專利名稱：風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)能動力裝置，并且尤其涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器。
背景技術(shù)：
圖I 顯示了一種風(fēng)能動力裝置，例如風(fēng)力渦輪機(jī)I。風(fēng)力渦輪機(jī)I包括風(fēng)力渦輪機(jī)塔架2，風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙3被安裝在該塔架2上。包括至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片5的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子4被安裝在機(jī)轂6上。機(jī)轂6通過從機(jī)艙前方伸出的低速軸(未示出)而連接到機(jī)艙3。圖I中所示的風(fēng)力渦輪機(jī)可以是用于家用或者輕型用途的小型風(fēng)力渦輪機(jī)；或者可以是大型風(fēng)力渦輪機(jī)、例如適合于在風(fēng)電廠上的大規(guī)模發(fā)電裝置中使用的風(fēng)力渦輪機(jī)。在后一種情形下，轉(zhuǎn)子的直徑可以達(dá)到100米或者更大。為了安全及有效地從風(fēng)中獲取能量，許多風(fēng)力渦輪機(jī)都包括提供有關(guān)入射風(fēng)速及風(fēng)向信息的風(fēng)力計(jì)或者風(fēng)力傳感器。這種信息能夠用于監(jiān)測現(xiàn)場可用于能量產(chǎn)生用途的風(fēng)力大小。知曉風(fēng)向允許風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙的偏航進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得轉(zhuǎn)子葉片在能量產(chǎn)生期間完全地面向著入射風(fēng)。此外，知曉風(fēng)速允許轉(zhuǎn)子葉片的槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得從入射風(fēng)中獲取的能量大小能夠被仔細(xì)地控制，從而達(dá)到要求以及滿足其它運(yùn)行參數(shù)。通常需要使風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的平面角度轉(zhuǎn)到風(fēng)之外、或者調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的槳距從而使風(fēng)漏過，從而避免由于風(fēng)速過高而帶來的結(jié)構(gòu)問題或者電力過載。關(guān)于風(fēng)速和風(fēng)向的準(zhǔn)確信息在風(fēng)力渦輪機(jī)控制及監(jiān)測系統(tǒng)(例如SCADA系統(tǒng)沖是至關(guān)重要的輸入。風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)力傳感器進(jìn)行配置的操作環(huán)境是嚴(yán)酷的并且通常是許多傳感器操作難題的主要成因。機(jī)械式風(fēng)力計(jì)的移動部件上灰塵和冰的堆積使其容易損壞。盡管基于電子或者激光的風(fēng)力傳感器(例如基于LIDAR激光雷達(dá)的傳感器)裝置更加能夠抵抗灰塵和冰，但是它們更容易在頻繁困擾風(fēng)力渦輪機(jī)的雷擊中受到損壞，原因是它們在暴雨地點(diǎn)的高度和位置。避雷針的應(yīng)用提供了一種將雷擊能量轉(zhuǎn)移離開敏感設(shè)備的方法。然而，避雷針無法總是充分地保護(hù)傳感器設(shè)備，這是由于所包含的金屬部件(例如布線和電路)同樣會受到放電以及感應(yīng)電流的損壞。由此期望提供一種具有傳感器的風(fēng)能動力裝置，該傳感器能夠準(zhǔn)確地提供有關(guān)入射風(fēng)的信息，以用于控制和監(jiān)測目的，并且盡管遇到上面所述的挑戰(zhàn)仍然能夠可靠地運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在下面介紹的獨(dú)立權(quán)利要求中進(jìn)行限定。有利的特征在從屬權(quán)利要求中提出。在第一方面，提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置。