CN113631905A

CN113631905A - 用于执行对象的测量和监视的方法和装置

Info

Publication number: CN113631905A
Application number: CN202080026602.8A
Authority: CN
Inventors: E·纳格尔; J·纽文豪生
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-11-09
Also published as: EP3719475A1; WO2020200755A1; US20220178785A1; EP3924709A1

Abstract

一种测量和监视设备（10）包括：至少一个漏泄馈线（20）；至少一个电磁发射机（30），连接到所述至少一个漏泄馈线（20），以用于向着目标对象（12）发射第一电磁信号（100）；至少一个电磁接收机（40），连接到所述至少一个漏泄馈线（20），以用于当第一电磁信号（100）碰撞目标对象（12）时从目标对象反射的第二电磁信号（200）；硬件电路（400），包括：处理电路（300），用于确定目标对象（12）的性质；信号处理模块（315），作为输入而接收第一电磁信号（100）和/或第二电磁信号（200），以用于在第一电磁信号（100）和/或第二电磁信号（200）的频域和/或时域中生成谱信息；储存单元（310），连接到处理单元（300）。

Description

用于执行对象的测量和监视的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于执行对象的测量和监视的方法和装置。特别地但不排他地，本发明可以用于监视风力涡轮机的叶片。

背景技术

在上面定义的技术领域中，可以用于执行风力涡轮机叶片的长期测量的设备是已知的。这种测量的目的是监视叶片并识别故障或损坏，这可能例如由照明或鸟的碰撞导致。

例如已知将无人机或直升机用于风力涡轮机的叶片的检查。使用绳系统以访问和检查叶片的内表面和外表面也是已知的。这些方法的可能不便是下述事实：它们要求停止涡轮机且因此停止能量产生。

发明内容

本发明的范围是：通过解决参考上面引用的现有技术而提及的不便，来提供用于执行风力涡轮机叶片的测量和监视的简单、高效且有成本效益的方法和装置。

进一步的范围是总体上允许对象的测量和监视的范围，该对象可能不包括风力涡轮机部件。

该范围由根据独立权利要求的主题满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种测量和监视设备，包括：

至少一个漏泄馈线；

至少一个电磁发射机，连接到所述至少一个漏泄馈线，以用于沿所述至少一个漏泄馈线向着目标对象发射第一电磁信号；

至少一个电磁接收机，连接到所述至少一个漏泄馈线，以用于从所述至少一个漏泄馈线接收第二电磁信号，所述第二电磁信号是当所述第一电磁信号碰撞所述目标对象时从所述目标对象反射的；

硬件电路，包括：

处理电路，连接到所述电磁发射机和所述电磁接收机，且被配置成分析所述第一电磁信号和所述第二电磁信号，以用于确定所述目标对象的性质；

信号处理模块，作为输入而接收所述第一电磁信号和/或所述第二电磁信号，以用于在所述第一电磁信号和/或所述第二电磁信号的频域和/或时域中生成谱信息；

储存单元，连接到所述处理单元。

根据本发明的第二方面，用于监视风力涡轮机的叶片的方法，所述方法包括下述步骤：

在包括风力涡轮机的区域中提供至少一个漏泄馈线；

沿所述至少一个漏泄馈线向着所述叶片发射第一电磁信号；

测量从所述至少一个漏泄馈线接收到的第二电磁信号，所述第二电磁信号是当所述第一电磁信号撞击所述叶片时从所述目标对象反射的；

在所述第一电磁信号和所述第二电磁信号中的任一个的频域和/或时域中生成谱和/或幅度信息；

存储所述谱和/或幅度信息，随时间监视谱信息，并将所述谱和/或幅度信息中的偏差关联到所述叶片的性质中的改变。

根据本发明实施例，可以识别叶片的结构性质，例如裂缝的存在。

本发明的测量和监视设备允许在不停止风力涡轮机和能量产生的情况下监视风力涡轮机的叶片，从而确定风力涡轮机的效率中的改进。

本发明的测量和监视设备可以被有利地实现在安全扫描仪和磁共振成像装置中。这可以解决安全扫描仪和磁共振成像装置的已知不便，当金属对象存在于人体内部时，该安全扫描仪和磁共振成像装置不能适当地工作。

附图说明

本发明的上面定义的方面和进一步的方面从下文中要描述的实施例的示例中变得明显，且参考实施例的示例加以解释。下文中将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明不限于该示例。

