CN103917777B - 用来确定塔楼斜度的方法 - Google Patents

Abstract

为了说明一种方法，该方法用来借助加速度传感器(7)的输出信号的评估来确定塔楼（2）、尤其是风力发电设备(1)相对于重力场的斜度，该加速度传感器构造得用来接收在传感器测量轴线方向上的静止加速度，该方法能够简单地应用，并且在任意的风力发电设备上例如通过测量人员借助移动测量装置例如在定期的测量中实施，建议按加速度传感器（7）这样固定在旋转的构件（4）、优选主框架上，该构件围绕着塔楼（2）的纵轴线（3）在最少180°、优选360°的方位角范围内可旋转，即传感器测量轴线（8）基本上平行于该构件（4）的旋转平面进行定向，其中输出信号依次在不同的方位角中通过以下方式进行测量和记录，即该构件（4）在测量之间旋转，其中该斜度通过评估这样得到的测量序列来确定。

Description

用来确定塔楼斜度的方法

技术领域

本发明涉及一种方法，用来借助加速度传感器的输出信号的评估来确定塔楼（尤其是风力发电设备）相对于重力场的斜度，该加速度传感器构造得用来接收在传感器测量轴线方向上的静止加速度。

背景技术

尤其在海面上建造风力发电设备时，存在着地基位移的问题由于纵向伸展的风力发电设备的振动性，该位移的问题更加严峻。因此为了确定这种不期望的位移，该位移在风力发电设备中可能会引起完全不同的不期望的后果，例如会引起岩层的不均匀负载，需要这种用来确定斜度的方法。

所述测量是困难的，因为该风力发电设备通常在实施测量时可能处于振动运动之中，该振动运动与加速度相结合，该加速度会影响具有振幅的加速度传感器的测量信号，该振幅明显高于通过岩层引起的测量信号的振幅。

在EP 2 133 563 A1中公开了一种方法，其中在包含多个步骤的信号评估方法中在加速度传感器的测量值的基础上在风力发电设备的吊篮中确定该吊篮的加速度、速度、位置以及斜度。

另一在实践中使用的、用来确定风力发电设备的斜度的方法的基础是，通过摄像机来读取水平器的水准仪。但是，这种方法在测量技术的各个方面都不令人满意。另一困难是，待测量的斜度可能如此之小，以致倾斜位置就用来测量的加速度传感器的塔楼竖轴而言可能会扭曲测量结果，甚至无法识别。

发明内容

因此本发明的目的是，说明一种前述类型的用来确定塔楼斜度的方法，它能够简单地应用，并且能够在任意的风力发电设备中例如通过测量人员借助移动的测量装置例如在定期检测时实施。

按本发明，此目的借助一种前述类型的用来确定塔楼斜度的方法得以实现，在该方法中加速度传感器这样固定在旋转的构件（优选主框架）上，该构件围绕着塔楼的纵轴线在最少180°、优选360°的方位角范围内可旋转，即传感器测量轴线基本上平行于该构件的旋转平面进行定向，其中输出信号依次在不同的方位角中以这样的方式进行测量和记录，即该构件在测量之间旋转，其中该斜度通过评估这样得到的测量序列来确定。按本发明，例如能够应用加速度传感器，由于其它原因，通常是为了测量风力发电设备的振动，该加速度传感器是已经存在的。与应用加速度传感器来测量倾斜的已知方法相比，在吊篮的不同方位角中记录输出信号是有利的，即能够获得许多与寻找的测量值有功能关系的数据点，它们能够实现测量值的良好的统计学上的平均值。由于前面提到的摆动，测量目标通常处于此摆动之中，所以这一点是非常有利的。在本发明的框架中，可考虑所有已知的加速度传感器作为合适的加速度传感器，它也可测量恒定的加速度，以便探测重力加速度及其方向。例如能够在最简单的情况下使用具有可移动的校验量规的设备。但是，还能考虑以可弯曲的石英棒或磁性稳定的物质为基础的系统。最后，微电子机械系统（MIMS)用来测量斜度。在这种情况下重要的是，该设备只沿着测量轴线发出加速度。在本发明的框架内，该加速度传感器尤其能设置在可围绕着塔楼轴线可旋转的机房上。按照该构件的完整旋转，以理想的方式为在360°范围内的不同方位角数值实施测量序列。其优点是，在关于方位角达到180°的位置时，该测量信号可加倍。如果能够执行完整的360°，则出于对称原因获得冗余的测量序列，用来在角度范围为0°至180°时进行测量，这进一步在统计学上改善了测量值。

