DE102013009876A1 - Determining the intrinsic speed of a speed sensor device in a body of water for correcting the measurement signal - Google Patents

Determining the intrinsic speed of a speed sensor device in a body of water for correcting the measurement signal Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit zwischen einem Bezugspunkt (1) und einer Wasserströmung in einer Messrichtung (x), wobei eine Relativgeschwindigkeit zwischen einer in einem Gewässer befindlichen Sensoreinrichtung (8) und der Wasserströmung in der Messrichtung (x) durch die Sensoreinrichtung (8) gemessen wird, eine Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung (8) relativ zu dem Bezugspunkt (1) durch die Sensoreinrichtung (8) bestimmt wird, die Relativgeschwindigkeit zwischen der Sensoreinrichtung (8) und der Wasserströmung um die Eigengeschwindigkeit korrigiert wird, um daraus die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bezugspunkt (1) und der Wasserströmung in der Messrichtung (x) zu bestimmen.The invention relates to a method for determining a relative speed between a reference point (1) and a water flow in a measuring direction (x), with a relative speed between a sensor device (8) in a body of water and the water flow in the measuring direction (x) through the sensor device (8) is measured, an intrinsic speed of the sensor device (8) relative to the reference point (1) is determined by the sensor device (8), the relative speed between the sensor device (8) and the water flow is corrected by the intrinsic speed to derive the relative speed between the reference point (1) and the water flow in the measuring direction (x).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit zwischen einem Bezugspunkt und einer Wasserströmung sowie eine Sensoreinrichtung zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for determining a relative speed between a reference point and a water flow and to a sensor device for its implementation.

Stand der TechnikState of the art

Zur Umwandlung von Energie aus Wasserbewegungen in Gewässern in nutzbare Energie ist eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen bekannt. Eine Übersicht hierzu gibt beispielsweise G. Boyle, ”Renewable Energy”, 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004 . Derartige Vorrichtungen werden hier als ”Wellenenergiekonverter” bezeichnet.For the conversion of energy from water movements in water into usable energy a number of different devices are known. An overview of this can be found, for example G. Boyle, "Renewable Energy," 2nd Ed., Oxford University Press, Oxford 2004 , Such devices are referred to herein as "wave energy converters".

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Wellenenergiekonverter von Interesse, die mit ihren bewegten Teilen unter der Wasseroberfläche angeordnet sind und die eine dort vorliegende Wellenorbitalbewegung ausnutzen. Die Wellenorbitalbewegung kann mittels Rotoren in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden. Hierzu können Rotoren mit Kopplungskörpern, z. B. hydrodynamischen Auftriebsprofilen, verwendet werden. Ein derartiges System ist in der DE 10 2011 105 177 A1 offenbart. Die Erfindung kann jedoch bei allen Wellenenergiekonvertern und auch bei anderen in einem wellenbewegten Gewässer befindlichen Anlagen eingesetzt werden, die von einer Wellenbewegung beeinflusst werden.Wave energy converters, which are arranged with their moving parts under the water surface and exploit a wave orbital motion present there, are of particular interest in the context of the present invention. The wave orbital motion can be converted into a rotational movement by means of rotors. For this purpose, rotors with coupling bodies, for. B. hydrodynamic lift profiles, are used. Such a system is in the DE 10 2011 105 177 A1 disclosed. However, the invention can be applied to all wave energy converters as well as other turbines in wave-driven waters affected by wave motion.

In derartigen Anlagen kann es von Vorteil sein, die zu erwartende Wellenbeaufschlagung vorab zu ermitteln, um insbesondere auftretende Belastungen vorhersagen zu können und entsprechende Anlagen bei Hochenergieszenarien notfalls in einen Schutzmodus versetzen zu können. Unter Hochenergieszenarien werden im Rahmen dieser Anmeldung beispielsweise Wellen mit ungewöhnlich hoher Geschwindigkeit, Amplitude oder einem bestimmten, die Anlagen belastenden Frequenzmuster verstanden.In such systems, it may be advantageous to determine the expected wave exposure in advance, in order to predict occurring loads in particular and to be able to put appropriate systems in a high-energy scenarios emergency mode in a protective mode. In the context of this application, high-energy scenarios are, for example, understood as meaning waves with an unusually high speed, amplitude or a specific frequency pattern stressing the systems.

Darüber hinaus kann ein Wellenenergiekonverter bei Kenntnis der zu erwartenden Wellenbeaufschlagung angepasst an diese betrieben werden, um beispielsweise den Energieertrag des Wellenenergiekonverters zu maximieren.In addition, a wave energy converter with knowledge of the expected Wellenbeaufschlagung adapted to be operated on this, for example, to maximize the energy yield of the wave energy converter.