图1示出了包括本发明实施例的风力涡轮机的示意截面。

图2示出了根据本发明第一示例性实施例的测量和监视设备的示意图。

图3示出了与风力涡轮机相关联的图2的测量和监视设备的另一示意图。

图4示出了根据本发明第二示例性实施例的测量和监视设备的示意图。

图5示出了根据本发明第三示例性实施例的测量和监视设备的示意图。

图6示出了图1的风力涡轮机中包括的硬件电路的示意图。

图7示出了图1的风力涡轮机中包括的硬件电路的示意图。

图8示出了根据本发明第四示例性实施例的测量和监视设备的示意图。

图9示出了用于管理图8的第四示例性实施例的硬件电路的示意图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应当注意，在不同图中，给类似或相同元素提供相同附图标记。

图1示出了根据本发明的包括测量和监视设备10的风力涡轮机1的部分横截面视图。

风力涡轮机1包括塔台2，塔台2被安装在未描绘的基底上。机舱3被布置在塔台2顶上。在塔台2与机舱3中间，提供偏航角调整设备（未示出），其能够绕着垂直偏航轴Z旋转机舱。风力涡轮机1进一步包括具有一个或多个旋转叶片4（在图1的视角中，仅两个叶片4可见）的风力转子5。风力转子5可绕着旋转轴Y旋转，以将旋转能量传递到机舱3的发电机。通过本发明对电力的生成不是本发明的具体目的，且因此不进一步详细描述。一般地，在不是以不同方式指定时，参考旋转轴Y来作出以下术语“轴向”、“径向”和“圆周”。叶片4相对于旋转轴Y径向延伸。每个转子叶片4可枢轴旋转地安装到风力转子5，以便关于相应俯仰轴X而俯仰。这通过修改风碰撞转子叶片4的方向的可能性，改进了风力涡轮机1的控制以及特别是转子叶片4的控制。

根据本发明的测量和监视设备10包括：

至少一个漏泄馈线20；

至少一个电磁发射机30，连接到该至少一个漏泄馈线20；

至少一个电磁接收机40，连接到该至少一个漏泄馈线20；

至少一个最终电阻50或末端，连接到该至少一个漏泄馈线20；

处理单元300，连接到电磁发射机30和电磁接收机40。

漏泄馈线20是通信细长部件，其泄漏沿该部件发射的电磁波。漏泄馈线20可以由漏泄同轴电缆或漏泄波导或漏泄带状线构成。漏泄馈线连接到电磁发射机30，以便沿漏泄馈线20向着目标对象发射第一电磁信号100。漏泄馈线20包括多个狭缝，以允许第一电磁信号100沿漏泄馈线20的整个长度向着目标对象泄漏出漏泄馈线20。根据可能的实施例，狭缝可以是沿漏泄馈线20的长度而规则地分布的。

根据本发明的其他可能的实施例，漏泄馈线20是具有外部导体（网状物或狭缝/孔）的低光学覆盖范围的正常同轴电缆，其也泄漏电磁波。在严重过度结冰条件是可能的情况下，可以给漏泄馈线20提供加热系统（未示出）。可以通过在导体中与导体外之间流动的空气或者通过在漏泄馈线的内导体或外导体中运行的电流，来提供加热。根据可能的实施例，第一电磁信号100可以是雷达信号或超声信号。在第一电磁信号100是雷达信号或超声信号的情况下，漏泄馈线20优选地被配置为同轴漏泄电缆。

根据其他实施例，特别是在第一电磁信号100属于更高频率的情况下，漏泄馈线20优选地被配置为漏泄波导。一般地，根据本发明的不同实施例，第一电磁信号100可以属于任何频率，只要它可以被发射到目标对象且被目标对象反射即可。当第一电磁信号100撞击目标对象时，向着漏泄馈线发射所反射的第二电磁信号200。漏泄馈线20的多个狭缝允许第二电磁信号200向着电磁接收机40泄漏到漏泄馈线20中。

如图2中所示，测量和监视设备10的第一实施例包括仅一个漏泄馈线20。漏泄馈线20在第一端21与第二端22之间延伸。第一端21连接到包括一个电磁发射机30和一个电磁接收机40的电磁收发器45。第二端22连接到一个最终电阻50。测量和监视设备10用于检测风力涡轮机1的至少旋转叶片4的性质。根据本发明，可以分离地监视风力涡轮机1的每个旋转叶片4。

