CN214366548U - 一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，属于新能源发电技术领域。包括光源发生器、分光器、光谱信号接收器和数据处理及分析系统；光谱信号接收器固定设置在塔筒上，光源发生器正对光谱信号接收器固定设置在风机塔筒外部的水平面上，分光器设在光源发生器和光谱信号接收器之间，光谱信号接收器与数据处理及分析系统连接。本实用新型利用光学测量方法实现风机塔筒的检测，相比其它方式具有更高的测量精度，且本实用新型的装置构建简单，各部件成本较低，易于实现，提升了风电场内风机塔筒的安全性。
Description
技术领域
本实用新型属于新能源发电技术领域，具体涉及一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置。
背景技术
随着风电开发往低风速区域发展，超高柔塔被大量应用。同时，风电机组越来越接近居民区域，这对风电机组的安全性要求也越来越高。
近年来风机倒塔事故频出，在给风电企业带来巨大经济损失的同时也会产生较为恶劣的负面社会影响。从风机倒塔的源头来看，基础开裂、塔筒倾斜、不均匀沉降等是至关重要的原因；这些安全隐患是个漫长的缓变过程，尤其是塔筒的倾斜和不均匀沉降，通过人眼观察难以准确发现，一旦量变到质变，倒塔事故也就在所难免。此外，不均匀沉降不仅会降低风电机组的发电量，而且会对传动链大部件(如主轴承)产生附加弯矩，导致其在非设计工况下运行，加速部件的损坏。因此，对塔筒的倾斜以及不均匀沉降进行及时有效的监测和测量是避免风机倒塔的主要解决途径。
现有的用于监测风机倾斜的装置主要采用的是倾角传感器，然而此种方式也存在一定不足，其对于传感器精度、长期稳定性要求高。近年来，图像识别技术被应用到风机塔筒监测领域。公开号为211314461U的专利报道了一种新型风电塔筒倾斜预警装置，通过高低温数字工业相机和无影高亮光源的设置，对螺钉进行监控，并配合主控室内部设置有在线监测装置屏，能够使风电塔筒倾斜预警装置具备可视化的直观展现界面。公开号为104807444A的专利报道了一种风机塔筒倾斜测量方法，使得用户仅需两次拍照就可快速确定塔筒倾斜角度。然而利用图像识别技术进行塔筒倾斜判定的一个弊端是其对图片分辨率的要求较高，风机塔筒前期微小的位移较难通过图像显著反映出来。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，能够提高风机塔筒监测的精确度和敏感度，提升风机塔筒的安全性。
本实用新型通过以下技术方案来实现：
本实用新型公开了一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，包括光源发生器、分光器、光谱信号接收器和数据处理及分析系统；
光谱信号接收器固定设置在风机塔筒上，光源发生器正对光谱信号接收器固定设置在风机塔筒外部的水平面上，分光器设在光源发生器和光谱信号接收器之间，光谱信号接收器与数据处理及分析系统连接；光源发生器发出的混合光束经分光器分离为不同波长的单色光束照射在光谱信号接收器上。
优选地，分光器为三棱镜或光栅。
优选地，分光器的分辨率＞1nm/mm。
优选地，光谱信号接收器为光谱信号探头。
进一步优选地，光谱信号探头的直径＜1mm。
优选地，光谱信号接收器距地面的高度为10～20cm。
优选地，光谱信号接收器的信号刷新频率为0.1～10Hz。
优选地，光源发生器为单向光束发生器。
优选地，光源发生器和分光器设在密封外壳内，光源发生器的密封外壳上的出光口为透光材质，分光器的密封外壳上的进光口和出光口为透光材质。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型公开的一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，利用分光器将一束已知波长分布的光源在空间高度上自上而下分成不同波长的单色光，通过在风机塔筒底部安装的光谱信号接收器获取特定高度位置上的单色光信息，通过高度-波长对应关系，就能够计算分析出风机塔筒的位置信息。当风机塔筒发生位移时，光谱信号接收器接收到的波长信号发生改变，通过光谱信号接收器接收到波长信号的变化就能反应风机塔筒的空间位置和倾角的变化。利用光学测量方法实现风机塔筒的检测，相比其它方式具有更高的测量精度，且本实用新型的装置构建简单，各部件成本较低，易于实现，提升了风电场内风机塔筒的安全性。
