African Journal of Environmental Science and Technology Vol. 5(3), pp. 212-217, March 2011
Available online at http://www.academicjournals.org/AJEST
ISSN 1996-0786X copy;2011 Academic Journals
Full Length Research Paper
Development and calibration of a self-recording cup anemometer for wind speed measurement
Fasinmirin J. T.1,3*, Oguntunde P. G.1, Ladipo K. O.2 and Dalbianco L.3
1Department of Agricultural Engineering, Federal University of Technology, Akure, Nigeria. 2Department of Meteorology, Federal University of Technology, Akure, Nigeria.
3Centro de Ciecirc;ncia Rurais, Universidade Federal de Santa Maria, Brazil.
Accepted 31 January, 2011
The design, development and calibration of a digital wind speed measuring device (cup anemometer) has been carried out. The instrument design consists of six electronics block stages: Power stage which supplies power through either a direct current (DC) or an alternating current (AC), input (sensor) stage which senses the number of revolutions per minute (rpm), the clock/triggering stage which was designed to monitor the time interval between the break and makeup of the pulses, and the output stage which comprises the counting stage, decoders/memory stage and lastly the seven segment display. Each block was designed in stages, simulated and constructed to give the required output, utilizing various low-power integrated circuits (ICs). The output results were then interfaced to give the final desired result. The mechanical aspect of the device was composed of a casing and three conical shape cups which was made from acrylics materials, aluminium spindle with bearings. The device after development was calibrated against the standard (Delta-T) anemometer, type ANI for accuracy and performance evaluation. The calibration statistics showed a high correlation coefficient r = 0.93 at P le; 0.05 between the standard and the developed anemometer. Also, sensitivity analysis of the developed anemometer gave 1.2 rpm/ms-1. The developed instrument is useful in climatic studies especially in areas of irrigation agriculture, aviations, pollution control and radioactive development.
Key words: Wind speed, cup anemometer, sensor, decoder, spindle.
INTRODUCTION
Wind speed is a quantity that involves both magnitude and direction. The wind direction is that from which it blows relative to the true north, while its magnitude is a function of the speed in knots, kilometres per hour or metres per second (Ayoade, 1980). Eight prevailing winds are common in Akure but the dominant ones are Southerly, Southwesterly, Westerly and Northwesterly winds. The winds are more fairly distributed in all directions, but southwesterly and westerly winds predominate in the region in January, with a frequency of about 20% (NDES, 1997; Ojo, 1977; Utang, 2010). The direct effect of wind near the surface of the earth cannot be over-emphasized, as it manifested through soil erosion, the character of vegetation, damage of structures, and the production of waves on water surfaces (Landsea and Gray, 1992; Emmanuel, 2000). Therefore, its practical applications in the design of
structures, shelterbelts, airports and runways, control of air pollution and pests is very essential (Ayoade, 1980). At higher levels, wind directly affects aircrafts, missile and rocket operations, dispersion of industrial pollutants, radioactive products of nuclear explosions, dust, volcanic debris, and other materials (Gray, 1988). Directly or indirectly, wind is responsible for the production and transport of clouds and precipitation and for the transport of cold and warm air masses from one region to another (Dines, 2000; Bosart and Bartto, 1991; Khain and Ginis, 1991). Wind reduces any sprinkler effectiveness, because it increases evaporation and affects the watering pattern. The interaction of wind velocity, temperature and relative humidity constantly causes some losses in a high-pressure irrigation system (Bouder, 1998; Pitcher and Calder, 2000). Prediction of the wind speed in the built environment is difficult. One of the reasons is“surface roughness”. The many obstacles and different heights of buildings give the built environment a high roughness coefficient (WAsP, 2006), compared to open, rural locations. The roughness coefficient is generally used to extrapolate wind speed at different heights from measurement at only one or two heights and locations. A high roughness coefficient means slower acceleration of speed as height increases and therefore lower energy yields.
Several advances have been made in the development of electronic data logging equipment for wind speed measurement (Adani and Nowicki, 1990). One very good thing about cup anemometer is its simplicity but if used without electronic data logging device, several wind events may be left unrecorded. However, the cost and logistics involved in the procurement of this very sensitive device has made it difficult for research institutions, government agencies and private individuals to acquire. Therefore, the objective of the research was to design and develop a low cost digital cup anemometer, which is closely similar to the standard, using locally sourced raw materials for the monitoring of wind speed in the tropical environment.
MATERIALS AND METHODS
Design processes of the cup anemometer
The flowchart of the design of the digital electronic system for the cup anemometer is shown in Figure 1 with each block unit making up the entire design circuit. Each unit was designed to give a specific output.