根据本发明实施例，电磁发射机30和电磁接收机40两者都可以经由信号分路器或y-适配器连接到第一端21或第二端22。根据本发明的其他实施例，电磁发射机30连接到第一端21，并且电磁接收机40连接到第二端22。漏泄馈线20必须不直接连接到电磁发射机30和电磁接收机40，例如，非漏泄馈线电缆（即，正常同轴电缆）可以被插入漏泄馈线20与电磁发射机30和/或电磁接收机40之间。正常同轴电缆可以直接连接到电磁发射机30和电磁接收机40，或者它可以用于互连。根据本发明实施例，目标对象是机舱2，用于检测机舱关于垂直偏航轴Z的位置。根据本发明实施例，可以在包括风力涡轮机1的区域中检测其他目标对象，例如动物或入侵者或改变的波（在离岸应用中）。图2的漏泄馈线20在几何上被配置为直线的线路。根据本发明的其他实施例，漏泄馈线20可以在几何上被配置为弧。

参考图3，漏泄馈线20在几何上被配置为围绕塔台2的圆环。根据本发明的其他实施例，任何其他几何配置是可能的，只要可以向着目标对象发射第一电磁信号100并且可以由目标对象向着漏泄馈线20反射第二电磁信号200即可。漏泄馈线20、电磁发射机30和电磁接收机40被安装在塔台2上。根据本发明的其他实施例，漏泄馈线20、电磁发射机30和电磁接收机40可以不被直接安装在风力涡轮机1上，即，与风力涡轮机1拉开距离。

根据本发明的其他实施例，可以使用多个漏泄馈线20。如图4中所示，测量和监视设备10的第二实施例包括两个漏泄馈线20，该两个漏泄馈线20彼此平行且在分别彼此邻近的相应第一端21和第二端22之间延伸。该两个漏泄馈线20是根据反向平行配置来配置的，其中第一漏泄馈线20在下述各项之间延伸：

连接到第一端21的电磁发射机30，和

连接到第二端22的最终电阻50；

而第二漏泄馈线20在下述各项之间延伸：

连接到第一端21的最终电阻50，和

连接到第二端22的电磁接收机40。

在这种实施例中，连接到电磁发射机30的一个第一漏泄馈线20专用于发射第一电磁信号100，而连接到电磁接收机40的另一第二漏泄馈线20专用于接收第一电磁信号200。

图5示出了测量和监视设备10的第三实施例，与图4的实施例类似，测量和监视设备10包括两个漏泄馈线20。第三实施例与第二实施例的不同之处在于第一漏泄馈线20在下述各项之间延伸：

- 连接到第一端21的电磁发射机30，和

- 连接到第二端22的最终电阻50；

而第二漏泄馈线20在分别连接到第一端21和第二端22的两个电磁接收机40之间延伸。两个接收机的使用允许导出相位/时间信息，该相位/时间信息可以用于例如确定一个叶片4参照垂直偏航轴Z的位置。

根据本发明的其他实施例（未示出），测量和监视设备10包括具有多于两个漏泄馈线20的多个漏泄馈线20。这种多个漏泄馈线20包括分别连接到一个或多个电磁发射机30和一个或多个电磁接收机40的第一和第二组漏泄馈线20。该多个漏泄馈线20中的每一个可以方便地在几何上被配置用于最优地遵循目标对象或多个目标对象的轨迹。

图6示出了风力涡轮机1中包括的硬件电路400。硬件电路400包括处理单元300。处理单元300可以是数字控制（NC）单元或现场可编程门阵列（FPGA）。在处理单元300与（一个或多个）电磁发射机30和（一个或多个）电磁接收机40之间提供总线连接301。通过总线连接301，处理单元300接收第一电磁信号100和第二电磁信号200。硬件电路400进一步包括储存单元310、随机存取模块（RAM）320、图形用户界面330和涡轮机控制系统340，它们都经由相应总线连接311、321、331、341而连接到处理单元300。储存单元310用于存储由处理单元300发送的数据，其包括第一电磁信号100和第二电磁信号200。图形用户界面330用于显示由处理单元300发送的数据或警告。涡轮机控制系统340通过相应总线连接351、361、371、381连接到：

