CN102235299A - 叶片应变计的温度校准方法和包含应变计的风力转子叶片 - Google Patents

叶片应变计的温度校准方法和包含应变计的风力转子叶片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及叶片应变计的温度校准方法和包含应变计的风力转子叶片。提供了一种用于风力涡轮机(100)的转子叶片(110)的应变传感器(160)的温度校准的方法，该方法包括：在其中转子叶片(110)基本不会由于风而发生弯曲的模式中运行风力涡轮机(100)；针对在应变传感器(160)的位置处测量的多个温度，反复地测量转子叶片(110)的重力引起的弯曲力矩；确定应变传感器(160)对温度的温度依赖性；基于应变传感器(160)的所确定的温度依赖性来校准应变传感器(160)，使得应变传感器(160)的温度依赖性被补偿。

Description

叶片应变计的温度校准方法和包含应变计的风力转子叶片
技术领域
本公开涉及风力涡轮机。具体而言，本公开涉及适于执行应变传感器的温度校准的风力涡轮机转子叶片，以及用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。
背景技术
虽然目前水平轴风力涡轮机发展良好，但是仍然有大量的工程工作在进行，以便进一步改进它们的总效率、功率发生容量和稳健性。
现代风力涡轮机设计成以便在特定的地理区域产生最大量的能量。因此，风力涡轮机运行而使得运行风速范围增大。这增大了风力涡轮机的几乎所有部件-尤其是典型地由重量轻的材料(如玻璃或碳纤维)生产的转子叶片-上的载荷。过量的载荷将导致转子叶片的疲劳故障。因为应当最大程度地增加功率发生量，所以风力涡轮机转子叶片越来越靠近它们的疲劳极限来运行。
因为应当避免转子叶片的疲劳故障，所以存在确切地知道将在何时发生那些疲劳故障的需要。典型地，疲劳故障将在明确定义的应力下发生在转子叶片的材料内。因为用来制造转子叶片的材料的材料常数是已知的，所以人们可预先确定材料会断裂时所处的压力。
发明内容
鉴于以上所述，提供了一种转子叶片，其包括布置在该转子叶片的表面处的第一应变传感器，以及布置成邻近该第一应变传感器的第一温度传感器。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。该方法包括：在其中转子叶片基本不会由于风而发生弯曲的模式中运行风力涡轮机；针对在应变传感器的位置处测量的多个温度，反复地测量转子叶片的重力引起的弯曲力矩；根据所述测量的数据来确定应变传感器的温度依赖性；基于应变传感器的所确定的温度依赖性来校准应变传感器，使得应变传感器的温度依赖性被补偿。
根据本公开的又一方面，提供了另一种用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。该方法包括：控制转子叶片的所述应变传感器位于其中的部分的温度；使用应变传感器来测量应变；测量应变传感器的位置处的温度；改变受控温度以及在不同的温度下重复应变和温度的测量；根据所述测量的数据来确定应变传感器的温度依赖性；以及基于应变传感器的所确定的温度依赖性来校准该应变传感器，使得该应变传感器的温度依赖性被补偿。
根据从属权利要求、说明书和附图，本发明的另外的方面、优点和特征是显而易见的。
附图说明
在说明书的剩余部分中(包括对附图的参照)更具体地阐述了对本领域普通技术人员而言完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书对附图进行了参照，在附图中：
图1是具有根据本文所述的实施例的转子叶片的风力涡轮机的示意性侧视图。
图2是在本文所述的实施例中使用的惠斯通电桥电路的示意图。
图3是示出了彼此电气连接以形成在本文所述的实施例中使用的惠斯通电桥电路的四个应变计的示意图。
图4、5、6和7是根据本文所述的实施例的风力涡轮机转子叶片的示意性纵截面图。
图8示出了根据本文所述的实施例的用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。
图9示出了测量的叶片力矩曲线和在本文所述的实施例中使用的参数跨度比和偏移差之间的关系。
图10示出了根据本文所述的实施例的另一种用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。
图11是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性纵截面图。
图12是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性纵截面图。
图13是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性透视图。
图14是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性纵截面图。
图15是根据本文所述的实施例的风力涡轮机的转子叶根的示意性透视图。