Wellenbewegungen können mittels Doppler-Messungen, beispielsweise per Ultraschall, erfasst werden. Sensoren zur Messung von Wasserströmungen, insbesondere Wasserströmungen, die auf Ultraschall basieren, können sich auf beweglichen Objekten befinden, z. B. Schiffen oder Bojen. Diese Sensoren sind unter der Wasseroberfläche platziert und benutzen den Dopplereffekt, bei dem die relative, radiale Geschwindigkeit (im zylindrischen Koordinatensystem gesehen) zwischen der Sensoreinrichtung und Rückstreuelemente (z. B. Sedimente oder Plankton) gemessen wird. Offensichtlich verfälscht jedoch die Geschwindigkeit des Objekts, an dem die Sensoreinrichtung befestigt ist, die Messergebnisse.Wave movements can be detected by means of Doppler measurements, for example by ultrasound. Sensors for measuring water currents, especially water currents based on ultrasound, can be located on moving objects, e.g. As ships or buoys. These sensors are placed below the water surface and use the Doppler effect, which measures the relative radial velocity (seen in the cylindrical coordinate system) between the sensor device and backscatter elements (eg, sediments or plankton). Obviously, however, the speed of the object to which the sensor device is attached falsifies the measurement results.

Es ist daher wünschenswert, Sensoren zur Verfügung zu haben, die diese Bewegung autonom kompensieren können und dazu nicht auf Informationen von außen angewiesen sind.It is therefore desirable to have sensors available that can compensate for this movement autonomously and are not dependent on information from outside.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit zwischen einem Bezugspunkt und einer Wasserströmung, insbesondere einer Meeresströmung, sowie eine Sensoreinrichtung zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for determining a relative speed between a reference point and a water flow, in particular a sea current, and a sensor device for carrying it out with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung ermöglicht die Korrektur der gemessenen Geschwindigkeit von Wasserströmungen, insbesondere mittels Dopplereffekts, um die Eigengeschwindigkeit der in dem Gewässer angeordneten Sensoreinrichtung. Die Kompensation erfolgt durch Ermittlung der Eigengeschwindigkeit und Richtung und Abzug von der gemessenen der Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung. Damit wird die Messgenauigkeit der Wasserströmung relativ zu einem ortsfesten Bezugspunkt erhöht.The invention makes it possible to correct the measured velocity of water flows, in particular by means of a Doppler effect, by the intrinsic speed of the sensor device arranged in the water. The compensation is carried out by determining the airspeed and direction and deduction of the measured relative velocity between the sensor device and water flow. Thus, the measurement accuracy of the water flow is increased relative to a fixed reference point.

Durch autonome Kompensation der Sensorgeschwindigkeit kann die Sensoreinrichtung ohne aufwendige Signalverarbeitung nach Erfassung der Messdaten genaue Strömungsmessdaten liefern. Die Kompensation erfolgt autonom, ohne dass eine Kommunikation mit externen Sensoren erfolgen muss. Die Erfindung funktioniert insbesondere auch in Unterwasseranwendungen, bei denen das Messen der Geschwindigkeit basierend auf dem Dopplereffekt über die Laufzeit eines Ultraschallechos vom Meeresboden nicht sinnvoll ist, z. B. aufgrund einer sehr großen Wassertiefe, die zu hohen Messfehlern aufgrund von Wasserströmungen, Temperatur- und Druckabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit führt. Neben der Hauptaufgabe, Wasserströmungen zu messen, liefert die Sensoreinrichtung auch Informationen über ihre eigene Geschwindigkeit.By autonomous compensation of the sensor speed, the sensor device can provide accurate flow measurement data without complex signal processing after acquisition of the measurement data. The compensation is autonomous, without having to communicate with external sensors. In particular, the invention also functions in underwater applications where measuring velocity based on the Doppler effect over the life of an ultrasonic echo from the seabed is not expedient, e.g. B. due to a very large water depth, which leads to high measurement errors due to water currents, temperature and pressure dependence of the speed of sound. In addition to the main task of measuring water flows, the sensor device also provides information about its own speed.

Die Erfindung bedient sich dazu im Wesentlichen zweier Schritte. Zum einen erfolgt eine übliche Messung der Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung, insbesondere auf dem Dopplereffekt basierend, beispielswese unter Verwendung von Ultraschall. Zum anderen wird eine Beschleunigung und Drehung der Sensoreinrichtung mittels an der Sensoreinrichtung angebrachter Inertialsensoren (Beschleunigungs- und Drehsensoren) durchgeführt. Inertiale Messeinheiten beinhalten in der Regel drei orthogonal angeordnete Beschleunigungssensoren (auch als Translationssensoren bezeichnet), die die lineare Beschleunigung in x- bzw. y- bzw. z-Achse detektieren, woraus der die translatorische Bewegung berechnet werden kann, und drei orthogonal angeordnete Drehratensensoren (auch als Gyroskopische Sensoren bezeichnet), die die die Winkelgeschwindigkeit um die x- bzw. y- bzw. z-Achse messen, woraus die Rotationsbewegung berechnet werden kann. Geeignete Inertialsensoren sind beispielsweise sogenannte MEMS-Sensoren (Mikroelektromechanische Systeme). Zur Verbesserung der Genauigkeit bzw. um eine Drift der oben genannten Sensoren zu korrigieren, können zusätzlich Magnetfeldsensoren (Kompasssensoren) verwendet werden.The invention makes use of essentially two steps. On the one hand, a usual measurement of the relative speed between the sensor device and the water flow is carried out, in particular based on the Doppler effect, for example, using ultrasound. On the other hand, an acceleration and rotation of the sensor device is carried out by means of inertial sensors (acceleration and rotation sensors) attached to the sensor device. Inertial measurement units typically comprise three orthogonally arranged acceleration sensors (also referred to as translation sensors) which detect the linear acceleration in the x, y or z axis, from which the translatory motion can be calculated, and three orthogonally arranged angular rate sensors ( also called gyroscopic sensors) which measure the angular velocity about the x, y, and z axes, respectively, from which the rotational motion can be calculated. Suitable inertial sensors are, for example, so-called MEMS sensors (microelectromechanical systems). In order to improve the accuracy or to correct a drift of the above-mentioned sensors, additional magnetic field sensors (compass sensors) can be used.