該風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置包括第一光源，其中第一光源被設(shè)置成發(fā)射出多個(gè)光束作為第一傳感器光束，該第一傳感器光束包括兩個(gè)或更多個(gè)單個(gè)光束，以及其中每個(gè)單個(gè)光束與傳感器光束中的至少一個(gè)其它單個(gè)光束相比具有不同的頻率特性；連接到光學(xué)傳感器用于探測光閃現(xiàn)的第一光接收裝置，所述光閃現(xiàn)是由于風(fēng)中攜帶物質(zhì)經(jīng)過單個(gè)光束并且將光向著光接收裝置反射所導(dǎo)致的；聚焦裝置，用于將多個(gè)光束中的單個(gè)光束聚焦到第一光接收裝置附近的相應(yīng)焦點(diǎn)，使得單個(gè)光束的焦點(diǎn)彼此相鄰；以及連接到光學(xué)傳感器的控制器，用于處理由光學(xué)傳感器探測到的光閃現(xiàn)，從而確定出所述物質(zhì)以及攜帶物質(zhì)的風(fēng)的運(yùn)動的速度和/或方向。多個(gè)光束包括具有不同頻率特性的單個(gè)光束。這允許控制器從反射光的頻率特性確定出光束觸發(fā)的次序，以及由此確定出風(fēng)吹動的方向。優(yōu)選地，風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置包括至少第二光源，其設(shè)置成發(fā)出多個(gè)光束作為至少第二傳感器光束，該多個(gè)光束包括兩個(gè)或更多個(gè)單個(gè)光束，以及其中每個(gè)單個(gè)光束與至少第二傳感器光束中的至少一個(gè)其它單個(gè)光束相比具有不同的頻率特性；聚焦裝置，用于將至少第二多個(gè)光束中的單個(gè)光束聚焦到第一或者至少第二光接收裝置附近的相應(yīng)焦點(diǎn)，使得單個(gè)光束的焦點(diǎn)彼此鄰近；以及其中第一光源和至少第二光源被設(shè)置使得每個(gè)多個(gè)光束都提供傳感器光束，該傳感器光束在與其它傳感器光束至少部分正交的方向上定向。 通過設(shè)置至少部分彼此正交的多個(gè)傳感器光束，任意風(fēng)向上的風(fēng)吹動方向都能夠被計(jì)算出來。在一個(gè)實(shí)施例中，所述風(fēng)力傳感器包括3個(gè)光源，所述光源發(fā)射出相應(yīng)的傳感器光束，以限定相對彼此成相等角度間隔定向的3個(gè)相應(yīng)傳感器軸線。在替換性實(shí)施例中，所述風(fēng)力傳感器包括5個(gè)光源，所述光源發(fā)射出相應(yīng)的傳感器光束，以限定相對彼此成相等角度間隔定向的5個(gè)相應(yīng)傳感器軸線。5個(gè)傳感器軸線允許風(fēng)向的精確測量而不論其角度如何，沿著兩個(gè)傳感器軸線的測量被用于檢驗(yàn)測量結(jié)果。僅僅具有3個(gè)傳感器軸線的實(shí)施例獲得了類似的測量結(jié)果，但是不能夠進(jìn)行交叉檢驗(yàn)以及設(shè)備成本更低。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器光束被設(shè)置成交叉的，以及風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置包括在光束交叉點(diǎn)的單個(gè)光探測裝置。如果每個(gè)光源都包括連接到連接到光電光源的光纖、以及光電光源被容納在風(fēng)力渦輪機(jī)的電力屏蔽部件中，那么這是有利的。這允許傳感器系統(tǒng)中容易受到雷擊的那些部件得到保護(hù)，以及使得暴露于所述元件的部分整體地由非金屬、非導(dǎo)電材料制成。由此在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)傳感器是容納在風(fēng)力渦輪機(jī)的電力屏蔽部件中的光電探測器，以及光接收裝置以及它與光電探測器的聯(lián)接是非電力敏感的，以及在另一個(gè)實(shí)施例中，風(fēng)力傳感器包括容納在風(fēng)力渦輪機(jī)的電力屏蔽部件中的一個(gè)或多個(gè)電力敏感部件，以及其中機(jī)艙外部的風(fēng)力渦輪機(jī)元件是非電力敏感的。有利地，每個(gè)光源的光纖都連接到相同的光電光發(fā)射器。這提高了傳感器系統(tǒng)的成本效率以及設(shè)計(jì)簡潔性，原因是每個(gè)單一光源纖維都能夠攜帶具有不同頻率特性的多個(gè)單個(gè)光束。在一個(gè)實(shí)施例中，各個(gè)傳感器光束中單個(gè)光束的頻率特性與其它傳感器光束中單個(gè)光束的頻率特性相比是不同的。這允許控制器能夠單獨(dú)地通過反射光確定出哪個(gè)傳感器光束和單個(gè)光束被觸發(fā)以及由此確定出哪個(gè)傳感器軸線定向與該光束相對應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施例中，頻率特性是單個(gè)光束中光的光學(xué)波長。附加地，單個(gè)光束可被設(shè)置成閃爍以及頻率特性是閃爍頻率。
