一、概述

風(fēng)力機葉片結(jié)冰會改變風(fēng)力機葉片的氣動外型并降低風(fēng)力機的運行效率。假如葉片覆冰會改變?nèi)~片的外部形狀和氣動性能,增大葉片阻力、減少升力,影響全機操縱性、穩(wěn)定性;最終導(dǎo)致風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率降低,嚴重的可導(dǎo)致葉片的損毀,發(fā)生運行事故,風(fēng)力機葉片結(jié)冰已經(jīng)成為保證風(fēng)力機安全運行需要解決的迫切問題。 首先介紹結(jié)冰的快速計算理論，光纖式結(jié)冰傳感器理論和微弱信號檢測理論，然后以此為基礎(chǔ)分別從探測器（包括光纖傳感器），信號處理電路，上位機監(jiān)控軟件和通信協(xié)議四大方面對系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計。探測器和信號處理電路實現(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變化；上位機監(jiān)控軟件主要完成了串口通信模塊設(shè)計，數(shù)據(jù)圖形顯示模塊設(shè)計，數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計，對硬件系統(tǒng)傳送過來的結(jié)冰電壓信號進行處理，并提供良好的人機界面，顯示當(dāng)前結(jié)冰告警狀態(tài)，并把實時數(shù)據(jù)保存到文件夾中。完成了本系統(tǒng)的結(jié)冰的信號處理和雨水干擾的分析。

現(xiàn)場實踐結(jié)果表明：本系統(tǒng)用于風(fēng)力機結(jié)冰檢測是可行的，可完成結(jié)冰告警功能，同時利用微波打落冰層.其結(jié)果是非常的。 據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)今的風(fēng)力發(fā)電機裝機總量約為50,000 MW，并且該數(shù)字以每年30%的比例高速增長。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)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(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)力機葉片結(jié)冰會給風(fēng)力機的安全和高效運行帶來較大危害。當(dāng)風(fēng)力機葉片表面發(fā)生結(jié)冰后，其氣動外型會受到破壞，此時風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率會大大降低；當(dāng)結(jié)冰累積到一定程度后，風(fēng)力機葉片更有可能發(fā)生損毀并且引發(fā)運行事故。 目前在風(fēng)力機葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測領(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，實現(xiàn)對風(fēng)力機葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測，及時準確獲取風(fēng)力機葉片的結(jié)冰狀態(tài)，從而進行結(jié)冰預(yù)警，結(jié)冰檢測，消除結(jié)冰對風(fēng)力機的危害，這對風(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，越來越受到世界各國的重視。中國風(fēng)能儲量很大、分布面廣，為我國發(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)力機發(fā)電的重要部件，葉片表面結(jié)冰會致使其質(zhì)量分布和翼型發(fā)生顯著變化，影響風(fēng)力機發(fā)電性能，嚴重的會出現(xiàn)故障和事故，甚至發(fā)生破壞現(xiàn)象。

目前在國內(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)力機葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測這個應(yīng)用領(lǐng)域。國內(nèi)已設(shè)計出的風(fēng)力機葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測裝置主要應(yīng)用磁致伸縮原理，只能通過傳感器的結(jié)冰程度來判斷葉片結(jié)冰情況，檢測效果受電磁干擾影響較大。

與國內(nèi)相比，國外的對風(fēng)力機結(jié)冰檢測起步早、重視度高，對風(fēng)力機結(jié)冰模型的研究較為透徹，其風(fēng)力機結(jié)冰檢測技術(shù)也國內(nèi)水平。其中，發(fā)展相對成熟的結(jié)冰檢測主要方法有：電學(xué)法、機械法、光學(xué)法、波導(dǎo)法等。

二、工作原理

該類結(jié)冰探測技術(shù)是利用結(jié)冰的電學(xué)性質(zhì)而開發(fā)的結(jié)冰傳感器，運用普遍的電容式，它利用冰、水、空氣的介電常數(shù)的不同來判斷電極之間是冰、水、還是空氣，并且還可以根據(jù)測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Innovative Dynamics公司開發(fā)的電容式傳感器，該傳感器能夠檢測的結(jié)冰厚度范圍0.5mm~1.5mm、1.5-50mm。

（一）光學(xué)法

該類結(jié)冰探測技術(shù)是利用結(jié)冰對光的反射、吸收、散射等作用而開發(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，會有一部分光返回到接收光纖，通過檢測接收光纖所接收的光強就可以推算出結(jié)冰厚度。早在2003年，希臘科學(xué)家成功開發(fā)了種光纖式結(jié)冰傳感器，后來英國也開發(fā)出一種具有性能的光纖式結(jié)冰傳感器，它能檢測到小到0.1mm的結(jié)冰。

（二）波導(dǎo)法

該類結(jié)冰探測技術(shù)是利用結(jié)冰對聲波或者其它波的吸收和反射作用開發(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)冰傳感器已成功運用于空中加油飛機Cessna Cruader303，該傳感器可以檢測厚達25mm。

隨著風(fēng)力發(fā)電裝機量在快速發(fā)展，風(fēng)力機的安全運行問題已受到更為廣泛的關(guān)注。但作為保障風(fēng)力機安全運行的關(guān)鍵技術(shù)，風(fēng)力機結(jié)冰檢測技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展仍然相對落后。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內(nèi)容，又有實際工程應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)的研究開發(fā)是解決我國風(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)意義和社會應(yīng)用價值均十分重大。