该构件能够以均匀的方位角步骤进行旋转，以便简化测量序列的评估，目的是确定斜度。例如能够在10°的步骤中关于方位角来执行测量，以便获得包含36个数值的测量序列。

如果在每个给出的方位角中都依次测量和记录一系列输出信号，并且随后从这系列输出信号中确定和记录平均值，并且作为测量序列的基础，则能够在统计学上消除由塔楼振动引起的测量误差。例如在每个给出的、应该执行测量的方位角位置中，都能以高的采样率测量三分钟。然后对于平均值来说，得出加速度测量值的与时间有关的份额。

在本发明的构造方案中，在本发明中所述评估包括：确定测量序列的最大值和最小值以及确定最大值和最小值之间的差额。在此，如果加速度传感器与其测量轴线这样对齐，即最大的方向分量竖直地定向，则可获得加速度信号的最大值。所属的最大值相当于一列为方位角移动180°的测量值。

按本发明，该斜度尤其借助以下方式来计算：

其中α是倾斜角，g是重力加速度，α_max是测量序列的最大值，并且α_min是测量序列的最小值。在下面进一步结合附图详细阐述的几何方面的考虑示出了，塔楼相对于竖直方向的倾斜角度借助该公式来确定，如果最大和最小加速度的数值在测量序列中进行评估，该测量点属于可旋转的构件以0°至360°的方位角范围进行的完全旋转。在此，最大值相当于可旋转的构件的方位角位置，其中传感器测量轴线的竖直分量与竖直线平行地朝下定向。相应地，最小值相当于该构件的方位角数值，其中传感器测量轴线的竖直分量最大地竖直朝上定向，即逆着重力定向。

如果该斜度借助以下方式来计算，则明显地改善该方法：

其中β是传感器测量轴线相对于旋转平面的倾斜位置。对传感器测量轴线相对于构件的旋转平面的可能的倾斜位置的考虑（如同结合附图描述阐述的几何方面的考虑一样）通过该功能关系进行考虑。因此，如果按本发明已知倾斜位置角度β，则在评估测量序列时能够精确地计算它的影响，以探测倾斜角度α。

在按本发明的方法的优选构造方案中，传感器测量轴线相对于旋转平面的倾斜位置从测量序列中确定，优选的方式是：确定测量序列的可变份额的偏移量，并且在确定斜度时加以考虑。在下面进一步结合附图详细阐述的几何方面的考虑示出了，传感器测量轴线相对于构件旋转平面的倾斜位置导致了，在传感器测量轴线相对于旋转平面的未振动的倾斜位置β中，随同方位角变化的部件相对于零点以偏移量的形式移动。在使用常见的、熟知的曲线商讨方法的情况下，借助常见的信号加工能够容易地从测量序列中确定偏移量。

按本发明尤其能够确定偏移量，其方法是：构成由最大值和最小值组成的总和，并且除以2。在由于几何原因在旋转时测量信号根据方位角出现正弦曲线变化的情况下，随方位角变化的份额在倾斜位置角度β振动时朝水平轴线是对称的，因此最大值和最小值构成的总和是零。

在按本发明的方法的优选构造方案中，借助以下公式从偏移量中计算出倾斜位置：

其中β是倾斜位置，g是重力加速度，并且α₀是测量序列的可变份额的偏移量。出于针对按本发明的测量方法的几何考虑（其在下面参考附图进一步详细描述），该偏移量能够与测得的加速度的偏移量-值视为相同，该加速度具有这样的数值，即当方位角调整得使传感器测量轴线这样定向时，即对于振动的倾斜位置来说在传感器测量轴线的竖直方向上不存在倾斜，则能够获得该数值。

为了提高按本发明的测量方法的置信区间，第二加速度传感器能够这样固定在该构件上，即传感器测量轴线基本上平行该构件的旋转平面并且定向得与第一加速度传感器的传感器测量轴线垂直，其中除了第一加速度传感器的输出信号以外，还测量和记录第二加速度传感器的输出信号，其中额外地通过设置这样获得的第二测量序列来确定斜度。从针对该测量方法的几何考虑中得出，测量序列借助第一测量序列的第二加速度传感器关于方位角推移90°。第二加速度传感器的测量序列的评估因此提供冗余量，它能够有利地用来在统计学上取得获得的倾斜数值的平均值，该第二加速度传感器按本发明与第一加速度传感器相交。此外，许多风力发电设备已经设置有相交的加速度传感器或集成的双轴加速度传感器。因此，按本发明的方法能够有利地在这种风力发电设备中实施，其方法是，在机房旋转时评估这两个加速度传感器的输出信号。就第二加速度传感器相对于旋转平面的倾斜位置的考虑而言，类似的考虑和按本发明的用来从测量序列中获取倾斜位置的方法也是适用扔，如同以上针对第一加速度传感器进行的考虑一样。