图16示出了根据本文所述的实施例的另外又一种用于布置在风力涡轮机的转子叶片处的应变传感器的温度校准的方法。
部件列表
100    风力涡轮机
110    转子叶片
111    吸力侧
112    压力侧
113    前缘
114    后缘
115    翼型部分
120    转子轮毂
130    机舱
140     塔架
150     转子叶根
160     应变传感器
170     温度传感器
180     应变计
181-184 惠斯通电桥电阻器
190     惠斯通电桥电路
191-194 惠斯通电桥触头
200     加热器
210     加热垫
300-350 方法步骤
400-440 方法步骤
500-550 方法步骤
具体实施方式
现在将对多个实施例作出详细参照，实施例的一个或多个实例在各图中示出。各个实例以说明的方式来提供，且它们不意在作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可在其它实施例上使用或与其它实施例结合使用，以产生又一个实施例。意图的是，本公开包括这种修改和变型。
图1是风力涡轮机100的示意性侧视图。风力涡轮机100包括三个转子叶片110，但是根据其它实施例，可具有更多或更少的叶片110。转子叶片110安装在转子轮毂120上，转子轮毂120连接到机舱130上。机舱130固定在塔架140的顶部上。转子叶片110包括适于测量转子叶片110的弯曲力矩的应变传感器。
风力涡轮机的转子叶片会由于风载荷、重力和离心力而经受相当大的力和力矩。这种叶片力矩典型地与转子叶片的拉伸或弯曲成比例，该拉伸或弯曲可由应变传感器测量。典型的应变传感器是应变计，其可实现为平的电阻器。那些平的电阻器的电阻根据传感器的长度变动而线性地变化。典型地，那些应变计结合或粘合到被测试的转子叶片的表面上。应变计可测量微小的相对长度变动，小到10-6。
应变计的基本参数是它对应变的灵敏度，在数量上表示为应变计系数(GF)。应变计系数定义为电阻的相对变化(ΔR/R)与应变的比，该应变是长度的相对变化(ΔL/L)：
GF = ΔR / R ΔL / L
对于金属箔应变计，应变计系数典型地为约2。
典型地，应变测量很少涉及大于10-3的应变。因此，典型地，将测量小于1Ω的电阻变化。为了测量这种小的电阻变化，应变计典型地以包括电压激励源的惠斯通电桥构造来使用。
典型地，电阻应变计结合到转子叶片的表面上，以便检测表面中的应变。但是，应变计会展现出温度依赖性，并且因此应当运行而使得由于温度变化引起的不准确性得到补偿或至少减小。这不仅是由于在结合的电阻应变计细丝中使用的大多数导电材料的电阻会随温度而变化，而且还因为应变计细丝的热膨胀系数(CTE)通常不同于它结合到其上的结构的CTE，以及由于热膨胀所导致的对应变的灵敏度或对应变的测量是不希望的且会导致测量不准确。因此，即使应变计的细丝不是直接温度敏感的，因为其电阻随温度变化而变化，它仍然将经受关于温度的错误的应变指示，除非它具有与它结合到其上的表面的CTE匹配的热膨胀系数。这种匹配是困难且昂贵的，因为如果结合到铝或一些其它材料上，与钢匹配的应变计很可能出错，反之亦然。
温度变动会在应变计中造成多种影响。测量目标由于热膨胀而在大小上有变化，这作为应变来检测。应变计的电阻和连接导线的电阻将变化。应变计的电阻变化与长度变化在相同幅度上。典型地，它们均在10-6的级上。为了测量这种小的电阻变化，应变计典型地以具有电压激励源的惠斯通电桥布置来使用。
因为温度变动也导致(应变)计细丝的电阻变动，所以应当采用一些手段来消除这些温度变化对应变测量的影响。伴随着温度变动的电阻变动不仅由导线细丝的电阻率的热系数所导致，而且还由导线和测试结构的线性CTE的差异所导致。因此，特定(应变)计的温度灵敏度将根据它固定到其上的材料而改变，并且对于各种各样的测试材料，任何补偿系统都必须是可使用的。这种温度灵敏度通常是作为“明显的应变”而非电阻的变动而经历的，因为最终的误差计算必须与实际应变测量相关。用于应变计的使用最广泛的温度补偿装置，即上面提到的惠斯通电桥，利用了它们电气连接到其上的电气系统，并且还利用了它们固定到其上的机械系统。
可使用惠斯通电桥电路来将不期望的温度影响补偿至良好的程度。但是，由于应变传感器和下面的材料的不同的CTE而引起的差异可能不会完全被补偿。这可通过严格的温度校准来实现，其中，应变传感器测量转子叶片的多个位置处的应变，同时测量那些应变传感器处的温度。
图2显示了惠斯通电桥电路190(其将用于本文所公开的实施例中)的示意图。惠斯通电桥电路190包括四个电阻器181、182、183和184，它们彼此连接，以形成如图2中所描绘的那样布置的四个电阻器181、182、183和184的闭环。在电阻器181、182、183和184的结点处提供了四个惠斯通电桥触头191、192、193和194。典型地，在惠斯通电桥触头191和194之间施加激励电压VB，并且在触头192和193之间测量电桥电压V。电桥电压V等于：
V = V B [ R 181 R 181 + R 182 - R 184 R 183 + R 184 ] .
