Princípio e aplicação do sensor ultrassônico de velocidade e direção do vento para medição de velocidade.

Princípio e aplicação do sensor ultrassônico de velocidade e direção do vento para medição de velocidade.

O vetor vento refere-se à velocidade e direção do vento, sendo um dos elementos básicos de monitoramento meteorológico.

Com o desenvolvimento da Internet das Coisas e da tecnologia de sensores, as estações meteorológicas modernas tornaram-se cada vez mais inteligentes e estão gradualmente evoluindo para estações meteorológicas autônomas que operam 24 horas por dia, 7 dias por semana. Portanto, as estações meteorológicas modernas precisam urgentemente de um sensor de velocidade e direção do vento com alta precisão e que não necessite de manutenção.

Os anemômetros mecânicos tradicionais de velocidade e direção do vento possuem partes rotativas, que são propensas ao desgaste. A estrutura mecânica pode ser danificada por intempéries. Poeira de areia e maresia também podem causar corrosão. Além disso, o anemômetro mecânico ainda possui uma velocidade inicial de vento devido ao atrito. Velocidades de vento inferiores a esse valor inicial não serão capazes de acionar a hélice ou a concha anemométrica. Portanto, o anemômetro mecânico não conseguirá medir a brisa com velocidades abaixo da inicial. Para superar as deficiências inerentes aos anemômetros tradicionais de concha anemométrica, surgiu um novo tipo de anemômetro ultrassônico.

Sensores ultrassônicos de velocidade e direção do vento têm sido amplamente utilizados em setores industriais e pesquisas científicas devido à sua resposta rápida, alta precisão de medição e facilidade de manutenção e uso. O sensor ultrassônico de velocidade e direção do vento utiliza principalmente a diferença de frequência ultrassônica emitida por quatro sensores ultrassônicos posicionados verticalmente para calcular a velocidade e a direção do vento, fornecendo como saída a velocidade do vento (m/s) e a direção do vento (°).

Três métodos de medição da velocidade ultrassônica

A medição da velocidade do vento por ultrassom inclui principalmente o método da diferença de tempo, o método da diferença de frequência, o método da diferença de fase e o método de correlação.

Método da diferença de tempo

O método da diferença de tempo é muito comum e seu princípio é o seguinte: em ar calmo, a velocidade de propagação das ondas sonoras é alterada pelo fluxo de ar na direção do vento. Se a direção do vento e a direção de propagação da onda sonora forem as mesmas, a velocidade de propagação da onda sonora aumentará e, inversamente, a velocidade da onda sonora diminuirá.

Quando uma onda ultrassônica se propaga no ar, existe uma diferença de velocidade entre a direção a favor do vento e a direção contra o vento. Ao percorrer uma distância fixa, essa diferença de velocidade reflete uma diferença de tempo, e essa diferença de tempo tem uma relação linear com a velocidade do vento a ser medida. Portanto, o sensor ultrassônico de velocidade e direção do vento emite ondas ultrassônicas sequencialmente em uma frequência fixa e mede o tempo de chegada das ondas ultrassônicas em duas direções, obtendo-se assim a velocidade de propagação a favor e contra o vento. O valor da velocidade do vento pode então ser obtido após processamento e conversão.

Método da diferença de frequência

O método da diferença de frequência é um método direto com múltiplos ciclos. A precisão deste método é o dobro do número de ciclos do método direto da diferença de tempo. É adequado para tubulações de diâmetro médio e pequeno. A vantagem é a alta precisão e menor influência da temperatura. A desvantagem é a instabilidade do funcionamento devido a influências ambientais.

Método da diferença de fase

O método da diferença de fase converte a velocidade do vento, através da diferença de tempo, em fase para medição.

Problemas com o sensor ultrassônico de velocidade e direção do vento

Problema de transientes no ângulo de direção do vento: Ao analisar o sinal de direção do vento medido pelo sensor ultrassônico bidimensional de velocidade e direção do vento, o fenômeno de transientes no ângulo de direção do vento é comum nos dados de direção do vento. O ângulo de direção do vento flutua de forma extremamente acentuada e significativa em um curto período de tempo. As características da flutuação do sinal de direção do vento durante o período de transientes no ângulo de direção do vento são claramente diferentes de outros períodos. Somente compreendendo profundamente as causas do fenômeno de transientes no ângulo de direção do vento podemos determinar se ele afetará a análise subsequente da flutuação do sinal de direção do vento. Caso haja um efeito adverso, métodos apropriados devem ser adotados para realizar correções adequadas no sinal de direção do vento.

Os sensores ultrassônicos de velocidade e direção do vento são atualmente amplamente utilizados no monitoramento da segurança energética, em pontes e túneis, no monitoramento ambiental urbano de embarcações, na segurança rodoviária e em outras áreas. As inúmeras vantagens do anemômetro ultrassônico fazem com que seu uso se torne cada vez mais comum, e ele deverá ocupar a posição de liderança entre os dispositivos de medição da velocidade do vento no futuro.

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