按本发明的方法能够通过以下方式来进一步改善，即另一加速度传感器这样固定在该构件上，即传感器测量轴线基本上垂直该构件的旋转平面，其中除了第一加速度传感器的输出信号以外，还测量和记录该另一加速度传感器的输出信号，其中额外地通过评估这样获得的另一测量序列来确定斜度。按本发明，该另外的加速度传感器垂直于第一加速度传感器，并且垂直于可能设置的第二加速度传感器。由于综合的考虑，该另外的加速度传感器的输出信号相对于方位角的变化在理论是不变的，并且因此能够作为参考用于另外的加速度传感器的测量序列。如果存在着传感器的大的阻隔敏感度，则尤其能够应用垂直的加速度传感器，以提高精度，以减少阻隔敏感度的影响。该阻隔敏感度应理解为，加速度传感器对与传感器测量轴线垂直的加速度也是敏感的。

最后在按本发明的方法的有利的构造方案中，能够从输出信号中确定方位角，并且测量序列（第二测量序列和/或其它的测量序列）通过记录从属于每个输出信号的方位角能够补充到由分类的角度构成的功能图表中，以探测到倾斜的方向。反之，对于按本发明的方法的基本原理来说，不必记录方位角的绝对值，因为只有最大值、最小值以及偏移量才用于评估，方位角的确定绝对用来刻划传感器测量轴线的方向。此外，这还能确定倾斜方向。

最后，基于本发明的目的还通过一种装置来实现，该装置用来实施按本发明的按权利要求1至12中任一项所述的方法。该装置包含评估单元和用来读取加速度传感器的输出信号的器件，它们要么已是待测量的风力发电设备的组成部分，要么作为按本发明的装置的组成部分连接到待测量的风力发电设备上。该评估单元设置得用来实施在方法权利要求中阐述的评估。

附图说明

本发明在优选的实施例中在参照附图的情况下示例性地进行描述，其中从附图中可得出其它有利的细节。

功能上相同的部件在此用相同的参考标记表示。

这些附图详细地示出了：

图1在示意性的侧视图中示出了倾斜的风力发电设备，其中机房在0°的方位角中定向；

图2示出了图1一样的视图，但是机房以180°的方位角旋转；

图3示出了图1和2一样的视图，但是机房的方位角是90°；

图4示出了图1、2、3一样的视图，但是方位角是270°；

图5在示例性的视图中示出了加速度传感器的测量顺序的符号，且没有相对于方位轴承（Azimutlager）的竖轴的倾斜位置。

具体实施方式

图1在侧视图中示出了风力发电设备1，其具有塔楼2和机房4，该机房在塔楼2的上方端部上能够以不同的方位角γ围绕着塔楼2的纵轴线3旋转。为了定向，在机房4上示意性地标出了转子5。塔楼2借助其纵轴线3相对于竖直线6并因此相对于重力生效方向以角度α倾斜。在机房4上设置有加速度传感器7，它的测量轴线8通过箭头标出。该测量轴线8设置得相对于机房4的旋转平面（其通过机房4的上边缘标出）以倾斜位置角β倾斜。

图2在与图1相同的视图中示出了风力发电设备。但与图1所示情况不同的是，机房4相对于图1所示位置围绕着塔楼2的纵轴线3扭转180°。由此可看到，在侧视图中在机房4的右边示出了转子5。可看到，加速度传感器7及其加速度传感器-测量轴线8相对于竖直线6围成与图1所示状态不同的角度。在此实施例中可得出，机房4围绕着塔楼2的纵轴线3是可扭转的，如同在风力发电设备中常见的一样，因此该旋转平面垂直地位于塔楼2的纵轴线3上。但是，按本发明的方法能够通信号评估的相应匹配应用在这样的情况中，即机房4的旋转轴线不与塔楼2的纵轴线3重合。图3最后在与图1和2相同的视图中示出了按图1和2的风力发电设备1。在此与图1和2不同的是，机房4相对于图1围绕着塔楼2的纵轴线3旋转90°。由此可看到，在图面下方示意性地示出了转子5。加速度传感器7的加速度传感器-测量轴线8在此状态中垂直地指向图面，如同通过十字符号标出的一样。该加速度传感器-测量轴线在图3所示的方位角位置（β=90°）中没有平行于图面的部件。