这里，R181、R182、R183和R184是四个电阻器181、182、183和184的电阻。如果比R182/R181等于比R183/R184，电压V等于零，在这种情况下，认为惠斯通电桥是平衡的。电桥的任何电阻器的电阻的任何变化都会导致有非零电桥电压，如果四个电阻器181、182、183和184的电阻变动不相等，则典型地是这种情况。
在风力涡轮机的情况下，四个电阻器181、182、183和184典型地由应变传感器或应变计来实现。有使用具有应变计的惠斯通电桥的各种可能性。仅使用一个应变计作为惠斯通电桥电阻器是可行的，在该情况下，惠斯通电桥电路称为四分之一电桥电路。如果使用两个应变计作为惠斯通电桥电阻器，该惠斯通电桥电路称为半电桥电路。如果所有的惠斯通电桥电阻器均是应变计，则惠斯通电桥电路称为全电桥电路。全惠斯通电桥的测量的信号与待测应变线性地成比例。
典型地，为了测量转子叶片的应变，两个应变传感器在转子叶根处测量相反符号的应变。如果例如转子叶根朝向一定的方向弯曲，则相反符号的应变出现在转子叶根的沿周边相对的位置处。在缘向弯曲的情况下，应变传感器平行于缘向方向而布置在转子叶根的相对的内壁上。各个应变传感器包括两个应变计，它们两者都沿着从转子叶根到转子叶尖的方向排列。各个应变传感器的应变计布置在惠斯通电桥电路190的相对的侧上。在那种情况下，测量的电压V与转子叶片110的缘向应变线性地成比例。在那种情况下，在同一应变传感器的应变计(因此通常在同一位置处)之间实现了CTE的补偿。但是，转子叶片的不同位置处的应变计被CTE补偿的其它应变计布置也是可行的。
为了另外测量拍打方向(flapwise)应变，可使用另外的惠斯通电桥电路，其应变传感器布置成平行于拍打方向。
图3是示出了彼此电气连接以形成惠斯通电桥电路190的四个应变计的示意图。惠斯通电桥电阻器181、182、183和184由四个应变计来实现。电阻器181和183形成左侧应变传感器160，而电阻器182和184形成右侧应变传感器160。四个应变计沿着从转子叶根到转子叶尖的方向排列，该方向由图3中的箭头指示。左侧应变传感器160布置在转子叶根的内部、在周向上与右侧应变传感器160相对。因此，与右侧应变传感器160相比，左侧应变传感器160测量相反的相等的应变。因为在左侧的电阻器181和183布置在转子叶根的同一位置处，所以它们典型地被温度补偿至良好的程度。因为在右侧的电阻器182和184也布置在转子叶根的同一位置处，所以典型地它们也被温度补偿至良好的程度。
四个惠斯通电桥触头191、192、193和194连接四个惠斯通电桥电阻器181、182、183和184。这产生了图2的实施例中的惠斯通电桥电路190，其典型地测量转子叶片的缘向或拍打方向应变。
为了同时测量缘向和拍打方向弯曲，提供了两个惠斯通电桥电路190，它们适于沿基本正交的方向测量转子叶片的弯曲。这典型地通过使惠斯通电桥电路190布置成彼此正交来实现。
根据其它实施例，惠斯通电桥电阻器181、182、183和184可以以不同的方式连接到惠斯通电桥触头191、192、193和194上。惠斯通电桥电阻器181、182、183和184也可沿着不同的方向排列，例如惠斯通电桥电阻器181和182可沿着水平方向排列，而惠斯通电桥电阻器183和184可沿着竖直方向排列。根据另外的实施例，测量转子叶片的扭矩是可行的。
图4显示了从转子叶根150向转子叶尖看到的、风力涡轮机100的转子叶片110的示意性纵截面图。转子叶根150包括应变传感器160，并且温度传感器170比转子叶片110的翼型部分115更靠近图4的观察者。风在前缘113处撞击转子叶片110，并且在后缘114处离开转子叶片110。风的一部分在转子叶片110的周围在压力侧112上行进，风的另一部分在转子叶片110的周围在转子叶片110的吸力侧111上行进。转子叶片110典型地在转子叶根150处的法兰处具有圆的截面形状。随着一个人从转子叶根150行进到转子叶片110的翼型部分115，此截面形状使其轮廓从圆形变成典型的翼型形状。
转子叶片110包括一个应变传感器160，其布置在转子叶根150的内表面处、转子叶片110的压力侧112的附近。应变传感器160适于测量转子叶片110的沿着从叶根150到叶尖的方向的弯曲力矩。转子叶片110的弦线从前缘113延伸到后缘114。转子叶片110的沿弦线的方向的振动有时称为缘向振动。吸力侧111和压力侧112之间的、垂直于弦线的方向的振动有时称为拍打方向振动。因此，沿着那些振动的方向称为缘向和拍打方向。
在转子叶片110的拍打方向振动的情况下，转子叶根150的沿着从转子叶根到叶尖的方向的弯曲在压力侧112的附近和吸力侧111的附近的部分处非常大。如果应变传感器160位于那些部分处，则可以以高的灵敏度来检测转子叶根150的拍打方向弯曲。
