一、概述

風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰會(huì)改變風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)外型并降低風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率。假如葉片覆冰會(huì)改變?nèi)~片的外部形狀和氣動(dòng)性能,增大葉片阻力、減少升力,影響全機(jī)操縱性、穩(wěn)定性;最終導(dǎo)致風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率降低,嚴(yán)重的可導(dǎo)致葉片的損毀,發(fā)生運(yùn)行事故,風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰已經(jīng)成為保證風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行需要解決的迫切問(wèn)題。 首先介紹結(jié)冰的快速計(jì)算理論，光纖式結(jié)冰傳感器理論和微弱信號(hào)檢測(cè)理論，然后以此為基礎(chǔ)分別從探測(cè)器（包括光纖傳感器），信號(hào)處理電路，上位機(jī)監(jiān)控軟件和通信協(xié)議四大方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。探測(cè)器和信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)了從傳感器端的微弱結(jié)冰狀態(tài)變化到采集端的顯著電壓信號(hào)變化；上位機(jī)監(jiān)控軟件主要完成了串口通信模塊設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)圖形顯示模塊設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)，對(duì)硬件系統(tǒng)傳送過(guò)來(lái)的結(jié)冰電壓信號(hào)進(jìn)行處理，并提供良好的人機(jī)界面，顯示當(dāng)前結(jié)冰告警狀態(tài)，并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到文件夾中。完成了本系統(tǒng)的結(jié)冰的信號(hào)處理和雨水干擾的分析。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明：本系統(tǒng)用于風(fēng)力機(jī)結(jié)冰檢測(cè)是可行的，可完成結(jié)冰告警功能，同時(shí)利用微波打落冰層.其結(jié)果是非常的。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)今的風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)總量約為50,000 MW，并且該數(shù)字以每年30%的比例高速增長(zhǎng)。風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要方式，是當(dāng)今清潔能源中技術(shù)和發(fā)展前景發(fā)電方式之一。 風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式，其原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的風(fēng)速(微風(fēng)的程度)，便可以開(kāi)始發(fā)電。 需要注意的是，由特定氣候條件所引發(fā)的風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰會(huì)給風(fēng)力機(jī)的安全和高效運(yùn)行帶來(lái)較大危害。當(dāng)風(fēng)力機(jī)葉片表面發(fā)生結(jié)冰后，其氣動(dòng)外型會(huì)受到破壞，此時(shí)風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率會(huì)大大降低；當(dāng)結(jié)冰累積到一定程度后，風(fēng)力機(jī)葉片更有可能發(fā)生損毀并且引發(fā)運(yùn)行事故。 目前在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用還處于初期階段。應(yīng)用已有的結(jié)冰狀態(tài)分析方法和新型的光纖式結(jié)冰傳感器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確獲取風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)冰狀態(tài)，從而進(jìn)行結(jié)冰預(yù)警，結(jié)冰檢測(cè)，消除結(jié)冰對(duì)風(fēng)力機(jī)的危害，這對(duì)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)具有很重要的意義。

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，為我國(guó)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)提供了很好的基礎(chǔ)。風(fēng)車葉片是風(fēng)力機(jī)發(fā)電的重要部件，葉片表面結(jié)冰會(huì)致使其質(zhì)量分布和翼型發(fā)生顯著變化，影響風(fēng)力機(jī)發(fā)電性能，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)故障和事故，甚至發(fā)生破壞現(xiàn)象。

目前在國(guó)內(nèi)，結(jié)冰傳感器的研究和應(yīng)用還處于初期階段，特別是在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測(cè)這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)已設(shè)計(jì)出的風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測(cè)裝置主要應(yīng)用磁致伸縮原理，只能通過(guò)傳感器的結(jié)冰程度來(lái)判斷葉片結(jié)冰情況，檢測(cè)效果受電磁干擾影響較大。

與國(guó)內(nèi)相比，國(guó)外的對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)冰檢測(cè)起步早、重視度高，對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)冰模型的研究較為透徹，其風(fēng)力機(jī)結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)也國(guó)內(nèi)水平。其中，發(fā)展相對(duì)成熟的結(jié)冰檢測(cè)主要方法有：電學(xué)法、機(jī)械法、光學(xué)法、波導(dǎo)法等。

二、工作原理

該類結(jié)冰探測(cè)技術(shù)是利用結(jié)冰的電學(xué)性質(zhì)而開(kāi)發(fā)的結(jié)冰傳感器，運(yùn)用普遍的電容式，它利用冰、水、空氣的介電常數(shù)的不同來(lái)判斷電極之間是冰、水、還是空氣，并且還可以根據(jù)測(cè)得的電容值大小推算結(jié)冰厚度。典型的電容式結(jié)冰傳感器有美國(guó)Innovative Dynamics公司開(kāi)發(fā)的電容式傳感器，該傳感器能夠檢測(cè)的結(jié)冰厚度范圍0.5mm~1.5mm、1.5-50mm。