进一步地，分光器采用三棱镜或光栅，能够根据不同波长的光的折射、衍射特性不同，将一束合成光分解成不同波长的单色光，成本低，便于控制；分光器的分辨率＞1nm/mm，能够获得较高的测量精度。
进一步地，光谱信号接收器采用光谱信号探头，响应速度快、灵敏度高。
更进一步地，光谱信号探头的直径＜1mm，能够配合分光器的分辨率达到较高的测量精度。
进一步地，光谱信号接收器距地面的高度为10～20cm，能够避免近地面的外部环境带来的不确定性干扰，提高测量精度。
进一步地，光谱信号接收器的信号刷新频率为0.1～10Hz，既能够保证监测的连续性和及时性，同时能够降低系统的能耗。
进一步地，光源发生器为单向光束发生器，光线的聚拢性好，能量集中，便于传播。
进一步地，光源发生器和分光器设在密封外壳内，能够最大程度避免周围光线的干扰。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图；
图2为风机塔筒发生倾斜时光谱信号接收器的位置变化示意图；
图3为风机塔筒发生倾斜前后光谱信号接收器接收到的光谱信号变化示意图；
图4为本实用新型的方法流程示意图；
图5为在风机塔筒底部正交方向安装多个监测装置的示意图。
图中：1-风机塔筒，2-光源，3-混合光束，4-分光器，5-单色光束，6-光谱信号接收器，7-数据处理及分析系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述，其内容是对本实用新型的解释而不是限定：
本实用新型的基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，包括光源发生器2、分光器4、光谱信号接收器6和数据处理及分析系统7。
光谱信号接收器6固定设置在风机塔筒1上，光源发生器2正对光谱信号接收器6固定设置在风机塔筒1外部的水平面上，优选地，光谱信号接收器6 距地面的高度为10～20cm。分光器4设在光源发生器2和光谱信号接收器6之间，光谱信号接收器6与数据处理及分析系统7连接；光源发生器2发出的混合光束3经分光器4分离为不同波长的单色光束5照射在光谱信号接收器6上。
优选地，光源发生器2和分光器4设在密封外壳内，光源发生器2的密封外壳上的出光口为透光材质，分光器4的密封外壳上的进光口和出光口为透光材质。
分光器4可以采用三棱镜或光栅，分辨率＞1nm/mm。
光谱信号接收器6可以采用光谱信号探头，光谱信号探头的直径＜1mm；光谱信号接收器6的信号刷新频率可以设置为0.1～10Hz。
光源发生器优选单向光束发生器。
采用上述基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置进行风机塔筒倾斜测量的方法，包括：
在光谱信号接收器6所处的垂直平面内，测量不同高度处接收到的单色光束5的波长信号，建立空间垂直位置和和该位置所对应的光谱信号接收器6接收到的波长信号的对应关系，完成标定；光源发生器2持续发出混合光束3，混合光束3经分光器4分离为不同波长的单色光束5照射在光谱信号接收器6上，光谱信号接收器6以预设的刷新频率接收波长信号，数据处理及分析系统7对预设的间隔时间接收到的波长信号的进行分析比对，当变化值大于设定的报警阈值时发出报警信号。
在本实用新型的一个较优的实施例中，在风机塔筒1同一高度的正交方向上分别设置一套所述的采用基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，数据处理及分析系统7分别读取每个光谱信号接收器6接收到的波长信号计算风机塔筒1 在不同方位的不均匀沉降数值；通过同一方向相对的两个光谱信号接收器6接收到的波长信号计算风机塔筒1的倾角。
本实用新型的理论基础：