因为与温度相关的影响是应变测量的误差的最普遍的原因，所以应变传感器应当进行温度校准，使得消除测量的数据的温度依赖性。
温度传感器170布置成邻近应变传感器160。温度传感器170测量应变传感器160的位置处的温度。通过这样做，可获得测量的应变数据对局部温度的函数依赖性。还可针对多种转子角位置、多种桨距角设置以及针对不同的温度来测量应变。对于该测量的应变数据，可执行回归分析而关于温度影响来补偿应变传感器160。
图5显示了从转子叶根150向转子叶尖看到的、风力涡轮机100的转子叶片110的示意性纵截面图。转子叶根150包括应变传感器160，并且温度传感器170比转子叶片110的翼型部分115更靠近图5的观察者。
转子叶片110包括两个应变传感器160，它们布置在转子叶根150的内表面处。应变传感器160布置成沿周向彼此相对。一个应变传感器160布置在转子叶片110的吸力侧111的附近；另一个应变传感器160布置在转子叶片110的压力侧112的附近。应变传感器160适于测量转子叶片110的沿着从叶根150到叶尖的方向的弯曲力矩。
在转子叶片110的拍打方向振动的情况下，转子叶根150的弯曲在压力侧112的附近和吸力侧111的附近的部分处较大。如果应变传感器160位于那些部分处，则可以以高的灵敏度来检测转子叶根150的拍打方向弯曲。
对于各个应变传感器160，提供了布置成邻近所述应变传感器160的温度传感器170。应变传感器160的位置处的温度由布置成邻近应变传感器160的温度传感器170来测量。通过这样做，会获得测量的应变数据对局部温度的函数依赖性。还可针对多种转子角位置、多种桨距角设置以及针对不同的温度来测量应变。对于该测量的应变数据，可执行回归分析而关于温度影响来补偿应变传感器160。
根据一些实施例，各个应变传感器160包括两个应变计。两个应变传感器160的总共四个应变计彼此电气连接，以形成全惠斯通电桥电路190，应变计为惠斯通电桥电路190的电阻器。
结合图5的实施例的转子叶片110来使用这种惠斯通电桥电路190，可以以高的准确度来测量转子叶片110的拍打方向的弯曲(flapwise bending)。
图6显示了从转子叶根150向转子叶尖看到的、风力涡轮机100的转子叶片110的示意性纵截面图。转子叶根150包括应变传感器160，并且温度传感器170比转子叶片110的翼型部分115更靠近图6的观察者。
转子叶片110包括两个应变传感器160，它们布置在转子叶根150的内表面处。应变传感器160布置成沿周向彼此相对。一个应变传感器160布置成面向转子叶片110的前缘113；另一个应变传感器160布置成面向转子叶片110的后缘114。应变传感器160适于测量转子叶片110的沿着从叶根150到叶尖的方向的弯曲力矩。因为图6的实施例的应变传感器160沿着缘向方向布置，所以应变传感器160对于测量沿着缘向方向的应变非常敏感。
根据图6的实施例，对于各个应变传感器160，有布置成邻近所述应变传感器160的温度传感器170。应变传感器160的位置处的温度可由温度传感器170测量。通过这样做，会获得测量的应变数据对应变传感器160的位置处的局部温度的依赖性。
图7显示了从转子叶根150向转子叶尖看到的、风力涡轮机100的转子叶片110的示意性纵截面图。转子叶根150包括应变传感器160，并且温度传感器170比转子叶片110的翼型部分115更靠近图7的观察者。
转子叶片110包括四个应变传感器160，它们布置在转子叶根150的内表面处、同一平面中。在图7的顶部和底部处的两个应变传感器160形成第一应变传感器对，而在图7的左侧和右侧处的两个应变传感器160形成第二应变传感器对。应变传感器160对的连接线彼此正交。一个应变传感器160布置在转子叶片110的吸力侧111的附近，一个应变传感器160布置在转子叶片110的压力侧112的附近，一个应变传感器160布置成面向转子叶片110的前缘113，而一个应变传感器160布置成面向转子叶片110的后缘114。应变传感器160适于测量转子叶片110的沿着从叶根150到叶尖的方向的弯曲力矩。
图7的顶部和底部处的第一应变传感器对沿着拍打方向排列。因此，第一应变传感器对对于测量沿着拍打方向的应变敏感。图7的左侧和右侧处的第二应变传感器对沿着缘向方向排列。因此，第二应变传感器对对于测量沿着缘向方向的应变敏感。
根据一些实施例，各个应变传感器160包括两个应变计。四个应变传感器160的总共八个应变计形成两个全惠斯通电桥电路190，应变计为惠斯通电桥电路190的电阻器。第一应变传感器对的四个应变计彼此电气连接，以形成第一全惠斯通电桥电路190。第二应变传感器对的四个应变计彼此电气连接，以形成第二全惠斯通电桥电路190。
根据图7的实施例，对于各个应变传感器160，有布置成邻近所述应变传感器160的温度传感器170。结合图5和6的实施例关于应变传感器160和温度传感器170所述的内容也适用于图7的实施例。