（一）光學(xué)法

該類結(jié)冰探測(cè)技術(shù)是利用結(jié)冰對(duì)光的反射、吸收、散射等作用而開(kāi)發(fā)的結(jié)冰傳感器，光纖式結(jié)冰傳感器是典型的光學(xué)傳感器。光纖式傳感器通過(guò)發(fā)射光纖將一定波光的光打入冰層，光經(jīng)冰層的反射和散射后，會(huì)有一部分光返回到接收光纖，通過(guò)檢測(cè)接收光纖所接收的光強(qiáng)就可以推算出結(jié)冰厚度。早在2003年，希臘科學(xué)家成功開(kāi)發(fā)了種光纖式結(jié)冰傳感器，后來(lái)英國(guó)也開(kāi)發(fā)出一種具有性能的光纖式結(jié)冰傳感器，它能檢測(cè)到小到0.1mm的結(jié)冰。

（二）波導(dǎo)法

該類結(jié)冰探測(cè)技術(shù)是利用結(jié)冰對(duì)聲波或者其它波的吸收和反射作用開(kāi)發(fā)的結(jié)冰傳感器，有聲表面波式、超聲脈沖回波式、微波諧振式。微波式結(jié)冰傳感器已成功運(yùn)用于空中加油飛機(jī)Cessna Cruader303，該傳感器可以檢測(cè)厚達(dá)25mm。

隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)量在快速發(fā)展，風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行問(wèn)題已受到更為廣泛的關(guān)注。但作為保障風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，風(fēng)力機(jī)結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展仍然相對(duì)落后。因此，能否從基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法研究入手，提出既有豐富深入的理論和方法研究?jī)?nèi)容，又有實(shí)際工程應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)是解決我國(guó)風(fēng)力發(fā)電重大安全保障的迫切需求。本課題的工程應(yīng)用前景明確和寬廣，課題的學(xué)術(shù)意義和社會(huì)應(yīng)用價(jià)值均十分重大。

風(fēng)力機(jī)結(jié)冰檢測(cè)理論的基礎(chǔ)上，利用以光纖式結(jié)冰傳感器為主的多傳感器系統(tǒng)，探測(cè)結(jié)冰光強(qiáng)信號(hào)，并經(jīng)過(guò)電子系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，而數(shù)據(jù)采集模塊則完成下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，最終把結(jié)冰告警信息實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面上，并通過(guò)繼電器輸出模塊控制結(jié)冰告警輸出。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)室結(jié)冰及雨水干擾試驗(yàn)得到了結(jié)冰告警和雨水干擾的設(shè)定依據(jù)。

研究風(fēng)力機(jī)結(jié)冰檢測(cè)的關(guān)鍵理論。其中包括結(jié)冰的快速計(jì)算理論，光纖式結(jié)冰傳感器理論和微弱信號(hào)檢測(cè)理論。

風(fēng)力機(jī)結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)冰狀態(tài)分析方法和光纖式結(jié)冰傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確獲取風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰狀態(tài)，從而進(jìn)行結(jié)冰預(yù)警，結(jié)冰檢測(cè)。該系統(tǒng)主要涉及以下三方面的理論：即結(jié)冰的快速計(jì)算理論，光纖式結(jié)冰傳感器理論和微弱信號(hào)檢測(cè)理論。

1.結(jié)冰的快速計(jì)算理論

為了建立探測(cè)器結(jié)冰與風(fēng)力機(jī)結(jié)冰之間的聯(lián)系，需要對(duì)探測(cè)器結(jié)冰和風(fēng)力機(jī)結(jié)冰情況進(jìn)行快速計(jì)算，我們采用如下公式計(jì)算結(jié)冰厚度：

2.壁面邊界條件

對(duì)于水滴相計(jì)算，不同于空氣流場(chǎng)，在計(jì)算面壁時(shí)應(yīng)采用壁面吸入邊界條件，即如果水滴與物面碰撞，則認(rèn)為水滴從碰撞點(diǎn)流出。

3.水滴收集率的計(jì)算

系統(tǒng)由探測(cè)器（包括光纖傳感器）、光電收發(fā)模塊、信號(hào)處理與通信模塊和上位機(jī)這四大部分組成。除去上位機(jī)之外的其余三部分構(gòu)成了系統(tǒng)的硬件。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖

3-1所示。

三、信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)，綜合應(yīng)用多支不同類型的光纖式結(jié)冰傳感器對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)冰狀況進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前結(jié)冰狀況并發(fā)出告警信號(hào)。其硬件部分完成對(duì)傳感器前端數(shù)據(jù)的采集，調(diào)理，并將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。由于風(fēng)力機(jī)結(jié)冰探測(cè)系統(tǒng)是用來(lái)保障風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的首要問(wèn)題就是穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，即系統(tǒng)要能穩(wěn)定運(yùn)行，不能出現(xiàn)故障導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)行，同時(shí)要有較高的精度，能夠在探測(cè)點(diǎn)結(jié)冰厚度達(dá)到2mm時(shí)開(kāi)始告警；鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)存在電磁環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)要有很強(qiáng)的抗干擾性。