标准光源发出的光或者自然光是由若干个波长的光叠加起来产生的，而分光器4(如三棱镜、光栅等)利用不同波长的光的折射、衍射特性不同，可以将一束合成光分解成不同波长的单色光。利用这一特性，可以设计实现风机塔筒倾斜测量装置。具体地，将一束已知波长分布的光源2通过分光器4，分成不同波长的单色光，其在空间上自上而下依次呈现不同的波长，从肉眼来看，即呈现不同的颜色。在风机塔筒1底部距地面一定高度处相应位置安装光谱信号接收器6，如光谱信号探头，接收特定位置的光线。对于一束特定的波长，光源2 放置的高度固定，光源2与分光器4之间的相对位置固定，分光器4与风机塔筒1之间的距离固定，则安装于风机塔筒1上的光谱信号接收器6接收到的光谱信号仅与光谱信号接收器6的位置相关。一旦风机塔筒1发生倾斜或者沉降，固定于风机塔筒1壁面的光谱信号接收器6的位置相应地发生移动，其接收到的光线的信号相应的也发生变化。在正式安装测量之前，首先进行标定。在光谱信号接收器6所处的垂直平面内，测量不同高度处(精度：mm)接收到的单色光束5的波长信号，建立空间垂直位置和和该位置所对应的光谱信号接收器6 收到的波长信息的对应关系。通过光谱信号接收器6捕获到的光线信号信息，即获得了风机塔筒1的倾斜和沉降信息。
具体实施时，通过调节分光器4，如三棱镜的结构(底角等)，以及分光器 4到光谱信号接收器6的距离，控制信号在空间上的分辨率。一般来说，为了获得较高的测量精度，通过分光器4的单色光在空间上的分辨率应高于1nm/mm。安装于风机塔筒1上的光谱信号接收器6接收探头的直径应与单色光束的空间分辨率相匹配，其直径不大于1mm。风机塔筒1上光谱信号接收器6的安装距离地面10～20cm高度，避免近地面的外部环境带来的不确定性干扰。光源2位置应当与光谱信号接收器6位置配合，确保正常工作以及风机塔筒1出现倾斜和沉降时，光谱信号接收器6均能够接收到经过分光器4来的光信号。
下面以一个具体实施例来对本实用新型进行进一步地解释：
如图1，一个已知光强分布的光源2，固定在离地距离h1处。其发出的混合光束3经过分光器4在垂直空间尺度分离成不同波长的单色光束5。调节光源2 到分光器4的距离l1以及分光器4到风机塔筒1壁面光谱信号接收器6之间的距离l2，使得经过分光器4之后的单色光束5在测量点处垂直方向上的空间分辨率不低于1nm/mm，以确保测量的精度。通过事先标定，确定在垂直高度方向，单色光束5的波长分布与空间高度之间的对应关系。在风机塔筒1底部距离地面h2为10～20cm置处安装光谱信号接收器6。需要注意的是，上述h1应与h2配合，使得光谱信号接收器6在单色光束5的覆盖范围之内。光谱信号接收器6 接收到的信号传回数据处理及分析系统7，通过数据分析，可以得到此时光谱信号接收器6接收到的波长信息，也即此时风机塔筒1的位置信息。
当风机塔筒1在某一方向上发生倾斜或者不均匀沉降时，如图2所示，风机塔筒1基础产生角度为β的倾斜时，安装在风机塔筒1壁面的光谱信号接收器6的位置相应地发生变化。由于光谱信号接收器6在高度方向位置的变化，其所接收到的单色光信号也将发生改变。示例性地，图3给出了风机塔筒1倾斜前和倾斜后光谱信号接收器6接收到的光谱信号。排除背景光(来自周围环境)的影响，光谱信号接收器6所扫描出的光谱图像在其接受到波长λ1处会产生明显的峰值，而随着风机塔筒1的倾斜，光谱信号接收器6的高度位置发生变化，其所接受到的单色光波长发生变化，图谱中波长峰值移至波长λ2处。根据事先标定完成的高度与波长的对应关系，确定此时风机塔筒1在垂直高度上的位移变化Δh。光谱信号接收器6在高度方向产生的位移Δh＝D×sinβ，D为风机塔筒1底部直径。一般认为，风机塔筒1初始产生倾斜时，角度β较小，因此Δh≈D×β。因此，可以通过位移反算出此时的风机塔筒1倾角。
根据实际情况，光谱信号接收器6刷新频率可以设置的区间为0.1-10Hz。以1Hz的刷新频率为例，光源2持续发出混合光束3，光谱信号接收器6每隔1 秒收集其接收到的波长信息并自动利用计算机进行处理，推演得到此时的风机塔筒1位置信息。对相隔时间段收集到的信息进行差减比较，获得风机塔筒1 位置的变化信息。当风机塔筒1位置变化异常或者超出设定的安全阈值时，计算机弹出警报窗口。具体操作流程如图4所示。
为了获得风机塔筒1在不同方位的倾斜和沉降信息，在风机塔筒1底部同一高度正交的位置安装四套本实用新型的风机塔筒倾斜测量装置，如图5所示，以实现不同方位的风机塔筒1倾斜和沉降的实时监测。需要注意的时，此时风机塔筒1在不同方位的不均匀沉降可以通过分别读取每套测量装置上的光强信息并通过对应关系推演得到，但是风机塔筒1的倾角计算则需要通过相对的两个光谱信号接收器6的信号叠加计算。举例来说，对于布置在风机塔筒1壁上相对的(即圆心角为180°)两个光谱信号接收器6，若其中一个通过波长-高度对应关系测量到的风机塔筒1沉降为Δh1，另一光谱信号接收器6测量到的风机塔筒1沉降为Δh2，则两个光谱信号接收器6之间的相对高度偏差Δh＝|Δh1-Δh2|，此时倾斜角度的计算β≈|Δh1-Δh2|/D。