俯仰驱动器350，用于使叶片4关于相应俯仰轴X而俯仰；

风力传感器360，用于测量风碰撞叶片4的速度；

偏航驱动器370，用于命令机舱3关于偏航轴Z的位置；以及

天气信息单元380，从环境接收多个信息382，例如温度、压强、天气预报等。

来自俯仰驱动器350、风力传感器360、偏航驱动器370和天气信息单元380中的任一个的信息319也可以被发送并存储在储存单元310中。涡轮机控制系统340、俯仰驱动器350、风力传感器360、偏航驱动器370和天气信息单元380是传统的，而不是本发明特有的，且因此不进一步详细描述。

可以通过仅具有针对相关信号的RF和信号调节而需要的最小配置来对系统进行成本优化，信号的分析是远程作出的。

图7示出了描述硬件400的部件之间的操作关系的框图。图7中的“框”可以被实现为实施这些操作关系的一个或多个模块。这些模块是在硬件400中配置和布置以用于实现这些操作关系的逻辑电路和/或可编程逻辑电路，如以下所详述。处理单元300包括：FFT（“快速傅里叶变换”）模块315，作为输入而接收与第一电磁信号100和/或第二电磁信号200相对应的原始数据。FFT模块315生成表示作为输入而提供给FFT模块315的原始测量数据的频域中的谱信息的输出。由FFT模块315生成的输出数据被存储在储存单元310中，储存单元310还可以从俯仰驱动器350、风力传感器360、偏航驱动器370和天气信息单元380中的任一个接收进一步的信息319。处理单元300进一步包括：比较器316，用于将由FFT模块315生成的输出数据与先前存储在储存单元310中的相似数据进行比较。比较器316可以例如生成实际和先前存储的数据之间的差异。处理单元300进一步包括：分析模块317，其搜索由比较器316提供的数据中的偏差，即，由FFT模块315生成的数据与先前存储在储存单元310中的相似数据之间的偏差。特别地，可以在第二电磁信号200的频域中搜索偏差。由分析模块317检测到的偏差揭示叶片4的性质中（例如，叶片4的结构性质中）的改变。例如，由分析模块317检测到的偏差可以揭示叶片4之一中的故障状况，其可以是例如叶片4中的裂缝。这种裂缝可能由与闪电或鸟或其他外部对象的冲撞导致。分析模块317生成被发送到图形用户界面330以用于被显示或打印的输出。由分析模块317生成的输出可以包括警告。处理单元300可以进一步包括：滤波器功能318，要连接到FFT模块315以用于对由FFT模块315生成的谱信息进行滤波。滤波器功能318可以是取决于分析模块317的输出而调整的。根据本发明的其他实施例，除FFT模块315外或作为FFT模块315的可替换方案，信号处理模块可以被实现以用于频域和/或时域分析。根据这种实施例，除由FFT模块生成的谱信息外或作为由FFT模块生成的谱信息的可替换方案，可以生成和监视由在时域中操作的信号处理模块生成的幅度信息。

多种雷达技术可以用于确定与其性质要被检测的叶片4有关的期望信息。例如，可以实现UWB（超宽带）或脉冲或FMCW（频率调制连续波）雷达。可以使用附加SAR（合成孔径雷达）和ISAR（逆合成孔径雷达）技术。要使用时域中相对于幅度的分析以及多普勒频移（频域）改变。要使用在调制方案与输出功率的动态调整之间动态切换的优选软件定义雷达。这些调整取决于转子5的位置、和叶片4的旋转速度和弯曲、以及来自主要风力涡轮机控制器的可选参数。

图8示出了未在风力涡轮机中使用的测量和监视设备10的第四实施例。这种实施例包括反向平行配置中的两个漏泄馈线20的布置，像图4的实施例的布置。两个漏泄馈线20被布置在环状支撑物11上且形成覆盖平面上的近似360度的两个完整同心圆。连接到发射机30的漏泄馈线20被布置在比由连接到接收机40的漏泄馈线20形成的圆具有更小直径的圆中的环状支撑物11上。本实施例的测量和监视设备10可以用于分析向着和/或通过由漏泄馈线20形成的圆移动的对象12。可替换地，根据本发明的其他实施例（未示出），可以通过在覆盖平面上的近似360度的一个圆中成形的支撑物11上布置仅一个漏泄馈线20，来实现相同目的。基于对象12的不同材料性质，将通过环状支撑物11上的（一个或多个）漏泄馈线20而发送的雷达信号反射回去，作为取决于这种性质的第二电磁信号200。可以识别对象12内部的金属元件或移动部分。可以根据原始数据完成高级图像处理，这提供了针对人体的医学分析的可能性。因此，这种实施例可以被用作安全扫描或MRI（磁共振成像）的可替换方案。可选地，可以在由漏泄馈线20形成的圆内部提供接收天线55，其提供单点传输源。接收天线55可以位于中心处或偏离中心。根据本发明的其他实施例（未示出），连接到发射机30的漏泄馈线20被布置在比由连接到计算机40的漏泄馈线20形成的圆具有更大直径的圆中的环状支撑物11上，并且在由漏泄馈线20形成的圆内部提供发射天线，其提供单点传输源。