Mittels der Inertialsensoren kann die aktuelle Geschwindigkeit und Richtung der Sensoreinrichtung bestimmt und zur Korrektur der gemessenen Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung verwendet werden. Auf diese Weise kann sehr leicht die Relativgeschwindigkeit zwischen Wasserströmung und einem Bezugspunkt, welcher zweckmäßigerweise die Anlage ist, ermittelt werden.By means of the inertial sensors, the current speed and direction of the sensor device can be determined and used to correct the measured relative speed between sensor device and water flow. In this way, the relative velocity between the water flow and a reference point, which is expediently the system, can be determined very easily.

Um die Geschwindigkeit und Richtung aus den Messdaten zu ermitteln, ist u. a. eine zeitliche Integration der Beschleunigungsdaten nötig. Je länger der betrachtete Zeitraum dauert, desto größer werden jedoch mögliche Fehler. Im Rahmen der Erfindung wird daher vorteilhafterweise ausgenutzt, dass in einem wellenbewegten Gewässer befindliche Sensoren hauptsächlich periodischen Bewegungen unterworfen sind.In order to determine the speed and direction from the measured data, u. a. a temporal integration of the acceleration data needed. However, the longer the considered period lasts, the larger possible errors become. In the context of the invention is therefore advantageously exploited that located in a wave-like waters sensors are subjected mainly to periodic movements.

Bei einer periodischen Beschleunigung kann die Geschwindigkeit mittels Fourierzerlegung der gemessenen Beschleunigung a(t) einfach berechnet werden, ohne das Beschleunigungssignal integrieren zu müssen. Eine mittelwertfreie, harmonische Beschleunigung lässt sich wie folgt darstellen:

Figure DE102013009876A1_0002
With a periodic acceleration, the speed can be easily calculated by means of Fourier decomposition of the measured acceleration a (t) without having to integrate the acceleration signal. A mean-harmonic acceleration can be represented as follows:
Figure DE102013009876A1_0002

Daraus ergibt für die Geschwindigkeit:

Figure DE102013009876A1_0003
This gives for the speed:
Figure DE102013009876A1_0003

Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber einer Integration von Sensorsignalen über einen langen Zeitraum.This is a significant advantage over integrating sensor signals over a long period of time.

Transiente Vorgänge (nicht harmonischer Form) sowie nicht periodische Beschleunigungen der Sensoreinrichtung lassen sich mit einer Kurzzeitintegration des Beschleunigungssignals berücksichtigen. Da es sich um eine Kurzzeitintegration (im Bereich von wenigen Sekunden) handelt, ist ein Integrationsfehler relativ klein und führt nicht zu signifikanten Verfälschungen.Transient processes (non-harmonic form) and non-periodic accelerations of the sensor device can be taken into account with a short-term integration of the acceleration signal. Since it is a short-term integration (in the range of a few seconds), an integration error is relatively small and does not lead to significant distortions.

Die bisher beschriebenen Abläufe ermöglichen die Kompensation von harmonischen Bewegungen (im mathematischen Sinn) sowie von Fehlorientierung der Sensoreinrichtung.The processes described so far allow the compensation of harmonic movements (in the mathematical sense) as well as misorientation of the sensor device.

Die Kompensation von Bewegungen der Sensoreinrichtung mit konstanter Geschwindigkeit kann besonders gemäß nachfolgend beschriebener Erweiterung des Verfahrens geschehen. Solche Bewegungen unterliegen keiner Beschleunigung und können daher mittels einer Beschleunigungsmessung nicht erkannt werden. Die bevorzugte Kompensation von Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit basiert auf der gemessenen Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung, genauer den von der Wasserströmung bewegten Streuzentren. Bei Meereswellen besitzt die Geschwindigkeit der Streuzentren harmonische Komponenten, die den harmonischen Komponenten der Welle entsprechen. Die Frequenz dieser harmonischen Komponenten wird von der Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung nicht beeinflusst.The compensation of movements of the sensor device at a constant speed can be done especially according to the extension of the method described below. Such movements are not subject to acceleration and therefore can not be detected by means of an acceleration measurement. The preferred compensation for movements with constant speed is based on the measured relative speed between the sensor device and water flow, more precisely the scattering centers moved by the water flow. At sea waves, the velocity of the scattering centers has harmonic components that correspond to the harmonic components of the wave. The frequency of these harmonic components is not affected by the intrinsic speed of the sensor device.