图4最后示出了按图1、2、3的在280°的方位角位置中的风力发电设备1。该方位角位置示意性地通过以下方式示出，即转子5现在就图面而言竖立在机房4上。相应地，加速度传感器7的加速度传感器-测量轴线8在此状态中从图面中显露出来，如同通过点标出的一样。

为了实施按本发明的方法，该机房4以及固定在它上面的加速度传感器7以均匀的增量从按图1的方位角位置γ=0°开始，经过按图3的方位角位置90°、按图2的180°以及按图4的270°回到按图1的原始位置中。在方位角γ的各位置中，接收了加速度传感器7的输出信号。为了尽量好地排除输出信号的受时间变化的成份，以例如3分钟的时间间隔以相对较高的采样率来进行测量。随后，平均的数值从时间序列中确定，并且作为测量序列的与各方位角结合的测量值捕捉到。

图5在图表中示出了两个借助所述按本发明的方法获得的测量序列。该竖直的轴线在此说明了探测到的（时间上平均的)加速度值a，其单位是重力加速度g。相反，水平轴线说明了方位角γ，即机房围绕着风力发电设备1的塔楼2的纵轴线3的旋转角度。在此对于该方法原则上不是强制必须的是，在水平轴线上标出了用于γ的角度值。如果确保，测量序列标在方位角γ的均匀增量中，则足够了。

图5的下面用钻石标出的测量序列示出了理想的已获得的测量序列的曲线，如果加速度传感器-测量轴线8的倾斜位置相对于机房4的旋转平面的角度β为零，因此不存在倾斜位置。在这种情况下可看到，出现了功能图表的围绕着零线对称的走向。为了评估测量序列，现在按本发明确定最大值9和最小值10。随后，确定最大值9和最小值10之间的差值。从该差值中可借助公式

来确定寻找的倾斜角度α。

如果现在示出了上方的通过正方形标出的测量序列（图5），它是用于加速度传感器的理想的测量序列，它的传感器轴线以未振动的角度β指向旋转平面，则会出现下面的情况。在进行所述评估时，再次探测到最大值12以及最小值13。但是，此处还探测到了测量序列相对于零线的偏移量14。该偏移量表明了测量信号的随γ变化的份额相对于零线的移动。为了评估按图5的上述测量序列，现在借助公式

来确定寻找的倾斜角度α。在此，首先借助偏移量-数值14并借助下面的公式

来确定角度β，它引用到前述的公式中。

背景是，基于按图1至4的几何情况的几何学上的考虑示出了，测得的加速度值在下面的功能关系中具有借助倾斜角度α和测量传感器的倾斜位置表明的角度β

a_sensor=g·sin(β+αcosγ·α)。

既借助公式也借助图1至4可看到，当γ=0或γ=360°时获得了最大值9或12（如图1所示），其中传感器7的倾斜位置β导致了所测的加速度值的超高。同样，最小值10或13与图2所示的180°的方位角位置相结合。为了理解总是要注意，加速度传感器7总是只测量加速度的分量，该分量指向加速度传感器-测量轴线的方向。参照图3和4来展示偏移量14的确定和意思。在方位角位置为90°或270°时，倾斜角度α不是在加速度传感器-测量轴线8的方向上加速度分量。相应地，不同于零的加速度传感器值在该方位角的位置中只是起源于围绕着角度β的倾斜位置。

在此，测量序列的评估（如同参照图5示出的一样）不是以方位角γ的绝对值的精确认识为基础的，因为只需评估最大值9、12或最小值10、13，与其在水平轴线上的位置无关。该偏移量14在最简单的情况下确定，其方式是：最大值12减去最小值13，随后最大值减去该差值的一半。

应理解，此处介绍的描述是以理想情况为出发点的。在实践中，首先必须借助专业人员熟知的方法来适当地修整信号。

在图5中没有示出，但借助该图能够容易地知道，第二加速度传感器的添加可能会导致相应的曲线，但该曲线可能水平地移动90°，该第二加速度传感器同样基本上在机房4的旋转平面中但朝加速度传感器7扭转90°。这种第二加速度传感器的评估能够以类似方式进行，其中以类似的方式考虑可能与第一加速度传感器不同的倾斜位置角。为了检测通过加速度传感器的可能的阻隔敏感性实现的效果，可应用另一加速度传感器，它安装在机房4的纵轴线3的方向上并因此与旋转平面垂直。