電子系統(tǒng)主要包括5個(gè)結(jié)冰信號(hào)探測(cè)電路、1個(gè)電源轉(zhuǎn)換電路。溫度探測(cè)、數(shù)據(jù)采集和485總線傳輸由數(shù)據(jù)模塊完成。結(jié)冰信號(hào)探測(cè)電路又包括光源發(fā)射電路、差分放大器、同步積分器、相關(guān)器及低通濾波器。光源發(fā)射電路中方波發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)一方面作為開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)三極管放大后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，另一方面，作為同步積分器和相關(guān)器的參考信號(hào)；差分放大器通過(guò)兩路接收探測(cè)器信號(hào)的相減作為輸入信號(hào)，能夠很好的減小背景光的影響；同步積分器在信號(hào)通道中可作為頻率自動(dòng)跟蹤濾波器，濾除差分放大器輸出信號(hào)中的部分噪聲；相關(guān)器再利用互相關(guān)原理，使輸入待測(cè)的周期信號(hào)和頻率相同的參考信號(hào)在相關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)運(yùn)算，從而將深埋在噪聲中的周期信號(hào)攜帶的信息檢測(cè)出來(lái)。溫度探測(cè)器在結(jié)冰測(cè)量中起到輔助的作用，一方面，在一定條件下，結(jié)冰的冰型和溫度有很大的關(guān)系，另一方面，檢測(cè)電路只有在溫度滿足條件的情況下才工作并上傳數(shù)據(jù)，其他時(shí)間處于不工作的狀態(tài)。

風(fēng)力機(jī)結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)，包括探測(cè)器（包括傳感器）設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。在各個(gè)部分的設(shè)計(jì)中綜合考慮了系統(tǒng)的精確性、可靠性和實(shí)時(shí)性。

四、各項(xiàng)參數(shù)

檢測(cè)參數(shù)：結(jié)冰、結(jié)冰厚度、積水、溫度

量程：覆冰：0-0.3 ,0.3-50mm. 50-100mm

分辨率：0.2mm

檢測(cè)精度：0.5mm

電源電壓：3.3V ,5 V,12V, 24VD

功率：＜0.4W

靈敏度：0.4℃

通信方式：4-20mA.RS485 MODBUS

溫度輸出：-40℃~85℃

溫度補(bǔ)償范圍：-40℃~85℃

探頭材質(zhì)：SUS304 /Teflon.四氟

環(huán)境溫度：-40℃~85℃

外形尺寸：Φ25*20mm Φ32*20mm Φ40*20mm（可根據(jù)需求定制外形尺寸）

防護(hù)等級(jí)：IP67

五、結(jié)冰傳感器系列選型要求;

六、精籟電子可延伸技術(shù)：

1、與上層PLC控制系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)自控（主推三菱系列PLC、西門子PLC、施耐德PLC）。

2、藍(lán)牙手機(jī)顯示功能，在手機(jī)端顯示液位高度（藍(lán)牙距離10米）。

3、可支持GPRS遠(yuǎn)程傳輸，GSM遠(yuǎn)程通信。

4、可支持232、485通信，（MODBUS通信協(xié)議等）。

5、可支持DCS組態(tài)顯示。

七、檢測(cè)性能

衡量結(jié)冰傳感器檢測(cè)性能的參數(shù)主要有：分辨率、靈敏度、溫度系數(shù)、準(zhǔn)確度、精確度等。

分辨率是指結(jié)冰傳感器能夠感知的最小結(jié)冰厚度。

靈敏度是指結(jié)冰厚度變化與結(jié)冰傳感器輸出變化的比值。

溫度系數(shù)是指沒(méi)有結(jié)冰信號(hào)時(shí)，結(jié)冰傳感器的輸出變化與溫度變化的比值。

準(zhǔn)確度是指用結(jié)冰傳感器對(duì)同一結(jié)冰厚度進(jìn)行檢測(cè)，得到一系列數(shù)據(jù)，這一系列數(shù)據(jù)的中心點(diǎn)與實(shí)際結(jié)冰厚度的接近程度。

精確度是指上述一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)于其中心點(diǎn)的分散程度。

八、安裝方式

安裝在可能結(jié)冰影響安全的場(chǎng)所，探頭部分需要將探頭的探測(cè)薄膜與需要探測(cè)的物質(zhì)接觸，使所需探測(cè)的物質(zhì)結(jié)冰的同時(shí)，探頭也可以同步結(jié)冰。才能使產(chǎn)品探測(cè)有效。

九、維護(hù)與使用

產(chǎn)品探頭不應(yīng)被其他物體覆蓋遮擋，不需要太多維護(hù)，只需要定期檢查是否有物體遮擋住探頭或者灰塵堆積過(guò)多影響精度。

十、訂貨須知：

1、型號(hào)規(guī)格

2、測(cè)量場(chǎng)所

3、工作壓力

4、工作溫度

5、材質(zhì)要求

6、測(cè)量精度

7、輸出信號(hào)要求