Es sind Wellenausbreitungsmodelle (z. B. lineare Wellentheorie) bekannt, die eine Beziehung zwischen Frequenzen, Wellenzahl, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit der Welle etablieren. Diese Beziehung ist als Dispersionsgleichung bekannt und wird als Basis für die Kompensation von konstanten Geschwindigkeitsanteilen benutzt. Nähere Details finden sich hierzu in ”Water Wave Mechanics for Engineers & Scientists (Advanced Series on Ocean Engineering Vol 2)”, Robert G. Dean, Robert A. Dalrymple . Aus der Entfernung, die ein Ort einer bestimmten Phasenlage in einer gewissen Zeit zurücklegt, und der Phasengeschwindigkeit kann die Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung in Messrichtung bestimmt werden.Wave propagation models (eg, linear wave theory) are known which establish a relationship between frequencies, wavenumber, phase and group velocity of the wave. This relationship is known as a dispersion equation and is used as the basis for the compensation of constant velocity components. Further details can be found in this "Water Wave Mechanics for Engineers &Scientists", Robert G. Dean, Robert A. Dalrymple , From the distance covered by a location of a specific phase position in a certain time and the phase velocity, the intrinsic speed of the sensor device in the measuring direction can be determined.

Die Dispersionsgleichung wird durch die Wellensteilheit (Quotient aus Wellenhöhe H und Wellenlänge L) wesentlich beeinflusst. Deshalb lässt sich diese Methode vorteilhaft mit einer Einrichtung zur Messung der Wellenhöhe kombinieren, beispielsweise einer Schwimmboje. Alternativ kann aus den Wellenmodellen einen Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Wellenhöhe bestimmt werden, so dass eine grobe (nicht kompensierte Messung) der Strömungsgeschwindigkeit hinreichend ist, um die für die herrschenden Strömungsbedingungen geeignete Dispersionsgleichung zu wählen. η = H / 2·cos(k·x – ω·t) u = H / 2·ω· cosh(k·(h + z)) / sinh(k·h)·cos(k·x – ω·t) w = H / 2·ω· sinh(k·(h + z)) / sinh(k·h)·sin(k·x – ω·t) mit:

η:
z-Koordinate der Wasseroberfläche
u:
Horizontalgeschwindigkeit
w:
Vertikalgeschwindigkeit
k:
Wellenzahl (2π/L)
h:
Wassertiefe
z:
z-Koordinate, Ruhewasserspiegel z = 0, Sohle z = –h
x:
x-Koordinate, Ausbreitungsrichtung
The dispersion equation is significantly influenced by the wave steepness (quotient of wave height H and wavelength L). Therefore, this method can be advantageously combined with a device for measuring the wave height, such as a buoy. Alternatively, a relationship between flow velocity and wave height can be determined from the wave models so that a coarse (uncompensated measurement) of the flow rate is sufficient to select the dispersion equation appropriate for the prevailing flow conditions. η = H / 2 × cos (k × - ω × t) u = H / 2 · ω · cosh (k · (h + z)) / sinh (k · h) · cos (k · x -ω · t) w = H / 2 · ω · sinh (k · (h + z)) / sinh (k · h) · sin (k · x -ω · t) With:
η:
z-coordinate of the water surface
u:
Horizontal speed
w:
vertical speed
k:
Wave number (2π / L)
H:
water depth
z:
z-coordinate, water level z = 0, sole z = -h
x:
x-coordinate, direction of propagation

Die Messung der Sensorgeschwindigkeit in Tiefenrichtung (z-Richtung, also vertikal) kann durch eine Druckmessung erfolgen. Beim Versenken der Sensoreinrichtung steigt nämlich der statische Druck pstat am Ort der Sensoreinrichtung. Ist die Wellenhöhe bekannt, beispielsweise durch die obige Bestimmung, kann eine die gemessene Tiefe beeinflussende Veränderung der Wellenhöhe ebenfalls kompensiert werden. Die Ableitung des Drucks nach der Zeit und die Berücksichtigung der Wellenhöhe ermöglicht die Berechnung der Geschwindigkeit in z-Richtung. Die Kompensation des dynamischen Drucks kann z. B. durch Anwendung mehrerer Drucksensoren erzielt werden.The measurement of the sensor speed in the depth direction (z-direction, ie vertical) can be done by a pressure measurement. Namely, when the sensor device sinks, the static pressure p stat at the location of the sensor device increases. If the wave height is known, for example by the above determination, a change in the wave height influencing the measured depth can also be compensated. The derivation of the pressure after the time and the consideration of the wave height enables the calculation of the velocity in the z-direction. The compensation of the dynamic pressure can z. B. can be achieved by using multiple pressure sensors.