Power supply unit
The power supply circuit was designed to provide low
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附录B 外文文献
译文标题
用于风速测量的自记录杯式风速计的开发和校准
摘要
数字式风速测量装置（杯式风速计）的设计，开发和校准已经完成。仪器设计包括六个电子模块阶段：通过直流电（DC）或交流电（AC）供电的功率级，检测每分钟转数（rpm）的输入（传感器）级，时钟/触发阶段，其被设计用于监视脉冲的中断和组成之间的时间间隔，以及包括计数阶段，解码器/存储器阶段和最后七段显示器的输出阶段。每个模块都是分阶段设计的，使用各种低功耗集成电路（IC）进行模拟和构造，以提供所需的输出。然后将输出结果连接起来以得到最终的期望结果。该设备的机械部分由一个外壳和三个锥形杯组成，这些杯由丙烯酸材料制成，带有轴承的铝制主轴。开发后的设备是针对标准（Delta-T）风速计进行校准的，类型ANI用于准确性和性能评估。校准统计显示标准和已开发的风速计之间的相关系数r = 0.93，Ple;0.05。此外，开发的风速计的灵敏度分析得出1.2rpm / ms-1。所开发的仪器可用于气候研究，特别是在灌溉农业，航空，污染控制和放射性发展等领域。
关键词：风速；杯形风速计；传感器；解码器；主轴
介绍
风速是一个既涉及数量又涉及方向的数量。风向是相对于真北方向的风向，而风向则是速度的单位，千米/小时或米/秒（Ayoade，1980）的函数。阿库雷地区常见八种盛行风，但占主导地位的是南风，西南风，西风和西北风。风向分布更加公平，但1月份该地区西南风和西风占主导地位，发生频率约为20％（NDES，1997; Ojo，1977; Utang，2010）。风力在地表附近的直接作用不能过分强调，因为它表现为土壤侵蚀，植被特征，结构破坏和水面波浪的产生（Landsea and Gray，1992; Emmanuel， 2000）。因此，它在设计结构，防护林，机场和跑道，控制空气污染和害虫方面的实际应用是非常重要的（Ayoade，1980）。在更高层次上，风直接影响飞机，导弹和火箭的运行，工业污染物的扩散，核爆炸的放射性产物，灰尘，火山碎片和其他材料（Gray，1988）。风力直接或间接负责云和降水的生产和运输，以及将冷暖气团从一个地区运输到另一个地区（Dines，2000; Bosart和Bartto，1991; Khain和Ginis，1991）。风会降低任何喷洒器的效能，因为它会增加蒸发并影响浇水模式。风速，温度和相对湿度的相互作用不断导致高压灌溉系统的损失（Bouder，1998; Pitcher and Calder，2000）。预测建筑环境中的风速很困难。其中一个原因是“表面粗糙度”。与开放的农村地区相比，建筑物的许多障碍和不同高度给建成的环境带来了高粗糙度系数（WAsP，2006）。粗糙系数通常用于推测不同高度处的风速，仅在一个或两个高度和位置处进行测量。高的粗糙度系数意味着随着高度的增加速度加快，从而降低能量产量。
在风速测量电子数据记录设备的开发方面取得了若干进展（Adani and Nowicki，1990）。关于杯式风速计的一个非常好的事情是它的简单性，但如果没有电子数据记录装置，那么可能会有几次风事件未被记录下来。然而，采购这种非常敏感的设备所涉及的成本和物流使研究机构，政府机构和私人个人难以获得。因此，研究的目标是设计和开发一种与本标准非常相似的低成本数字杯状风速计，它使用本地采购的原材料来监测热带环境中的风速。
图1 风速计设计流程图
杯形风速计的设计过程
图1所示为杯式风速计数字电子系统的设计流程图，每个模块单元组成整个设计电路。每个单元的设计都是为了给出特定的输出。
供电单元
电源电路设计为系统提供5和9伏的低电压。 由于数字设备对电压的高灵敏度，使用内部直流电源。该单元中的第一个元件是变压器，将输入电压降至220伏至240伏至12伏。变压器之后是一个桥式整流器，作为5341结型二极管的网络实施。 叠加在整流器直流电压上的波动和纹波由470mu;F，25 V和102mu;F电容滤除。 晶体管和齐纳二极管（5.2伏）用于升压和调节输出直流电压。齐纳二极管作为稳压器来控制直流电源，这使内部电压与使用数字访问监视器期间主插座上可能出现的波动无关。