在下述内容中，将描述两种方法，它们使用风力转子的所谓的慢速滚动来校准转子叶片的应变传感器。典型地，慢速滚动的特点在于，风力转子慢慢地旋转，并且几乎没有风载荷施加到转子叶片110上。因此，在慢速滚动期间，转子叶片基本不会由于风而发生弯曲。在慢速滚动期间，发电机的转速介于90和200转每分钟(RPM)之间。这对应于转子轮毂的约1至2RPM和约2至3米每秒(m/s)的风速。相反，当产生电能时，风力涡轮机典型地以12至15RPM运行。
在图8中描绘的第一种方法中，使用所用的应变传感器的出厂设置来确定叶片力矩。该叶片力矩称为测量的叶片力矩M测量。为了确定M测量，使用了拟合函数。M测量然后与计算的叶片力矩M计算作比较。M计算可以以良好的准确度确定，而M测量的值典型地不那么准确，因为这里使用了拟合函数和出厂设置。调节拟合函数的拟合参数，直到M测量和M计算匹配在预先确定的误差边界内为止。在图10中描绘的第二种方法中，针对多种叶片位置和多种温度来测量应变数据。随后，执行测量的应变数据的关于温度的回归分析，从而校准所用应变传感器的温度依赖性。
重力力矩或重力引起的叶片力矩是作用于转子叶片上的源自重力的弯曲力矩。如果转子叶片指向地面，则无弯曲力矩作用于该转子叶片内。因此，叶片力矩取决于转子叶片110的角度，该角度也称为转子位置，当指向上时，转子叶片110具有0°的转子位置。
计算的重力叶片力矩M计算使用公式
M计算＝m叶片·g·L·sina来计算，
其中，m叶片是转子叶片110的质量，g是标准重力，它是由于在地球表面、海平面处的重力引起的名义加速度，α是转子位置角，而L是从转子轴线到转子叶片的重心(COG)的长度。
另外或备选地，计算的重力叶片力矩M计算可通过仿真来确定，该仿真典型地可为多体仿真。那些仿真考虑了转子叶片相对于转子轴线的实际定向、转子叶片的所用材料的刚度等等。
重力叶片力矩可在慢速滚动期间用在转子叶片中提供的应变传感器来测量。典型地，应变传感器用于图2中所描绘的惠斯通电桥电路中。在原则上，在全惠斯通电桥电路中使用的应变传感器的电信号与应变线性地成比例。但是，由于应变传感器的所用应变计和下面的材料有不同的CTE，所以有依赖于温度的偏移并且还有依赖于温度的增益。测量的叶片力矩M测量对应变的依赖性可以以良好的近似性表示如下：
M测量＝offset(T)+gain(T)·strain
其中，offset(T)和gain(T)是依赖于温度的函数。叶片力矩M测量是转子位置α和桨距角的函数。理想地，M测量应当独立于温度。但是实际上，M测量典型地展现温度依赖性，其可通过图8和10的上述方法来补偿。M测量可采用负值。为了确定偏移值，在90°和270°转子位置处-即当转子叶片在3点钟和9点钟位置上时-测量M测量。这些位置可准确地确定，因为测量的应变将在这些位置处展现其最大值，而在12点钟和6点钟位置处经过零。偏移确定为在90°和270°处测量的M测 量值之和除以2。
图8示出了用于布置在风力涡轮机100的转子叶片110处的应变传感器160的温度校准的方法。该方法以在步骤300中完成风力涡轮机100的安装开始。在下一个步骤310中，针对0°和90°的桨距角执行慢速滚动，而同时使用应变传感器160来测量叶片力矩。
在下一个步骤320中，使用应变传感器的测量的电压值和上述公式来确定测量的叶片力矩M测量。运行第一次步骤320，使用应变传感器的出厂设置。
在随后的步骤330中，决定测量的叶片力矩M测量是否等于计算的叶片力矩M计算。如果那些值不匹配在预先确定的误差边界内，则在步骤340中修改上述拟合函数的偏移值和增益值，并且该方法返回到步骤320。步骤340中的偏移值和增益值的修改可手动执行或通过基于机器的算法来执行。现在，在步骤320中，使用经修改的偏移值和增益值来再次确定测量的叶片力矩M测量。如果测量的叶片力矩M测量和计算的叶片力矩M计算匹配在预先确定的误差边界内，则该方法以步骤350继续，在步骤350中，输出所确定的增益值和偏移值。
图9示出了测量的叶片力矩曲线之间的关系和在本文所述的实施例中使用的参数跨度比和偏移差。在图9中，针对转子位置角α绘制了转子叶片力矩。为了得到图9中描绘的测量曲线，两个转子叶片的桨距角设定为65°，而第三转子叶片的桨距角连续地设定为0°、45°和90°。图9中的转子位置角α参照了第三转子叶片。然后使用应变传感器针对转子的三个360°旋转来测量第三转子叶片的叶片力矩。图9中的绘制出的曲线通过在测量的转子叶片力矩的三次旋转上取平均值来确定。
图9中的实线曲线是在温度T0处使用应变传感器测量的典型的测量曲线，其在工厂中用于应变传感器的初始温度校准。虚线曲线显示了相同的测量，但是针对不同的温度T。两条曲线均为正弦曲线，因为转子叶片力矩是转子叶片角α的正弦函数。人们将注意到，两条曲线的顶点-顶点幅度是不同的，在温度T处测量的虚线曲线是2MT，而在温度T0处测量的实线曲线是2M0。除了不同的顶点-顶点幅度之外，实线曲线的正弦在零处居中，而虚线曲线的正弦在不同的值处居中。那些中心值的差异称为偏移差值，其取决于两条测量曲线的温差。跨度比R是在温度T0和T处测量的曲线的顶点-顶点幅度的比：
