一、概述

風力機葉片結冰會改變風力機葉片的氣動外型并降低風力機的運行效率。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;最終導致風能的轉化效率降低,嚴重的可導致葉片的損毀,發(fā)生運行事故,風力機葉片結冰已經(jīng)成為保證風力機安全運行需要解決的迫切問題。 首先介紹結冰的快速計算理論，光纖式結冰傳感器理論和微弱信號檢測理論，然后以此為基礎分別從探測器（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)進行了詳細設計。探測器和信號處理電路實現(xiàn)了從傳感器端的微弱結冰狀態(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計，數(shù)據(jù)圖形顯示模塊設計，數(shù)據(jù)存儲模塊設計，對硬件系統(tǒng)傳送過來的結冰電壓信號進行處理，并提供良好的人機界面，顯示當前結冰告警狀態(tài)，并把實時數(shù)據(jù)保存到文件夾中。完成了本系統(tǒng)的結冰的信號處理和雨水干擾的分析。

現(xiàn)場實踐結果表明：本系統(tǒng)用于風力機結冰檢測是可行的，可完成結冰告警功能，同時利用微波打落冰層.其結果是非常的。 據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)今的風力發(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。風力發(fā)電作為風能利用的主要方式，是當今清潔能源中技術和發(fā)展前景發(fā)電方式之一。 風力發(fā)電是將風能轉化為電能的發(fā)電方式，其原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風車技術，大約是每秒三公尺的風速(微風的程度)，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)的風力機葉片結冰會給風力機的安全和高效運行帶來較大危害。當風力機葉片表面發(fā)生結冰后，其氣動外型會受到破壞，此時風能的轉化效率會大大降低；當結冰累積到一定程度后，風力機葉片更有可能發(fā)生損毀并且引發(fā)運行事故。 目前在風力機葉片結冰狀態(tài)檢測領域的研究和應用還處于初期階段。應用已有的結冰狀態(tài)分析方法和新型的光纖式結冰傳感器等，實現(xiàn)對風力機葉片結冰狀態(tài)檢測，及時準確獲取風力機葉片的結冰狀態(tài)，從而進行結冰預警，結冰檢測，消除結冰對風力機的危害，這對風力發(fā)電事業(yè)具有很重要的意義。

風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。中國風能儲量很大、分布面廣，為我國發(fā)展風力發(fā)電事業(yè)提供了很好的基礎。風車葉片是風力機發(fā)電的重要部件，葉片表面結冰會致使其質(zhì)量分布和翼型發(fā)生顯著變化，影響風力機發(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)，結冰傳感器的研究和應用還處于初期階段，特別是在風力機葉片結冰狀態(tài)檢測這個應用領域。國內(nèi)已設計出的風力機葉片結冰狀態(tài)檢測裝置主要應用磁致伸縮原理，只能通過傳感器的結冰程度來判斷葉片結冰情況，檢測效果受電磁干擾影響較大。

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

二、工作原理

該類結冰探測技術是利用結冰的電學性質(zhì)而開發(fā)的結冰傳感器，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冰厚度。典型的電容式結冰傳感器有美國Innovative Dynamics公司開發(fā)的電容式傳感器，該傳感器能夠檢測的結冰厚度范圍0.5mm~1.5mm、1.5-50mm。

（一）光學法

該類結冰探測技術是利用結冰對光的反射、吸收、散射等作用而開發(fā)的結冰傳感器，光纖式結冰傳感器是典型的光學傳感器。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冰厚度。早在2003年，希臘科學家成功開發(fā)了種光纖式結冰傳感器，后來英國也開發(fā)出一種具有性能的光纖式結冰傳感器，它能檢測到小到0.1mm的結冰。

（二）波導法

該類結冰探測技術是利用結冰對聲波或者其它波的吸收和反射作用開發(fā)的結冰傳感器，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。

隨著風力發(fā)電裝機量在快速發(fā)展，風力機的安全運行問題已受到更為廣泛的關注。但作為保障風力機安全運行的關鍵技術，風力機結冰檢測技術在國內(nèi)的發(fā)展仍然相對落后。因此，能否從基礎理論和技術方法研究入手，提出既有豐富深入的理論和方法研究內(nèi)容，又有實際工程應用系統(tǒng)技術的研究開發(fā)是解決我國風力發(fā)電重大安全保障的迫切需求。本課題的工程應用前景明確和寬廣，課題的學術意義和社會應用價值均十分重大。

風力機結冰檢測理論的基礎上，利用以光纖式結冰傳感器為主的多傳感器系統(tǒng)，探測結冰光強信號，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冰告警輸出。最后通過實驗室結冰及雨水干擾試驗得到了結冰告警和雨水干擾的設定依據(jù)。

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

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

1.結冰的快速計算理論

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

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成了系統(tǒng)的硬件。系統(tǒng)總體結構框圖如圖

3-1所示。

三、信號處理電路設計

風力機結冰檢測系統(tǒng)，綜合應用多支不同類型的光纖式結冰傳感器對風力機葉片的結冰狀況進行檢測，實時顯示當前結冰狀況并發(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。由于風力機結冰探測系統(tǒng)是用來保障風力機的安全運行，因此系統(tǒng)設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)故障導致無法運行，同時要有較高的精度，能夠在探測點結冰厚度達到2mm時開始告警；鑒于風力發(fā)電機組現(xiàn)場存在電磁環(huán)境復雜，系統(tǒng)要有很強的抗干擾性。

電子系統(tǒng)主要包括5個結冰信號探測電路、1個電源轉換電路。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電路的開關信號，經(jīng)三極管放大后驅動紅外發(fā)光二極管，另一方面，作為同步積分器和相關器的參考信號；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；相關器再利用互相關原理，使輸入待測的周期信號和頻率相同的參考信號在相關器中實現(xiàn)互相關運算，從而將深埋在噪聲中的周期信號攜帶的信息檢測出來。溫度探測器在結冰測量中起到輔助的作用，一方面，在一定條件下，結冰的冰型和溫度有很大的關系，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)。

風力機結冰檢測系統(tǒng)的研制與開發(fā)，包括探測器（包括傳感器）設計、硬件設計及軟件設計。在各個部分的設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)：結冰、結冰厚度、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、結冰傳感器系列選型要求;

六、精籟電子可延伸技術：

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。

分辨率是指結冰傳感器能夠感知的最小結冰厚度。

靈敏度是指結冰厚度變化與結冰傳感器輸出變化的比值。

溫度系數(shù)是指沒有結冰信號時，結冰傳感器的輸出變化與溫度變化的比值。

準確度是指用結冰傳感器對同一結冰厚度進行檢測，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)結冰的同時，探頭也可以同步結冰。才能使產(chǎn)品探測有效。

九、維護與使用

產(chǎn)品探頭不應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