需要说明的是，以上所述仅为本实用新型实施方式的一部分，根据本实用新型所描述的系统所做的等效变化，均包括在本实用新型的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，包括光源发生器(2)、分光器(4)、光谱信号接收器(6)和数据处理及分析系统(7)；
光谱信号接收器(6)固定设置在风机塔筒(1)上，光源发生器(2)正对光谱信号接收器(6)固定设置在风机塔筒(1)外部的水平面上，分光器(4)设在光源发生器(2)和光谱信号接收器(6)之间，光谱信号接收器(6)与数据处理及分析系统(7)连接；光源发生器(2)发出的混合光束(3)经分光器(4)分离为不同波长的单色光束(5)照射在光谱信号接收器(6)上。
2.根据权利要求1所述的基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，分光器(4)为三棱镜或光栅。
3.根据权利要求1所述的基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，分光器(4)的分辨率＞1nm/mm。
4.根据权利要求1所述的基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，光谱信号接收器(6)为光谱信号探头。
5.根据权利要求4所述的基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，光谱信号探头的直径＜1mm。
6.根据权利要求1所述的基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，光谱信号接收器(6)距地面的高度为10～20cm。
7.根据权利要求1所述的基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，光谱信号接收器(6)的信号刷新频率为0.1～10Hz。
8.根据权利要求1所述的基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，光源发生器(2)为单向光束发生器。
9.根据权利要求1所述的基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置，其特征在于，光源发生器(2)和分光器(4)设在密封外壳内，光源发生器(2)的密封外壳上的出光口为透光材质，分光器(4)的密封外壳上的进光口和出光口为透光材质。
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| CN202120381552.7U CN214366548U (zh) | 2021-02-20 | 2021-02-20 | 一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022174565A1 (zh) * | 2021-02-20 | 2022-08-25 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置及方法 |
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2021
- 2021-02-20 CN CN202120381552.7U patent/CN214366548U/zh active Active
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| WO2022174565A1 (zh) * | 2021-02-20 | 2022-08-25 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种基于光色散的风机塔筒倾斜监测装置及方法 |
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