因此按本发明，说明了一种方法，用来借助加速度传感器的输出信号的评估来确定塔楼（尤其是风力发电设备）相对于重力场的斜度，该加速度传感器构造得用来接收在传感器测量轴线方向上的静止加速度，该加速度传感器能够简单地应用，因为在安放加速度传感器时不需要特别高的精度。在所有常见的风力发电设备1中规定机房4围绕着塔楼2的纵轴线3旋转，以便实现朝向风的最佳定向。因此，能够有利地实施按本发明的测量方式，而不必修改风力发电设备。因为如同前面已提到的一样，大多数风力发电设备已经设置有加速度传感器7，甚至设置有多个加速度传感器，所以在许多情况下不必为进行测量而安装加速度传感器。相反，只需截取车用的加速度传感器的信号。

参考标记列表

1 风力发电设备

2 塔楼

3 纵轴线3

4 机房

5 转子

6 竖直线

7 加速度传感器

8 加速度传感器-测量轴线

9 最大值，无倾斜位置

10 最小值，无倾斜位置

11 差值，无倾斜位置

12 最大值，倾斜位置

13 最小值，倾斜位置

14 偏移量

Claims (17)

1.一种用来借助第一加速度传感器(7)的输出信号的评估来确定塔楼(2)相对于重力场的斜度的方法，该第一加速度传感器构造得用来接收在传感器测量轴线方向上的静止加速度，其特征在于，按第一加速度传感器(7)这样固定在旋转的构件(4)上，该构件围绕着塔楼(2)的纵轴线(3)在最少180°的方位角范围内可旋转，即传感器测量轴线(8)基本上平行于该构件(4)的旋转平面进行定向，其中输出信号依次在不同的方位角中通过以下方式进行测量和记录，即该构件(4)在测量之间旋转，其中该斜度通过评估这样得到的测量序列来确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该塔楼(2)是风力发电设备(1)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一加速度传感器(7)围绕着塔楼(2)的纵轴线(3)在360°的方位角范围内可旋转。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一加速度传感器(7)固定在主框架。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该构件以均匀的方位角步骤进行旋转。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在每个给出的方位角中都依次测量和记录一系列输出信号，并且随后从这系列输出信号中确定和记录平均值，并且作为测量序列的基础。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述评估包括：确定测量序列的最大值(9、12)和最小值(10、13)以及确定最大值(9、12)和最小值(10、13)之间的差额。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助以下公式来计算该斜度：

$\mathrm{\α}=\arcsin \[\frac{1}{2}\frac{a_{\max }-a_{\min }}{g}\]$

其中α是倾斜角，g是重力加速度，α_max是测量序列的最大值(9、12)，并且α_min是测量序列的最小值(10、13)。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助以下公式来计算该斜度：

$\mathrm{\α}=\arcsin \[\frac{1}{2}\frac{a_{\max }-a_{\min }}{g\·cos\left(\mathrm{\β}\right)}\]$

其中β是传感器测量轴线(8)相对于旋转平面的倾斜位置。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，传感器测量轴线(8)相对于旋转平面的倾斜位置从测量序列中确定。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，确定测量序列的可变份额的偏移量(14)，并且在确定斜度时加以考虑。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，确定偏移量(14)，其方法是：构成由最大值(9、12)和最小值(10、13)组成的总和，并且由最大值(9、12)减去所述总和除以2后的结果。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助以下公式来从偏移量(14)中计算倾斜位置：

$\mathrm{\β}=\arcsin \[\frac{a_0}{g}\]$

其中β是倾斜位置，g是重力加速度，α₀是测量序列的可变份额的偏移量(14)。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第二加速度传感器这样固定在该构件(4)上，第二加速度传感器的传感器测量轴线基本上平行该构件(4)的旋转平面并且定向得与第一加速度传感器(7)的传感器测量轴线垂直，其中除了第一加速度传感器(7)的输出信号以外，还测量和记录第二加速度传感器的输出信号，其中额外地通过评估这样获得的第二测量序列来确定斜度。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，另一加速度传感器这样固定在该构件(4)上，另一加速度传感器的传感器测量轴线基本上垂直于该构件(4)的旋转平面，其中除了第一加速度传感器(7)的输出信号以外，还测量和记录该另一加速度传感器的输出信号，其中额外地通过评估这样获得的第二测量序列来确定斜度。

16.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从每个输出信号中确定方位角，并且测量序列即第二测量序列和/或其它的测量序列通过记录从属于每个输出信号的方位角能够补充到由分类的角度构成的功能图表中，以探测到倾斜的方向。

17.一种用来实施根据权利要求1至16中任一项所述的方法的装置，包括评估单元和用于从第一加速度传感器(7)读出输出信号的装置，其中评估单元被设计成记录来自第一加速度传感器(7)的输出信号，第一加速度传感器构造得用来接收在传感器测量轴线方向上的静止加速度，而且评估单元被设计成通过评估这样得到的测量序列来确定斜度。