Es gilt nämlich:

Figure DE102013009876A1_0004
mit:

ρ:
Dichte
g:
Erdbeschleunigung
It is true that:
Figure DE102013009876A1_0004
With:
ρ:
density
G:
acceleration of gravity

Eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A sensor device according to the invention is, in particular programmatically, adapted to carry out a method according to the invention.

Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.Also, the implementation of the invention in the form of software is advantageous because this allows very low cost, especially if an executing processing unit is still used for other tasks and therefore already exists. Suitable data carriers for the provision of the computer program are in particular floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs and the like. a. m. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.

Figurenbeschreibungfigure description

1 zeigt einen Wellenenergiekonverter und eine Sensoreinrichtung, die erfindungsgemäß betrieben werden kann, in teilperspektivischer Darstellung. 1 shows a wave energy converter and a sensor device which can be operated according to the invention, in partial perspective view.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

In 1 ist ein bevorzugter, aber dennoch rein beispielhafter Wellenenergiekonverter gezeigt, der sich eine Wellenorbitalbewegung eines welligen Gewässers, insbesondere eines Meeres, zu Nutze machen kann. Der Wellenenergiekonverter ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Er weist einen Rotor 2, 3, 4 mit einer Rotorbasis 2 auf, an der über Rotor- bzw. Hebelarme 4 längliche Auftriebsprofile 3 angebracht sind. Die Auftriebsprofile 3 sind mit einem Ende mit den Hebelarmen 4 verbunden und beispielsweise über Verstelleinrichtungen 5 in einem Winkel (sogenannter Pitchwinkel) um ihre Längsachse drehbar. Den Verstelleinrichtungen 5 können Positionsgeber 6 zugeordnet sein.In 1 is a preferred, but still purely exemplary wave energy converter shown that can make use of a wave orbital motion of a wavy body of water, especially a sea. The wave energy converter is in total with 1 designated. He has a rotor 2 . 3 . 4 with a rotor base 2 on, on the over rotor or lever arms 4 elongated lift profiles 3 are attached. The lift profiles 3 are with one end with the lever arms 4 connected and, for example via adjusting 5 at an angle (so-called pitch angle) about its longitudinal axis rotatable. The adjusting devices 5 can positioners 6 be assigned.

Die Auftriebsprofile 3 sind, bezogen auf die Achse des Rotors 2, 3, 4, in einem Winkel von 180° versetzt zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Auftriebsprofile 3 in der Nähe ihres Druckpunktes mit den Hebelarmen 4 verbunden, um im Betrieb auftretende Rotationsmomente auf die Auftriebsprofile 3 und damit die Anforderungen an die Halterung und/oder die Verstelleinrichtungen zu reduzieren. Der radiale Abstand zwischen einem Aufhängungspunkt eines Auftriebsprofils 3 und der Rotorachse beträgt beispielsweise 1 m bis 50 m, vorzugsweise 2 m bis 40 m und besonders bevorzugt 6 m bis 30 m. Die Sehnenlänge der Auftriebsprofile 3 beträgt beispielsweise 1 m bis 8 m. Die größte Längserstreckung kann beispielsweise 6 m oder mehr betragen.The lift profiles 3 are relative to the axis of the rotor 2 . 3 . 4 , offset at an angle of 180 ° to each other. Preferably, the lift profiles are 3 near their pressure point with the lever arms 4 connected to the operation occurring rotational moments on the lift profiles 3 and thus to reduce the requirements for the holder and / or the adjustment. The radial distance between a suspension point of a lift profile 3 and the rotor axis is, for example, 1 m to 50 m, preferably 2 m to 40 m, and more preferably 6 m to 30 m. The chord length of the lift profiles 3 is for example 1 m to 8 m. The maximum longitudinal extent may be, for example, 6 m or more.

Der Wellenenergiekonverter 1 weist einen integrierten Generator auf. Hierbei ist die Rotorbasis 2 drehbar in einem Generatorgehäuse 7 gelagert. Die Rotorbasis 2 bildet den Läufer des Generators, das Generatorgehäuse 7 dessen Stator. Die erforderlichen elektrischen Einrichtungen wie Spulen und Leitungen sind nicht dargestellt. Auf diese Weise kann eine durch die Wellenorbitalbewegung induzierte Rotationsbewegung der Rotorbasis 2 mit den hieran über die Hebelarme 4 angebrachten Auftriebsprofilen 3 direkt in elektrische Energie umgesetzt werden.The wave energy converter 1 has an integrated generator. Here is the rotor base 2 rotatable in a generator housing 7 stored. The rotor base 2 forms the rotor of the generator, the generator housing 7 its stator. The required electrical equipment such as coils and cables are not shown. In this way can be induced by the wave orbital motion rotational movement of the rotor base 2 with these on the lever arms 4 attached lift profiles 3 be converted directly into electrical energy.