風(fēng)力機結(jié)冰檢測理論的基礎(chǔ)上，利用以光纖式結(jié)冰傳感器為主的多傳感器系統(tǒng)，探測結(jié)冰光強信號，并經(jīng)過電子系統(tǒng)進行信號調(diào)理，而數(shù)據(jù)采集模塊則完成下位機與上位機之間的數(shù)據(jù)通信，最終把結(jié)冰告警信息實時顯示在上位機界面上，并通過繼電器輸出模塊控制結(jié)冰告警輸出。最后通過實驗室結(jié)冰及雨水干擾試驗得到了結(jié)冰告警和雨水干擾的設(shè)定依據(jù)。

研究風(fēng)力機結(jié)冰檢測的關(guān)鍵理論。其中包括結(jié)冰的快速計算理論，光纖式結(jié)冰傳感器理論和微弱信號檢測理論。

風(fēng)力機結(jié)冰檢測系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)冰狀態(tài)分析方法和光纖式結(jié)冰傳感器，實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測，及時準確獲取風(fēng)力機葉片結(jié)冰狀態(tài)，從而進行結(jié)冰預(yù)警，結(jié)冰檢測。該系統(tǒng)主要涉及以下三方面的理論：即結(jié)冰的快速計算理論，光纖式結(jié)冰傳感器理論和微弱信號檢測理論。

1.結(jié)冰的快速計算理論

為了建立探測器結(jié)冰與風(fēng)力機結(jié)冰之間的聯(lián)系，需要對探測器結(jié)冰和風(fēng)力機結(jié)冰情況進行快速計算，我們采用如下公式計算結(jié)冰厚度：

2.壁面邊界條件

對于水滴相計算，不同于空氣流場，在計算面壁時應(yīng)采用壁面吸入邊界條件，即如果水滴與物面碰撞，則認為水滴從碰撞點流出。

3.水滴收集率的計算

系統(tǒng)由探測器（包括光纖傳感器）、光電收發(fā)模塊、信號處理與通信模塊和上位機這四大部分組成。除去上位機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、信號處理電路設(shè)計

風(fēng)力機結(jié)冰檢測系統(tǒng)，綜合應(yīng)用多支不同類型的光纖式結(jié)冰傳感器對風(fēng)力機葉片的結(jié)冰狀況進行檢測，實時顯示當(dāng)前結(jié)冰狀況并發(fā)出告警信號。其硬件部分完成對傳感器前端數(shù)據(jù)的采集，調(diào)理，并將數(shù)據(jù)上傳給上位機進行后續(xù)處理。由于風(fēng)力機結(jié)冰探測系統(tǒng)是用來保障風(fēng)力機的安全運行，因此系統(tǒng)設(shè)計要解決的首要問題就是穩(wěn)定性和準確性，即系統(tǒng)要能穩(wěn)定運行，不能出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法運行，同時要有較高的精度，能夠在探測點結(jié)冰厚度達到2mm時開始告警；鑒于風(fēng)力發(fā)電機組現(xiàn)場存在電磁環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)要有很強的抗干擾性。

電子系統(tǒng)主要包括5個結(jié)冰信號探測電路、1個電源轉(zhuǎn)換電路。溫度探測、數(shù)據(jù)采集和485總線傳輸由數(shù)據(jù)模塊完成。結(jié)冰信號探測電路又包括光源發(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)生的方波信號一方面作為開關(guān)電路的開關(guān)信號，經(jīng)三極管放大后驅(qū)動紅外發(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；差分放大器通過兩路接收探測器信號的相減作為輸入信號，能夠很好的減小背景光的影響；同步積分器在信號通道中可作為頻率自動跟蹤濾波器，濾除差分放大器輸出信號中的部分噪聲；相關(guān)器再利用互相關(guān)原理，使輸入待測的周期信號和頻率相同的參考信號在相關(guān)器中實現(xiàn)互相關(guān)運算，從而將深埋在噪聲中的周期信號攜帶的信息檢測出來。溫度探測器在結(jié)冰測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)，其他時間處于不工作的狀態(tài)。

風(fēng)力機結(jié)冰檢測系統(tǒng)的研制與開發(fā)，包括探測器（包括傳感器）設(shè)計、硬件設(shè)計及軟件設(shè)計。在各個部分的設(shè)計中綜合考慮了系統(tǒng)的精確性、可靠性和實時性。

四、各項參數(shù)

檢測參數(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）

防護等級：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)連接實現(xiàn)自控（主推三菱系列PLC、西門子PLC、施耐德PLC）。

2、藍牙手機顯示功能，在手機端顯示液位高度（藍牙距離10米）。

3、可支持GPRS遠程傳輸，GSM遠程通信。

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、檢測性能

衡量結(jié)冰傳感器檢測性能的參數(shù)主要有：分辨率、靈敏度、溫度系數(shù)、準確度、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)是指沒有結(jié)冰信號時，結(jié)冰傳感器的輸出變化與溫度變化的比值。

準確度是指用結(jié)冰傳感器對同一結(jié)冰厚度進行檢測，得到一系列數(shù)據(jù)，這一系列數(shù)據(jù)的中心點與實際結(jié)冰厚度的接近程度。

精確度是指上述一系列數(shù)據(jù)點相對于其中心點的分散程度。

八、安裝方式

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

九、維護與使用

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

十、訂貨須知：

1、型號規(guī)格

2、測量場所

3、工作壓力

4、工作溫度

5、材質(zhì)要求

6、測量精度

7、輸出信號要求