R＝2M0/2MT
典型地，跨度比的值约为1。
温度校准的目的是对于任意温度具有相同的叶片力矩-转子角α的曲线。为此，对在不同于温度T0的温度T处测量的曲线的值执行转换，使得它们转换成在T0处测量的曲线的值。因此，经校准叶片力矩M校准和测量的未校准叶片力矩M未校准之间的关系从而表述如下：
M校准＝R·(M未校准-Δ)
图10示出了根据另一个实施例的用于应变传感器160的温度校准的方法。该方法通过在步骤400中针对0°、45°和90°的桨距角执行慢速滚动而同时使用应变传感器来测量叶片力矩而开始。在下一个步骤410中，确定了缘向和拍打方向叶片力矩的最小值和最大值。根据另一个实施例，确定缘向或拍打方向叶片力矩的最小值和最大值。根据另外的实施例，确定沿着任意方向的叶片力矩。
在步骤420中，计算根据结合图9的描述给出的定义的跨度比R和偏移差值。在步骤430中，确定数据点的数量是否足够大到执行可靠的统计分析。典型地，不同的温度下测量的约30个数据点的集合可看作是足够大的。当然，可取决于在随后的步骤中的回归分析所需的准确度选择更小或更大的阈值。如果数据点的数量大于30，则方法继续到步骤440。在步骤440中，关于叶片温度来执行测量的数据的回归分析。如果数据点的数量不大于30，则该方法返回到步骤400，在步骤400中，测量更多的在不同的温度处的数据点。
根据一些实施例，如果位于不同位置处的温度传感器的测量的温度相差超过1开氏温标(K)的话，则没有数据被收集。对于大于1K的温差，可认为数据不够可靠或会产生不一致的结果。
根据另外的其它实施例，对于在应变传感器处具有不同的温度的情况，温度校准也是可行的。对于那些情况，回归会考虑那些不同的温度并且执行类似于结合图9所描述的转换的校准转换，但该校准转换具有与结合图9所述的不同的函数依赖性。
图11显示了风力涡轮机的具有适于测量缘向和拍打方向弯曲两者的两个惠斯通电桥电路的转子叶根150的示意性纵截面图。第一惠斯通电桥电路包括第一对应变传感器160，而第二惠斯通电桥电路包括第二对应变传感器160。第一对应变传感器160和第二对应变传感器160两者均布置成沿周向彼此相对，第二对应变传感器160布置成相对于第一对应变传感器160沿周向偏移约90°。有时，由于空间限制的原因，使第二对应变传感器160布置成相对于第一对应变传感器160沿周向偏移正好90°是不方便的。在这些情况下，第一对应变传感器160和第二对应变传感器160之间的角典型地介于70°和90°之间，优选地介于80°和90°之间，或更优选地介于85°和90°之间。
根据一个实施例，在图11的左侧和右侧处的应变传感器160适于测量缘向弯曲，而在图11的顶部和底部处的应变传感器160适于测量转子叶片110的拍打方向弯曲。各个应变传感器160包括两个应变计，使得图11的实施例包括总共八个应变计。在图11的顶部和底部处描绘的应变传感器160因此形成图2所描绘的全惠斯通电桥电路190。在图11的左侧和右侧处描绘的应变传感器160也形成图2所描绘的全惠斯通电桥电路190。对于各个应变传感器160，提供了邻近该应变传感器160的温度传感器170。
根据另一个实施例，应变传感器160的温度校准包括将转子叶片的一部分(例如转子叶根150)的温度控制成恒定温度以及同时针对多种受控温度测量应变传感器160的信号。然后可使用测量的数据来执行回归分析，并且可使用该结果来补偿应变传感器的温度依赖性。
根据一个实施例，在工厂中在转子叶片不安装在风力涡轮机上的情况下执行应变传感器的温度校准。典型地，转子叶片安装成不受力。在这种情况下，在转子叶片的内部没有应变，使得上面结合图8的描述所提到的公式简化成：
M测量＝offset(T)。
在这种情况下，可在不测量温度依赖性增益值时校准偏移值的温度依赖性。
根据另一个实施例，预先确定的力被施加到转子叶片上。这样，可能在转子叶片内产生应变。此应变会增加额外的叶片力矩，该叶片力矩等于应变乘以温度依赖性增益系数。在那种情况下，还可执行增益值的温度校准。
典型地，偏移值的温度变化大约为增益值的相应的温度变化的10倍。因此，叶片力矩的温度依赖性的主要贡献因素由偏移值引起。因为上述使用预先确定的外力进行的不受力安装是单调乏味的，所以典型地省略此测量并且仅执行偏移值的温度校准。在那种情况下，校准了对误差的最大贡献因素。这意味着实现了出厂设置的良好校准。
图12显示了图11的转子叶根，其中，加热器200布置在转子叶根150的内部。为了进行温度校准，加热器200会加热若干时间量，例如直到所有温度传感器170测量到相同的温度为止。在那个时间点，应变传感器160测量在转子叶根150处的它们的相应位置处的应变。针对多种温度重复该步骤。然后收集的数据可用来执行回归分析，通过回归分析可执行应变传感器的温度校准。为了确保在应变传感器160的位置处温度恒定，加热器200可置于转子叶根150的中部中。