Entfernt von dem Wellenenergiekonverter 1, beispielsweise an einer Tauchboje befestigt, ist eine Sensoreinrichtung 8 angeordnet, die in der 2 stark schematisiert dargestellt ist. Die Sensoreinrichtung 8 weist einen Ultraschall-Doppler-Strömungsmesser (engl.: Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)) auf. Der Ultraschall-Doppler-Strömungsmesser ist in einer Messrichtung x orientiert, die einer Anströmrichtung des Wellenenergiekonverters 1 entspricht.Removed from the wave energy converter 1 , For example, attached to a diving buoy, is a sensor device 8th arranged in the 2 is shown very schematically. The sensor device 8th has an Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP). The ultrasonic Doppler flow meter is oriented in a measuring direction x, which is a flow direction of the wave energy converter 1 equivalent.

Ein ADCP ist ein Aktivsonar, das die Doppler-Frequenzverschiebung des Nachhalls von Streukörpern im Wasser (vorwiegend Plankton) zur Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit nutzt. Das Gerät ist mit drei oder vier voneinander unabhängigen Schwingern ('Transducer') ausgestattet, wobei die gegenüberliegenden jeweils Paare bilden. Jeweils ein Schwingerpaar misst die Horizontalbewegung in einer Richtung, die Vertikalbewegung wird von beiden parallel gemessen. Dazu geben die Geräte in festen Zeitintervallen Schallimpulse im Bereich von 500 kHz–10 MHz ab. Zwischen den Impulsen werden die zurück gestreuten Signale wieder empfangen. Diese erlauben über ihre Laufzeit eine Zuordnung zur relativen Entfernung zum Signalgeber (Transducer). Die Geräte können je nach Bauart und Konfiguration die dreidimensionale Wassergeschwindigkeit in verschiedenen Tiefenhorizonten messen.An ADCP is an active sonar that uses the Doppler frequency shift of the reverberation of scattered bodies in the water (predominantly plankton) to determine the local flow velocity. The instrument is equipped with three or four independent transducers, the opposite ones forming pairs. In each case a pair of oscillators measures the horizontal movement in one direction, the vertical movement is measured by both in parallel. For this purpose, the devices emit sound pulses in the range of 500 kHz-10 MHz at fixed time intervals. Between the pulses, the backscattered signals are received again. These allow an allocation to the relative distance to the signal generator (transducer) over their running time. Depending on the design and configuration, the devices can measure the three-dimensional water velocity in different depth horizons.

Bei einer rein horizontalen Messausrichtung (auch als H-ADCP bezeichnet) kann die Strömung kontinuierlich in einer definierten Tiefenschicht (d. h. für auf einer im Wesentlichen parallel zum Ruhewasserspiegel des Gewässers orientierten Messfläche befindliche Messorte) überwacht werden.In the case of a purely horizontal measurement orientation (also referred to as H-ADCP), the flow can be continuously monitored in a defined depth layer (that is to say for measurement sites located on a measurement surface oriented essentially parallel to the water level of the water body).

Im Rahmen der Erfindung wird nun die Sensoreinrichtung 8 weiterhin mit einem oder mehreren Inertial- und/oder Kompasssensoren bzw. mit einer inertialen Messeinheit ausgerüstet. Der ADCP 8 ist dazu eingerichtet, seine Eigenbewegung zu ermitteln und zur Korrektur der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit zu verwenden. Er weist dazu auch eine Steuereinheit auf, auf der ein entsprechendes Computerprogramm abläuft.In the context of the invention, the sensor device is now 8th further equipped with one or more inertial and / or compass sensors or with an inertial measuring unit. The ADCP 8th is set up to determine its own motion and to use it to correct the measured flow velocity. He also has a control unit on which runs a corresponding computer program.

Die Sensoreinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, mittels der Ultraschall-Dopplermessung die Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung in x-Richtung zu messen und daraus ein Messsignal vx(t) zu erhalten. Für den Betrieb des Wellenenergiekonverters 1 ist jedoch die Relativgeschwindigkeit zwischen Wellenenergiekonverter und Wasserströmung relevant, so dass die Messung um die Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung 8 und Wellenenergiekonverter, der als ortsfester Bezugspunkt angenommen wird, korrigiert wird.The sensor device 8th is adapted to measure by means of ultrasonic Doppler measurement, the relative speed between the sensor device and water flow in the x-direction and to obtain a measurement signal v x (t). For the operation of the wave energy converter 1 However, the relative speed between wave energy converter and water flow is relevant, so that the measurement by the relative speed between the sensor device 8th and wave energy converter adopted as a fixed reference point.

Der Sensoreinrichtung 8 ist daher auch dazu eingerichtet, mittels der inertialen Messeinheit seine eigene Beschleunigung, vorzugsweise in allen drei Raumrichtungen, ax(t), ay(t), az(t), über die Zeit zu erfassen.The sensor device 8th is therefore also adapted to detect its own acceleration, preferably in all three spatial directions, a x (t), a y (t), a z (t), over time by means of the inertial measuring unit.

