal de dirección del viento durante este período son claramente diferentes a las de otros períodos. Solo mediante un profundo conocimiento de las causas de este fenómeno se puede determinar si este afectará el análisis posterior de la fluctuación de la señal de dirección del viento. Si se produce un efecto adverso, se deben adoptar los métodos adecuados para realizar correcciones razonables a la señal de dirección del viento.

Los sensores ultrasónicos de velocidad y dirección del viento se utilizan ampliamente en la monitorización de la seguridad energética, puentes y túneles, la monitorización ambiental urbana de buques, la seguridad vial y otros campos. Las numerosas ventajas del anemómetro ultrasónico hacen que su uso sea cada vez más extendido, y ocupará el primer lugar entre los dispositivos de medición de la velocidad del viento en el futuro.

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