图13是风力涡轮机100的转子叶根150的示意性透视图。图13以透视图显示了图12的实施例。应变传感器160布置在垂直于从转子叶根150的中心部分到转子叶尖的轴线的平面中。温度传感器170布置在应变传感器160的附近、与应变传感器160相同的平面中。加热器200也布置在与应变传感器160和温度传感器170相同的平面中。
图14显示了风力涡轮机100的具有适于测量缘向和拍打方向弯曲两者的两个惠斯通电桥电路190的转子叶根150的示意性纵截面图。结合图12关于转子叶根150、应变传感器160和温度传感器170所述的内容也适用于图14。图14的实施例不使用图12和13中所示的加热器200。作为替代，使用了布置在转子叶片110的表面的一部分上的加热垫210。如在图14的截面图中看到的那样，转子叶根150被加热垫210覆盖。结合图12关于温度校准所述的内容也适用于图14。
图15是风力涡轮机100的转子叶根的示意性透视图。图15以透视图显示了图14的实施例。关于从转子叶根150的中心部分到转子叶尖的轴线，包裹在转子叶根150的周围的加热垫210在应变传感器160和温度传感器170布置在其中的平面中居中。
在另外的实施例中，加热器200和加热垫210可与冷却装置互换。具体而言，这些冷却装置可适于冷却包括应变传感器的转子叶片部分。因此，还可针对更低的温度(例如凝固点以下)来校验应变传感器的温度依赖性。但是根据一些实施例，应当注意，对于15℃以下的温度，应变传感器的温度依赖性可相对较低。
图16示出了又一种用于布置在风力涡轮机100的转子叶片110处的应变传感器160的温度校准的方法。该方法可使用配备有根据图12至15的实施例中的任何实施例的加热装置的转子叶片来执行。
该方法在步骤500中通过控制应变传感器160位于其中的转子叶片110的部分的温度而开始。根据一些实施例，这通过在转子叶根的外部上的加热垫来实现。根据其它实施例，这通过布置在转子叶根的内部的加热器来实现。
在步骤510中，测量应变传感器160的位置处的应变和应变传感器160的位置处的温度。
虽然在图16中示例性地显示了仅一个应变传感器160和仅一个温度传感器170，但是有技术的读者将理解，也可在一些实施例中使用多个应变传感器160和多个温度传感器170。温度传感器170的温度测量可与应变测量在时间上偏移开。温度传感器170也可位于与应变传感器160不同的位置处。根据其它实施例，温度传感器170的数量不等于应变传感器160的数量。具体而言，温度传感器170的数量可小于应变传感器160的数量。
在下一个步骤520中，确定测量的温度数据点的数量是否足够。可通过与待测量的数据点的预先确定的数量比较来实现此确定。根据一些实施例，数据点均等地分布在两个温度之间的温度间隔内。然后该方法以最低或最高的温度开始，并且然后继续朝向另一个极端温度点进行测量。根据另外的实施例，通过统计计算来实现此确定。
如果测量的温度数据点的数量不足，则该方法继续到步骤530，而如果测量的温度数据点的数量足够，则该方法继续到步骤540。
在步骤530中，将受控温度变化至不同的温度。在步骤530之后，该方法返回到步骤510，在步骤510中，测量应变传感器160的位置处的应变和应变传感器160的位置处的温度。
如果在步骤520中确定测量的温度数据点的数量是足够的，则该方法继续到步骤540。在步骤540中，根据测量的数据确定应变传感器的温度依赖性。根据一些实施例，此确定通过回归分析方法来实现。根据其它实施例，确定应变传感器的测量的信号的温度依赖性。此确定也可通过回归分析来确定。
在该方法的最后一个步骤-步骤550中，基于所确定的温度依赖性来校准应变传感器。在步骤550之后，该方法结束。
根据一些实施例，如果位于不同位置处的温度传感器的测量的温度相差超过1开氏温标(K)的话，则没有数据被收集。
典型地，对还未安装在风力涡轮机中的单个转子叶片来执行图16的实施例的此方法。由此，在安装风力涡轮机之前实现应变传感器的温度校准。因为转子叶片还未安装，所以此校准可比在安装风力涡轮机之后得到更完全的实现。因此，可容易地使用具有一整组经校准的转子叶片的风力涡轮机，这是有利的。
本书面描述使用实例，包括最佳模式，来使本领域任何技术人员能够制造和使用所公开的主题。虽然在前述内容中公开了各种具体实施例，但是本领域的技术人员将认可，权利要求书的精神和范围允许作出同等有效的修改。特别地，上面所述的实施例的相互非排它性特征可彼此结合。可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括这种修改和本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种转子叶片(110)，包括：