Periodische Anteile der Beschleunigung können auf einfache Weise durch Fourieranalyse bestimmt und zur Korrektur der gemessenen Geschwindigkeit verwendet werden. Eine korrigierte Geschwindigkeit vx*(t) ergibt sich zu:

Figure DE102013009876A1_0005
Periodic portions of the acceleration can be easily determined by Fourier analysis and used to correct the measured velocity. A corrected velocity v x * (t) results in:
Figure DE102013009876A1_0005

Transiente Vorgänge (nicht harmonischer Form) sowie nicht periodische Beschleunigungen der Sensoreinrichtung lassen sich mit einer Kurzzeitintegration des Beschleunigungssignals berücksichtigen.Transient processes (non-harmonic form) and non-periodic accelerations of the sensor device can be taken into account with a short-term integration of the acceleration signal.

Die bevorzugte Kompensation von Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit vS basiert auf der gemessenen Relativgeschwindigkeit zwischen Sensoreinrichtung und Wasserströmung, vx(t).The preferred compensation of movements with constant speed v S is based on the measured relative speed between sensor device and water flow, v x (t).

Im Rahmen der Kompensation wird eine Phase der Strömung entlang einer Messrichtung, welche vorzugsweise horizontal verläuft, zu einem ersten Zeitpunkt t1 und zu einem späteren zweiten Zeitpunkt t2 gemessen. Es wird hier vereinfacht angenommen, dass der Seegang, d. h. auch die Strömungskomponente, nur einen harmonischen Anteil besitzt. Damit kann einfach ermittelt werden, an welchem Ort x1 sich das Maximum der Strömungskomponente zum Zeitpunkt t1 befindet. Dies wird zum zweiten Zeitpunkt t2 wiederholt, woraus sich der Ort x2 ergibt. Die Entfernung d = x2 – x1 dieser beiden Orte entspricht dem Produkt aus der Dauer (t2 – t1) zwischen den beiden Messzeitpunkten und der Summe (vP + vS) aus der Phasengeschwindigkeit vP und der Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung vS in Messrichtung. Hierbei wird angenommen, dass sich vP und vS zwischen t1 und t2 nicht verändern.As part of the compensation, a phase of the flow along a measuring direction, which preferably runs horizontally, is measured at a first time t 1 and at a later second time t 2 . It is simplified here assumed that the sea state, ie also the flow component, has only one harmonic component. This makes it easy to determine at which point x 1 the maximum of the flow component is at time t 1 . This is repeated at the second time t 2 , resulting in the location x 2 . The Distance d = x 2 -x 1 of these two locations corresponds to the product of the duration (t 2 -t 1 ) between the two measurement times and the sum (v P + v S ) from the phase velocity v P and the intrinsic velocity of the sensor device v S in measuring direction. It is assumed that v P and v S do not change between t 1 and t 2 .

Die Phasengeschwindigkeit ist durch die Dispersionsgleichung

Figure DE102013009876A1_0006
gegeben, so dass der konstante Anteil vx,S der Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung 8 in Messrichtung x berechnet werden kann. Die Messung der Sensorgeschwindigkeit in Querrichtung y, welche senkrecht zu der Messrichtung ist und horizontal verläuft, ist mit diesem Messverfahren nicht möglich. Es kann nur auf die relative Geschwindigkeit zwischen Strömung und Sensoreinrichtung geschlossen werden, aber nicht auf die Eigengeschwindigkeit.The phase velocity is through the dispersion equation
Figure DE102013009876A1_0006
given, so that the constant portion v x, S of the intrinsic speed of the sensor device 8th can be calculated in the measuring direction x. The measurement of the sensor speed in the transverse direction y, which is perpendicular to the measuring direction and runs horizontally, is not possible with this measuring method. It can only be concluded on the relative speed between flow and sensor device, but not on the airspeed.

Weiterhin ist die Sensoreinrichtung 8 mit wenigstens einem Drucksensor ausgerüstet, der den Gesamtdruck misst, mit dem die Sensoreinrichtung 8 beaufschlagt wird. Mittels einer Druckmessung kann die Tiefe in z-Richtung, wie oben erläutert, ermittelt werden.Furthermore, the sensor device 8th equipped with at least one pressure sensor which measures the total pressure with which the sensor device 8th is charged. By means of a pressure measurement, the depth in the z-direction, as explained above, can be determined.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011105177 A1 [0003] DE 102011105177 A1 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • ”Water Wave Mechanics for Engineers & Scientists (Advanced Series on Ocean Engineering Vol 2)”, Robert G. Dean, Robert A. Dalrymple [0020] "Water Wave Mechanics for Engineers &Scientists", Robert G. Dean, Robert A. Dalrymple [0020]

Claims (12)

