一、概述

风力机叶片结冰会改变风力机叶片的气动外型并降低风力机的运行效率。假如叶片覆冰会改变叶片的外部形状和气动性能,增大叶片阻力、减少升力,影响全机操纵性、稳定性;最终导致风能的转化效率降低,严重的可导致叶片的损毁,发生运行事故,风力机叶片结冰已经成为保证风力机安全运行需要解决的迫切问题。 首先介绍结冰的快速计算理论，光纤式结冰传感器理论和微弱信号检测理论，然后以此为基础分别从探测器（包括光纤传感器），信号处理电路，上位机监控软件和通信协议四大方面对系统进行了详细设计。探测器和信号处理电路实现了从传感器端的微弱结冰状态变化到采集端的显著电压信号变化；上位机监控软件主要完成了串口通信模块设计，数据图形显示模块设计，数据存储模块设计，对硬件系统传送过来的结冰电压信号进行处理，并提供良好的人机界面，显示当前结冰告警状态，并把实时数据保存到文件夹中。完成了本系统的结冰的信号处理和雨水干扰的分析。

现场实践结果表明：本系统用于风力机结冰检测是可行的，可完成结冰告警功能，同时利用微波打落冰层.其结果是非常的。 据统计，现今的风力发电机装机总量约为50,000 MW，并且该数字以每年30%的比例高速增长。风力发电作为风能利用的主要方式，是当今清洁能源中技术和发展前景发电方式之一。 风力发电是将风能转化为电能的发电方式，其原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的风速(微风的程度)，便可以开始发电。 需要注意的是，由特定气候条件所引发的风力机叶片结冰会给风力机的安全和高效运行带来较大危害。当风力机叶片表面发生结冰后，其气动外型会受到破坏，此时风能的转化效率会大大降低；当结冰累积到一定程度后，风力机叶片更有可能发生损毁并且引发运行事故。 目前在风力机叶片结冰状态检测领域的研究和应用还处于初期阶段。应用已有的结冰状态分析方法和新型的光纤式结冰传感器等，实现对风力机叶片结冰状态检测，及时准确获取风力机叶片的结冰状态，从而进行结冰预警，结冰检测，消除结冰对风力机的危害，这对风力发电事业具有很重要的意义。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。中国风能储量很大、分布面广，为我国发展风力发电事业提供了很好的基础。风车叶片是风力机发电的重要部件，叶片表面结冰会致使其质量分布和翼型发生显著变化，影响风力机发电性能，严重的会出现故障和事故，甚至发生破坏现象。

目前在国内，结冰传感器的研究和应用还处于初期阶段，特别是在风力机叶片结冰状态检测这个应用领域。国内已设计出的风力机叶片结冰状态检测装置主要应用磁致伸缩原理，只能通过传感器的结冰程度来判断叶片结冰情况，检测效果受电磁干扰影响较大。

与国内相比，国外的对风力机结冰检测起步早、重视度高，对风力机结冰模型的研究较为透彻，其风力机结冰检测技术也国内水平。其中，发展相对成熟的结冰检测主要方法有：电学法、机械法、光学法、波导法等。

二、工作原理

该类结冰探测技术是利用结冰的电学性质而开发的结冰传感器，运用普遍的电容式，它利用冰、水、空气的介电常数的不同来判断电极之间是冰、水、还是空气，并且还可以根据测得的电容值大小推算结冰厚度。典型的电容式结冰传感器有美国Innovative Dynamics公司开发的电容式传感器，该传感器能够检测的结冰厚度范围0.5mm~1.5mm、1.5-50mm。

（一）光学法

该类结冰探测技术是利用结冰对光的反射、吸收、散射等作用而开发的结冰传感器，光纤式结冰传感器是典型的光学传感器。光纤式传感器通过发射光纤将一定波光的光打入冰层，光经冰层的反射和散射后，会有一部分光返回到接收光纤，通过检测接收光纤所接收的光强就可以推算出结冰厚度。早在2003年，希腊科学家成功开发了种光纤式结冰传感器，后来英国也开发出一种具有*性能的光纤式结冰传感器，它能检测到小到0.1mm的结冰。

（二）波导法

该类结冰探测技术是利用结冰对声波或者其它波的吸收和反射作用开发的结冰传感器，有声表面波式、超声脉冲回波式、微波谐振式。微波式结冰传感器已成功运用于空中加油飞机Cessna Cruader303，该传感器可以检测厚达25mm。

随着风力发电装机量在快速发展，风力机的安全运行问题已受到更为广泛的关注。但作为保障风力机安全运行的关键技术，风力机结冰检测技术在国内的发展仍然相对落后。因此，能否从基础理论和技术方法研究入手，提出既有丰富深入的理论和方法研究内容，又有实际工程应用系统技术的研究开发是解决我国风力发电重大安全保障的迫切需求。本课题的工程应用前景明确和宽广，课题的学术意义和社会应用价值均十分重大。

风力机结冰检测理论的基础上，利用以光纤式结冰传感器为主的多传感器系统，探测结冰光强信号，并经过电子系统进行信号调理，而数据采集模块则完成下位机与上位机之间的数据通信，最终把结冰告警信息实时显示在上位机界面上，并通过继电器输出模块控制结冰告警输出。最后通过实验室结冰及雨水干扰试验得到了结冰告警和雨水干扰的设定依据。