图9示出了用于管理图8的测量和监视设备10的硬件电路400的实施例。与图6的实施例类似，硬件电路400包括处理单元300。处理单元300可以是数字控制（NC）单元或现场可编程门阵列（FPGA）。处理单元300包括FFT（“快速傅里叶变换”）模块315、随机存取模块（RAM）320和滤波器功能318，滤波器功能318要连接到FFT模块315以用于对由FFT模块315生成的谱信息进行滤波。处理单元300连接到（一个或多个）电磁发射机30和（一个或多个）电磁接收机40。（一个或多个）电磁接收机40直接连接到滤波器功能318，以便将第二电磁信号200作为输入发射到滤波器功能318。处理单元300进一步连接到储存单元310和高级图像处理模块390。根据本发明的其他实施例，除FFT模块315外或作为FFT模块315的可替换方案，信号处理模块可以被实现以用于频域和/或时域分析。

Claims

1.测量和监视设备（10），包括：

至少一个漏泄馈线（20）；

至少一个电磁发射机（30），连接到所述至少一个漏泄馈线（20），以用于沿所述至少一个漏泄馈线（20）向着目标对象（4、12）发射第一电磁信号（100）；

至少一个电磁接收机（40），连接到所述至少一个漏泄馈线（20），以用于从所述至少一个漏泄馈线（20）接收第二电磁信号（200），所述第二电磁信号（200）是当所述第一电磁信号（100）碰撞所述目标对象（4、12）时从所述目标对象反射的；

硬件电路（400），包括：

处理电路（300），连接到所述电磁发射机（30）和所述电磁接收机（40），且被配置成分析所述第一电磁信号（100）和所述第二电磁信号（200），以用于确定所述目标对象（4、12）的性质；

信号处理模块（315），作为输入而接收所述第一电磁信号（100）和/或所述第二电磁信号（200），以用于在所述第一电磁信号（100）和/或所述第二电磁信号（200）的频域和/或时域中生成谱信息；

储存单元（310），连接到所述处理单元（300）。

2.根据权利要求1所述的测量和监视设备（10），其中所述硬件电路（400）包括：分析模块（317），被配置用于搜索由所述FFT模块（315）生成的数据与先前存储在所述储存单元（310）中的数据之间的偏差。

3.根据权利要求1或2所述的测量和监视设备（10），其中所述FFT模块（315）和所述分析模块（317）中的任一个集成在所述处理单元（300）中。

4.风力涡轮机（1），包括根据权利要求1至3中任一项所述的测量和监视设备（10），所述目标对象是所述风力涡轮机（1）的可旋转叶片（4）。

5.安全扫描仪，包括根据权利要求1至3中任一项所述的测量和监视设备（10）。

6.磁共振成像装置，包括根据权利要求1至3中任一项所述的测量和监视设备（10），所述测量和监视设备（10）包括连接到所述处理单元（300）的高级图像处理模块（390）。

7.用于监视风力涡轮机（1）的叶片（4）的方法，所述方法包括下述步骤：

在包括风力涡轮机（1）的区域中提供至少一个漏泄馈线（20）；

沿所述至少一个漏泄馈线（20）向着所述叶片（4）发射第一电磁信号（100）；

测量从所述至少一个漏泄馈线（20）接收到的第二电磁信号（200），所述第二电磁信号（200）是当所述第一电磁信号（100）撞击所述叶片（4）时从所述目标对象反射的；

在所述第一电磁信号（100）和所述第二电磁信号（200）中的任一个的频域和/或时域中生成谱和/或幅度信息；

存储所述谱和/或幅度信息；

随时间监视所述谱和/或幅度信息，并将谱信息中的偏差关联到所述叶片（4）的性质中的改变。

8.根据权利要求7所述的方法，其中谱信息中的偏差被关联到所述叶片（4）的结构性质中的改变。