在一個(gè)實(shí)施例中，風(fēng)力傳感器控制器可被操作以致動一個(gè)光源從而每次產(chǎn)生一個(gè)多個(gè)光束。這允許風(fēng)力傳感器以簡單直接的方式探測出顆粒經(jīng)過哪個(gè)光束。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)多個(gè)光束都包括僅僅兩個(gè)具有不同相應(yīng)波長的單個(gè)光束。這個(gè)實(shí)施例受益于能夠直接簡單地實(shí)施，而且仍然給出了通過光束顏色來指示風(fēng)向的優(yōu)點(diǎn)。 在替換性實(shí)施例中，每個(gè)多個(gè)光束都包括3個(gè)或多個(gè)具有不同相應(yīng)波長的單個(gè)光束。這個(gè)實(shí)施例能夠用于提供更強(qiáng)的信號，這正是所需要的。單個(gè)光束可以是波長可光學(xué)區(qū)分的可見光，從而易于探測以及查錯(cuò)。同時(shí)提供了一種操作光學(xué)風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)力傳感器的對應(yīng)方法，以及一種用于操作上面提到的光學(xué)風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)力傳感器的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。


下面通過示例以及參考附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖I是風(fēng)力渦輪機(jī)的示意性外形視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明示例的風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)力傳感器的示意性正視圖；圖3是根據(jù)圖2中所示本發(fā)明示例的風(fēng)力渦輪機(jī)風(fēng)力傳感器的示意性側(cè)正視圖；圖4是圖2中所示的風(fēng)力傳感器外殼的更詳細(xì)圖示；圖5是與風(fēng)力傳感器共同使用的另一個(gè)裝置的示意性圖示；圖6是第一示例中如圖4中所示的光源裝置的第一示例的簡化示圖；圖7是顯示了探測原理的第一示圖；圖8是顯示了探測原理的第二示圖；圖9是第二示例中如圖4中所示的光源裝置的簡化示圖；圖10是共同操作以探測風(fēng)速和風(fēng)向的多個(gè)光源裝置的操作的簡化示圖；圖11顯示了本發(fā)明示例實(shí)施例中傳感器軸線的設(shè)置；圖12顯示了對于兩個(gè)傳感器光束進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)；圖13顯示了進(jìn)行計(jì)算的三角函數(shù)基礎(chǔ)。
具體實(shí)施例方式一般地，本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括具有光學(xué)風(fēng)力傳感器10的風(fēng)力渦輪機(jī)。光學(xué)風(fēng)力傳感器產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)多個(gè)光束，每個(gè)光束形成沿著傳感器軸線指向的傳感器光束。在使用超過一個(gè)傳感器光束時(shí)，光束被設(shè)置使得不同傳感器軸線位于至少部分地彼此正交，允許對于任意風(fēng)向探測風(fēng)向。每個(gè)多傳感器光束都包括至少兩個(gè)具有不同各自光波長的傳感器單個(gè)光束。當(dāng)風(fēng)中的物質(zhì)穿過光束以及將光線反射回光收集裝置時(shí)，單個(gè)光束的不同顏色允許傳感器系統(tǒng)探測出哪個(gè)光束被首先觸發(fā)。參考顯示本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的圖2和3。圖2顯示了從下面觀察的風(fēng)力傳感器10，而圖3顯示了從側(cè)面觀察的風(fēng)力傳感器10。風(fēng)力傳感器10包括外殼11,多個(gè)光源12和光探測裝置13被設(shè)置在該外殼11中。在附圖中，顯示了 3個(gè)光源11，但是實(shí)際當(dāng)中可以是任意數(shù)目。如隨后所述，更期望奇數(shù)個(gè)數(shù)目，原因是這樣能提供傳感器光束的最優(yōu)配置，盡管本發(fā)明并沒有局限于這種應(yīng)用。例如，3個(gè)光源允許至少兩個(gè)方向上的風(fēng)速和風(fēng)向被精確地計(jì)算出來。外殼可由如具有玻璃纖維和碳纖維的纖維加強(qiáng)件的塑料構(gòu)造而成；替換性地材料可以是可變形材料，例如諸如橡膠的聚合物、天然橡膠、聚丙烯、聚乙烯、尼龍、彈性體、Kevlar，或者類似物。