输入单元/传感器
输入电路由光电晶体管组成，发光二极管（LED）串联500 k可变电阻到电源（Vcc），100 k固定在GND电压，同时光电管连接到Vcc和GND。另外，如图2所示，一个10 k电阻串联到Vcc（ ve）电压和LED之间。
时钟/触发阶段
触发子电路为计数器提供瞬时脉冲; 在这方面又利用了555个定时器。 555是一款实现各种定时器和多谐振荡器应用的集成电路。它包含二十三个晶体管，两个二极管和一个硅芯片上的十六个电阻，采用八引脚微型双封装控制。它有三种发电状态：无稳态，单稳态和双稳态。作为一个非稳态多谐振荡器，自由运行频率和占空比都由两个外部电阻和一个电容精确控制，以构成兼容TTL的脉冲发生器，可用作数字系统中时钟的时钟（Jones，1989年）。图2显示了用于同步整个系统操作的稳定和单稳态电路。
图2 稳定时钟和单稳555定时器的引脚连接
当配置为单稳模式时，555定时器的设计使得触发输入端的脉冲将定时器打开一段预定时间。
图3 4511B锁存器/解码器的引脚配置
计数阶段
7490集成电路（IC）十进制计数器在入口和出口电路处三个级联。图3显示了7490十年计数器的引脚配置。 输入是引脚14（A）和1（B），输出引脚由8（QC），9（QB），11（QD）和12（QA）表示。这些引脚产生二进制代码级别，QA充当LSB。引脚12是两个计数部分的输出。 通过将两计数输出（QA）连接到五计数输入（B），获得十进制（2times;5）计数能力。输出QB，QC和QD是QD作为MSB的五个计数输出。标有RD（1），RO（2），RD（1）和RD（2）的附加输入是复位输入。要求每个计数器的计数操作从零状态开始。但是，由于具有存储器的触发器，当向其供电时，每个计数器似乎具有默认的计数状态，而不是零。
内存和解码单元
用于驱动七段LED显示器的最流行的CMOS IC是4511B BCD（图3）。该IC非常适合驱动普通阴极显示器，因为它的输出可以分别提供高达25 mA的电流。 4511B IC因此被用于开发的杯式风速计。它有四个BCD输入端子，七段驱动输出端子和三个输入控制端子。
展示阶段
显示单元集成/内置在4511B IC的存储单元中。这使用七段显示器（阴极显示器），但是使用共阳极。为了表现良好并且反转，使用4069 IC将其解码回共阴极。
风速计的机械设计
杯形风速计是在塑料（丙烯酸）材料制成的杯形轮的帮助下制成的，该杯形轮在从轮子突出的臂的端部处关于竖直轴线对称地安装（图4）。杯的凹侧上的风力比凸侧更高，因此杯将在气流中旋转。对于杯形风速计，存在最小风速，其将根据轮子的轴承中的摩擦力以及仪器的设计参数来使杯子运动。
在稳定的风中，杯子从近0.5毫秒-1至60毫秒-1表现良好。然而在阵风中，它倾向于读取比实际更高的平均风速。这是因为具有惯性的杯轮随着风速的增加而加速的速度比随着风速的减小而减速的速度更快。表1列出了所构建的Delta-T风速计的机械规格。
图4竖直轴线对称地安装 表1 Delta-T风速计的机械规格
已开发的风速计的校准
AM-4220，ISO 9001型便携式手持式杯形风速计（标准型）针对所构建的风速计进行了校准，以比较风速计在分辨率和收集数据误差方面的效率。标准仪器有一个由三个锥形杯组成的杯形杯，杯形杯的边缘可以在水平面上自由旋转。杯轮主轴通过蜗杆传动装置连接到安装在防水外壳内部的旋转计数器。主轴支撑在两个轴承上，滚珠轴承在顶部，推力轴承在底部。该仪器配有液晶显示器（LCD），可记录最小和最大风速，数据记录器并可测量高达35 ms-1的风速。使用Bio-Estat 5对收集的数据进行统计分析，以获得校准期间获得的值中的最大值，标准偏差，标准误差和皮尔森相关系数。
讨论
图5和图6给出了标准风速计和实验室开发的风速计之间风速值之间的关系图。第一次校准实验中记录的最大风速分别为1.58 ms-1（plusmn;0.33）和0.98 ms-1（ plusmn;0.21）分别来自标准和发展的风速计。在第一次和第二次校准期间记录的风速值中的标准误差（STE）分别为0.042和0.027，标准和实验室制造的风速计分别为0.037和0.026。在第一次校准期间从线性图获得的校准常数为0.5921，具有显着高的测定系数R2 = 0.833。然而，在第二次校准练习期间获得了较高的测定系数（R2 = 0.9016）。