Verfahren zum Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit zwischen einem Bezugspunkt (1) und einer Wasserströmung in einer Messrichtung (x), wobei eine Relativgeschwindigkeit zwischen einer in einem Gewässer befindlichen Sensoreinrichtung (8) und der Wasserströmung in der Messrichtung (x) durch die Sensoreinrichtung (8) gemessen wird, eine Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung (8) relativ zu dem Bezugspunkt (1) durch die Sensoreinrichtung (8) bestimmt wird, die Relativgeschwindigkeit zwischen der Sensoreinrichtung (8) und der Wasserströmung um die Eigengeschwindigkeit korrigiert wird, um daraus die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bezugspunkt (1) und der Wasserströmung in der Messrichtung (x) zu bestimmen.Method for determining a relative speed between a reference point ( 1 ) and a water flow in a measuring direction (x), wherein a relative velocity between a located in a water sensor device ( 8th ) and the water flow in the measuring direction (x) through the sensor device ( 8th ), an intrinsic velocity of the sensor device ( 8th ) relative to the reference point ( 1 ) by the sensor device ( 8th ), the relative speed between the sensor device ( 8th ) and the water flow is corrected by the airspeed in order to calculate the relative velocity between the reference point ( 1 ) and the water flow in the measuring direction (x). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung (8) relativ zu einem Bezugspunkt (1) aus einer Eigenbeschleunigung der Sensoreinrichtung (8) relativ zu dem Bezugspunkt (1) bestimmt wird.Method according to claim 1, wherein the intrinsic speed of the sensor device ( 8th ) relative to a reference point ( 1 ) from an intrinsic acceleration of the sensor device ( 8th ) relative to the reference point ( 1 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 2, wobei wenigstens ein periodischer Anteil der Eigenbeschleunigung der Sensoreinrichtung (8) relativ zu dem Bezugspunkt (1) bestimmt wird und aus dem periodischen Anteil der Eigenbeschleunigung ein periodischer Anteil der Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung (8) relativ zu dem Bezugspunkt (1) bestimmt wird.Method according to claim 2, wherein at least one periodic proportion of the self-acceleration of the sensor device ( 8th ) relative to the reference point ( 1 ) is determined and from the periodic portion of the self-acceleration, a periodic proportion of the intrinsic speed of the sensor device ( 8th ) relative to the reference point ( 1 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei wenigstens ein nicht periodischer Anteil der Eigenbeschleunigung der Sensoreinrichtung (8) relativ zu dem Bezugspunkt (1) bestimmt wird und aus dem nicht periodischen Anteil der Eigenbeschleunigung ein nicht periodischer Anteil der Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung (8) relativ zu dem Bezugspunkt (1) bestimmt wird.Method according to claim 2 or 3, wherein at least one non-periodic proportion of the self-acceleration of the sensor device ( 8th ) relative to the reference point ( 1 ) is determined and from the non-periodic proportion of the self-acceleration, a non-periodic proportion of the intrinsic speed of the sensor device ( 8th ) relative to the reference point ( 1 ) is determined. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein konstanter Anteil der Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung (8) relativ zu dem Bezugspunkt (1) in der Messrichtung (x) mittels einer Phasenanalyse der bestimmten Relativgeschwindigkeit zwischen der Sensoreinrichtung (8) und der Wasserströmung bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a constant proportion of the intrinsic speed of the sensor device ( 8th ) relative to the reference point ( 1 ) in the measuring direction (x) by means of a phase analysis of the determined relative speed between the sensor device ( 8th ) and the water flow is determined. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Eigengeschwindigkeit der Sensoreinrichtung (8) relativ zu dem Bezugspunkt (1) in vertikaler Richtung (z) aus einer Druckmessung eines auf die Sensoreinrichtung (8) wirkenden Wasserdrucks bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein an intrinsic speed of the sensor device ( 8th ) relative to the reference point ( 1 ) in the vertical direction (z) from a pressure measurement of a on the sensor device ( 8th ) acting water pressure is determined. Computerprogramm, das eine Recheneinheit veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.A computer program that causes a computing unit to perform a method according to any one of claims 1 to 6 when executed on the computing unit. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 7.Machine-readable storage medium with a computer program stored thereon according to claim 7. Sensoreinrichtung (8), die dazu eingerichtet ist, eine Relativgeschwindigkeit zwischen sich und einer Wasserströmung in einer Messrichtung (x) zu bestimmen, eine Eigengeschwindigkeit relativ zu einem Bezugspunkt (1) zu bestimmen, die Relativgeschwindigkeit zwischen sich und der Wasserströmung um die Eigengeschwindigkeit zu korrigieren, um daraus eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bezugspunkt (1) und der Wasserströmung in der Messrichtung (x) zu bestimmen.Sensor device ( 8th ), which is adapted to determine a relative velocity between itself and a water flow in a measuring direction (x), an airspeed relative to a reference point ( 1 ) to correct the relative velocity between itself and the water flow around the airspeed in order to obtain a relative velocity between the reference point ( 1 ) and the water flow in the measuring direction (x). Sensoreinrichtung (8) nach Anspruch 9, die einen Ultraschall-Doppler-Strömungsmesser und wenigstens einen Inertialsensor aufweist.Sensor device ( 8th ) according to claim 9, comprising an ultrasonic Doppler flow meter and at least one inertial sensor. Sensoreinrichtung (8) nach Anspruch 9 oder 10, die einen Drucksensor aufweist.Sensor device ( 8th ) according to claim 9 or 10, comprising a pressure sensor. Sensoreinrichtung (8) nach Anspruch 9, 10 oder 11, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 durchzuführen.Sensor device ( 8th ) according to claim 9, 10 or 11, adapted to carry out a method according to any one of claims 2 to 6.
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