بخشی از مقاله
چکیده- یکی از کمیتهاي بسیار مهم در علم هواشناسی اندازهگیري سرعت باد است. سرعت باد به روشهاي مختلفی از جمله استفاده از بادسنجهاي پرهاي، بادسنجهاي مبتنی بر امواج فراصوت، بادسنج جریان سیم داغ و غیره اندازهگیري می شود. بطور معمول براي اندازهگیري سرعت باد از بادسنجهاي پرهاي استفاده میشود. به منظور استفاده از امواج فراصوت براي اندازهگیري سرعت باد از دو روش تفاضلی و داپلر استفاده میگردد.
در این مقاله بادسنج فراصوتی طراحی و پیادهسازي گردیده است که در آن با استفاده از ترکیبی از الگوریتم جدید پیشنهادي و روش تفاضلی، سرعت و جهت باد اندازهگیري میگردد. این بادسنج داراي خطاي تقریبی m/s 0.5و با قابلیت کالیبراسیون خودکار میباشد. از ویژگیهاي این طراحی عدم وابستگی به برابري فاصله دقیق ویکسان دو مسیر پرواز سیگنال بین سنسورها میباشد. در این پروژه با استفاده از سنسور دما، عمل تنظیم خودکاردر هر لحظه انجام میشود.
در نیروگاههاي بادي، اغلب از بادسنجهاي پیالهاي استفاده میشود. بادسنجهاي پیالهاي داراي مشکلاتی هستند. از جملهي در این مقاله بادسنجی با استفاده از امواج فراصوت طراحی و این مشکلات اینکه این بادسنجها حداکثر تا سرعت 30m/s را پیاده سازي گردیده است که عملکرد آن مبتنی بر روش تفاضلی و ارائه الگوریتم جدید پیشنهادي میباشد. این بادسنج قادر است سرعت باد را تا 50m/s اندازهگیري نماید. از ویژگیهاي این بادسنج این است که این دستگاه قادر است در هر ثانیه 24 بار نمونه برداري نموده و با اعمال فیلتر مناسب سرعت و جهت باد را بدون نویز و اغتشاش نمایش دهد.
از آنجائیکه در اثر تغییر دما فاصله سنسورها کمی تغییر میکند، با اندازه گیري دما توسط سنسور دماي بکار رفته در فضاي خارج دستگاه، و انجام الگوریتم هوشمند در هر لحظه به صورت خود تنظیم اثرات تغییرات فاصله سنسورهاي فراصوتی در اثر دما از بین رفته و در نتیجه دستگاه دچار خطا نخواهد شد. از دیگر مزیتهاي دستگاه ساخته شده این است که اگر مانعی بین سنسورهاي فرستنده-گیرنده قرار بگیرد، آنگاه عمل اندازهگیري متوقف شده و بلافاصله دستگاه بصورت هوشمند یک پیام صوتی پخش میکند و بعد از بر طرف شدن مانع، دستگاه مجددا به صورت خودکار به کار خود ادامه میدهد.
در ادامه مبانی نظري و روابط ریاضی سیستم باد سنج فراصوتی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در بخش 3 الگوریتم جدید پیشنهادي سیستم بادسنج فراصوتی با خطاي بسیار کم ارائه خواهد شد. ساختار و نحوه کارکرد سیستم در بخش 4 توضیح داده خواهد شد. در نهایت در بخش 5 ضمن جمع بندي مطالب ارائه شده، پیشنهادات جهت بهبود کیفیت و کارآیی سیستم بادسنج مورد بحث قرار خواهد گرفت.
-2 مبانی نظري و روابط ریاضی مربوط به سرعت و جهت باد
براي محاسبات مربوط به سرعت و جهت باد، مطابق شکل1 دایره مثلثاتی مبنا قرار داده شده است. در این دایره بترتیب، شمال، جنوب، مشرق و مغرب با حروف N، S، E و W در نظر گرفته شده است. در این شکل، سرعت باد با Vm و نام نواحی چهارگانه در اطراف دایره مثلثاتی نمایش داده شده است. در هر یک از نواحی چهار گانه در شکل1، یک سنسور فراصوت قرار داده شده است بطوریکه این سنسور در دو حالت فرستنده و گیرنده عمل می کند.
شکل2 نحوه استقرار سنسورهاي فراصوت را نشان میدهد. هریک از سنسورهاي بکار رفته در شکل2 طی یک الگوریتم از پیش تعیین شده و با استفاده از بلوك کنترل جهت، هم به صورت فرستنده و هم به صورت گیرنده عمل میکنند. وقتی یک سنسور به صورت فرستنده عمل می کندمتقابلاً سنسور مقابل آن به صورت گیرنده عمل می کند. براي نمونه گیري و محاسبه سرعت باد، هر کدام از سنسورها یک بار به صورت فرستنده و یک بار به صورت گیرنده عمل می کند و همزمان با استفاده از روش تفاضلی و الگوریتم جدید پیشنهادي مدت زمان پرواز سیگنال محاسبه می گردد.
-1-2 آشنایی با رفتار غیر خطی سنسور فراصوت
در این بخش ابتدا مشکل اصلی بیان میگردد و سپس روش حل آن ارائه میگردد. مطابق شکل4 مشکل اصلی در استفاده از سنسورهاي فراصوت این است که این سنسورها در ارسال و دریافت سیگنال به صورت همزمان نمیتوانند عمل کنند و بعد از ارسال و دریافت چندین پالس از دسته پالس به حالت پایدار خود میرسند. این موضوع اندازه گیري زمان پرواز سیگنال به صورت دقیق را در حالت عادي غیر ممکن میکند.