布置在所述转子叶片(110)的表面处的第一应变传感器(160)；以及，
布置成邻近所述第一应变传感器(160)的第一温度传感器(170)。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(110)，其特征在于，所述转子叶片(110)进一步包括：
布置在所述转子叶片(110)的所述表面处、沿周向与所述第一应变传感器(160)相对的第二应变传感器(160)；以及，
布置成邻近所述第二应变传感器(160)的第二温度传感器(170)。
3.根据权利1或2所述的转子叶片(110)，其特征在于，
所述第一应变传感器(160)布置在所述转子叶片(110)的前缘(113)处；以及，
所述第二应变传感器(160)布置在所述转子叶片(110)的后缘(114)处；或
所述第一应变传感器(160)布置在所述转子叶片(110)的吸力侧(111)处；以及，
所述第二应变传感器(160)布置在所述转子叶片(110)的压力侧(112)处。
4.根据权利2或3所述的转子叶片(110)，其特征在于，
各个应变传感器(160)包括两个应变计，各个应变计适于测量沿着从叶根(150)到叶尖的方向的弯曲力矩；以及，
所述第一应变传感器和第二应变传感器(160)的四个应变计彼此电气连接，以形成全惠斯通电桥电路(190)。
5.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的转子叶片(110)，其特征在于，所述转子叶片(110)进一步包括：
布置在所述转子叶片(110)的所述表面处的第三应变传感器和第四应变传感器(160)，所述第三应变传感器(160)布置成沿周向与所述第四应变传感器(160)相对且相对于所述第一应变传感器(160)沿周向偏移约90°；
第三温度传感器和第四温度传感器(170)，所述第三温度传感器(170)布置成邻近所述第三应变传感器(160)，而所述第四温度传感器(170)布置成邻近所述第四应变传感器(160)。
6.一种用于布置在风力涡轮机(100)的转子叶片(110)处的应变传感器(160)的温度校准的方法，所述方法包括：
在所述转子叶片(110)基本不会由于风而发生弯曲的模式中运行所述风力涡轮机(100)；
针对在所述应变传感器(160)的位置处测量的多个温度，反复地测量所述转子叶片(110)的重力引起的弯曲力矩；
根据所述测量的数据来确定所述应变传感器(160)的温度依赖性；
基于所述应变传感器(160)的所确定的温度依赖性来校准所述应变传感器(160)，使得所述应变传感器(160)的温度依赖性被补偿。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
测量所述转子叶片(110)的重力引起的弯曲力矩包括：
针对所述转子叶片(110)的多个方位角位置和所述转子叶片(110)的多个桨距角，测量所述转子叶片(110)的弯曲力矩；以及，所述方法进一步包括：
基于所述转子叶片(110)的物理属性和转子方位角位置来计算所述转子叶片(110)的重力引起的弯曲力矩；
针对所述转子方位角位置，比较所述转子叶片(110)的计算的弯曲力矩与测量的弯曲力矩；
通过设定修正值从而使所述测量的弯曲力矩等于所述计算的弯曲力矩来校准所述应变传感器(160)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
通过回归分析来确定所述应变传感器(160)测量的弯曲力矩对温度的函数依赖性。
9.一种用于布置在风力涡轮机(100)的转子叶片(110)处的应变传感器(160)的温度校准的方法，所述方法包括：
控制所述应变传感器(160)位于其中的转子叶片(110)的部分的温度；
使用所述应变传感器(160)来测量应变；
测量所述应变传感器(160)的位置处的温度；
改变受控温度以及在不同的温度下重复应变和温度的测量；
根据所述测量的数据来确定所述应变传感器(160)的温度依赖性；以及，
基于所述应变传感器(160)的所确定的温度依赖性来校准所述应变传感器(160)，使得所述应变传感器(160)的温度依赖性被补偿。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
以逐步的方式使所述转子叶片(110)的一部分的温度从初始温度升高到最终温度；
在每个步骤中，使用所述应变传感器(160)来测量所述转子叶片(110)的弯曲力矩；
在每个步骤中，测量所述应变传感器(160)的位置处的温度；
确定所述弯曲力矩和测量的温度之间的函数依赖性。
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