来自标准和实验室制造的杯风速计的风速数据的皮尔逊相关分析显示，差异仅在P lt;0.0001时显著。
图5校准曲线1显示了构建的杯式风速计和标准杯式风速计之间的关系。
图6校准曲线1显示了构建的杯式风速计和标准杯式风速计之间的关系。
在第二次校准过程中，标准风速计和构建风速计的风速之间的相关系数（rParson）最高（r = 0.94）。在第一次和第二次校准期间，标准风速计和构建风速计之间的相对较高的r值表明，本地制造的风速计适用于实验现场的风速测量。
解析度
建立旋转运动的Delta - T（标准）杯形风速计的最小速度估计值分别为0.047和0.072 ms-1。图7显示了从标准风速仪和已开发的风速计获得的风速之间的关系曲线。标准和构造的杯型风速计的最高和最低风速测量值分别为6.89和0.34，以及6.05和0.24 ms-1。虽然风速计下的风速值与标准风速计的值相比较低，但风速测量的趋势是相似的。根据校正相关系数的倒数确定的构造风速计的灵敏度估计为1.06。
表2 风速皮尔逊相关分析结果
*在P lt;0.0001概率水平上显着不同。S1-校准期间标准风速计的风速1;
S2-校准期间标准风速计的风速2; C1-校准期间构建的风速计的风速1; C2-校准期间构造的风速计的风速2。
图7 从标准和构建的风速计测得的风速
数字杯式风速计已经设计，开发和校准。标准（Delta-T）和已开发的风速计之间建立的关系给出了校准相关系数（0.94），其在任何条件下都可以用作转换因子，以获得与标准类似的值。尽管已开发的风速计与标准有很好的统计相关性，但尺寸的变化必定会导致长期在测量风速的差异校准。然而发现的风速计成本低，适合热带环境下的风速测量。
无线和无源传感器在工业领域有着重要的应用。本文设计了一种基于传统三杯风速传感器的自发电无线和无源风速传感器。本文还对无线传感器的特性进行了测试。结果表明，我们设计的无线和无源风速传感器具有完美的动态和静态性能。同时，新型传感器保留了传统三杯风速传感器的优点，适应范围广。基于上述内容，本文证明新型传感器具有很大的实用价值。目前在监控系统中广泛使用需要外部电源提供能量的有源和有线传感器。这种方式存在很多问题，包括更换电源的麻烦，测量系统的体积和质量以及维护问题。相比之下，无线和无源传感器在上述领域具有无可比拟的优势。无线和无源传感器尤其可以满足特殊环境中的一些严格要求，如旋转件和密封件。因此，无线和无源传感器的发展和应用近年来迅速增长。一些公司，如德国的EnOcean公司开发了无线能量收集技术，以实现传感器的无线被动测量。然而，新型传感器的技术复杂且成本非常高。本文根据“传感器监测变量为能源”的设计思想，在传统三杯风速传感器的基础上，采用自发电实现无线和无源风速传感器。这种设计具有成本低，系统成熟度高的优点。下面详细研究了器件的设计，同时创建并测试了器件的性能。
三杯风速传感器的测量原理
在稳定的气流场中，三杯风速传感器在旋转的能力下开始旋转。 如果风速恒定，则风速传感器的合成力矩为零。 因此，等式如下：
在等式中，B1n2是机械系统的动态摩擦转矩，B0为静摩擦转矩，T1是外部转矩，mu;是风的速度，n 2为风速传感器的转速。
被动无线风速传感器的实现原理
根据电机的知识，我们可以在主电机拖动直流永磁无刷电机时获得驱动扭矩：
其中T0作为负载转矩，CM作为直流电动机转矩常数，Phi;作为每极磁通量常数，n1作为电动机速度（r / min），K e作为电动势系数（V / r / min），U作为输出 ra作为绕组电枢回路电阻，而两组电刷和换向器接触电阻的压降为2Delta;U。
我们认为风速计在如此短的时间内达到平衡，一直处于平衡状态，所以我们可以推导出这个方程：
那么速度可以通过下面的公式计算：
因为三杯风速计采用磁悬浮技术，因此B1n和B0都很小，甚至可以忽略不计。 否则，从实际结构我们可以知道n1 = n2 = n，因此我们可以推导出这个方程：
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C M Phi; |
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