研究风力机结冰检测的关键理论。其中包括结冰的快速计算理论，光纤式结冰传感器理论和微弱信号检测理论。

风力机结冰检测系统应用结冰状态分析方法和光纤式结冰传感器，实现对风力发电机叶片结冰状态检测，及时准确获取风力机叶片结冰状态，从而进行结冰预警，结冰检测。该系统主要涉及以下三方面的理论：即结冰的快速计算理论，光纤式结冰传感器理论和微弱信号检测理论。

1.结冰的快速计算理论

为了建立探测器结冰与风力机结冰之间的联系，需要对探测器结冰和风力机结冰情况进行快速计算，我们采用如下公式计算结冰厚度：

2.壁面边界条件

对于水滴相计算，不同于空气流场，在计算面壁时应采用壁面吸入边界条件，即如果水滴与物面碰撞，则认为水滴从碰撞点流出。

3.水滴收集率的计算

系统由探测器（包括光纤传感器）、光电收发模块、信号处理与通信模块和上位机这四大部分组成。除去上位机之外的其余三部分构成了系统的硬件。系统总体结构框图如图

3-1所示。

三、信号处理电路设计

风力机结冰检测系统，综合应用多支不同类型的光纤式结冰传感器对风力机叶片的结冰状况进行检测，实时显示当前结冰状况并发出告警信号。其硬件部分完成对传感器前端数据的采集，调理，并将数据上传给上位机进行后续处理。由于风力机结冰探测系统是用来保障风力机的安全运行，因此系统设计要解决的首要问题就是稳定性和准确性，即系统要能稳定运行，不能出现故障导致无法运行，同时要有较高的精度，能够在探测点结冰厚度达到2mm时开始告警；鉴于风力发电机组现场存在电磁环境复杂，系统要有很强的抗干扰性。

电子系统主要包括5个结冰信号探测电路、1个电源转换电路。温度探测、数据采集和485总线传输由数据模块完成。结冰信号探测电路又包括光源发射电路、差分放大器、同步积分器、相关器及低通滤波器。光源发射电路中方波发生器产生的方波信号一方面作为开关电路的开关信号，经三极管放大后驱动红外发光二极管，另一方面，作为同步积分器和相关器的参考信号；差分放大器通过两路接收探测器信号的相减作为输入信号，能够很好的减小背景光的影响；同步积分器在信号通道中可作为频率自动跟踪滤波器，滤除差分放大器输出信号中的部分噪声；相关器再利用互相关原理，使输入待测的周期信号和频率相同的参考信号在相关器中实现互相关运算，从而将深埋在噪声中的周期信号携带的信息检测出来。温度探测器在结冰测量中起到辅助的作用，一方面，在一定条件下，结冰的冰型和温度有很大的关系，另一方面，检测电路只有在温度满足条件的情况下才工作并上传数据，其他时间处于不工作的状态。

风力机结冰检测系统的研制与开发，包括探测器（包括传感器）设计、硬件设计及软件设计。在各个部分的设计中综合考虑了系统的精确性、可靠性和实时性。

四、各项参数

检测参数：结冰、结冰厚度、积水、温度

量程：覆冰：0-0.3 ,0.3-50mm. 50-100mm

分辨率：0.2mm

检测精度：0.5mm

电源电压：3.3V ,5 V,12V, 24VD

功率：＜0.4W

灵敏度：0.4℃

通信方式：4-20mA.RS485 MODBUS

温度输出：-40℃~85℃

温度补偿范围：-40℃~85℃

探头材质：SUS304 /Teflon.四氟

环境温度：-40℃~85℃

外形尺寸：Φ25*20mm Φ32*20mm Φ40*20mm（可根据需求定制外形尺寸）

防护等级：IP67

五、结冰传感器系列选型要求;

六、精籁电子可延伸技术：

1、与上层PLC控制系统连接实现自控（主推三菱系列PLC、西门子PLC、施耐德PLC）。

2、蓝牙手机显示功能，在手机端显示液位高度（蓝牙距离10米）。

3、可支持GPRS远程传输，GSM远程通信。

4、可支持232、485通信，（MODBUS通信协议等）。

5、可支持DCS组态显示。

七、检测性能

衡量结冰传感器检测性能的参数主要有：分辨率、灵敏度、温度系数、准确度、精确度等。

分辨率是指结冰传感器能够感知的最小结冰厚度。

灵敏度是指结冰厚度变化与结冰传感器输出变化的比值。

温度系数是指没有结冰信号时，结冰传感器的输出变化与温度变化的比值。

准确度是指用结冰传感器对同一结冰厚度进行检测，得到一系列数据，这一系列数据的中心点与实际结冰厚度的接近程度。

精确度是指上述一系列数据点相对于其中心点的分散程度。

八、安装方式

安装在可能结冰影响安全的场所，探头部分需要将探头的探测薄膜与需要探测的物质接触，使所需探测的物质结冰的同时，探头也可以同步结冰。才能使产品探测有效。

九、维护与使用

产品探头不应被其他物体覆盖遮挡，不需要太多维护，只需要定期检查是否有物体遮挡住探头或者灰尘堆积过多影响精度。

十、订货须知：

1、型号规格

2、测量场所

3、工作压力

4、工作温度

5、材质要求

6、测量精度

7、输出信号要求