圖3顯示了將外殼11緊固到風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙3的優(yōu)選安裝結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，光環(huán)狀或環(huán)形屏蔽元件15通過桿或柱16而被連接到風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙3的頂部。傳感器外殼11通過連接部17而被懸掛在環(huán)形屏蔽元件15的內(nèi)部。環(huán)形屏蔽元件15能夠由金屬或其它導(dǎo)電材料制成，從而使得在雷擊的情況下，雷電被吸引到屏蔽元件15以及遠(yuǎn)離傳感器外殼11中的任意潛在敏感設(shè)備。雷電導(dǎo)體由此能夠被結(jié)合到環(huán)形屏蔽元件中，從而將雷擊的能量從屏蔽元件15安全地轉(zhuǎn)移到風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙3中的適當(dāng)回路中以及從回路導(dǎo)入地面。連接部17優(yōu)選地由與傳感器外殼11、或者風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙3所類似的材料制成，例如具有玻璃纖維和碳纖維的纖維加強(qiáng)件的塑料、可變形材料例如諸如橡膠的聚合物、天然橡膠、聚丙烯、聚乙烯、尼龍、彈性體、Kevlar，或者類似物。連接部17由碳纖維或者酌情由其它適當(dāng)材料進(jìn)行加強(qiáng)，從而使得傳感器外殼11被緊固地支承在適當(dāng)位置。柱16優(yōu)選地由與風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙3外部相同或類似的材料制成。如參考圖4進(jìn)一步詳細(xì)所述,優(yōu)選示例中傳感器外殼11沒有包括任何金屬或?qū)щ姴牧?，由此顯著地降低了雷擊風(fēng)險(xiǎn)。在替換性實(shí)施例中，外殼可簡單地通過支承件或者腿結(jié)構(gòu)(未示出)而連接到風(fēng)力渦輪機(jī)，而不是通過環(huán)形屏蔽元件15。然而，圖3中所示的配置是有利的，原因是它允許傳感器外殼11更容易地定位在機(jī)艙3上方的一個(gè)對于進(jìn)行風(fēng)速測量的優(yōu)選位置上、也就是說定位在一個(gè)轉(zhuǎn)子5或者風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙3對于風(fēng)力流動所產(chǎn)生的干擾作用最小、同時(shí)傳感器裝置10自身對風(fēng)力的任意空氣動力學(xué)擾動也降到最低的位置。如圖3中所示，來自于光源12的光被聚焦到光探測裝置13前方很短距離的焦點(diǎn)35。通過在焦點(diǎn)35正下方將暗板或暗表面連接到風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙3，光探測裝置13捕捉光信息的能力能夠在某些情況下得以提高。參考圖4，更詳細(xì)地描述傳感器外殼11的組成。光探測裝置13優(yōu)選地包括聚光透鏡16以及相關(guān)的光纖17。聚光透鏡16具有大孔隙用于捕捉光，以及在這里描述的示例中尺寸范圍為5到10cm。在其它實(shí)施方式中，透鏡尺寸可以適當(dāng)?shù)匕幢壤_定。光纖17通過固定件18而被固定到外殼11的內(nèi)部，該固定件18定位光纖使得光纖能夠接收透鏡16所收集的光。如果期望增加光纖17所捕捉的光的比例，可以在聚光透鏡16與光纖17末端之間設(shè)置附加光學(xué)透鏡19。光纖17是光纖束20的一部分，該光纖束20包括其它光纖21和22。光纖束20從外殼11經(jīng)由連接部17的內(nèi)部、環(huán)形屏蔽元件15、以及支承柱16而穿過進(jìn)入到機(jī)艙3的內(nèi)部中，從而連接到光電設(shè)備組件25，如圖5中所示。光電設(shè)備組件25包括一個(gè)或多個(gè)光電光源26、一個(gè)或多個(gè)光探測器(例如光傳感器27)、以及控制器28。光電光源可包括連接到光纖21和22的一個(gè)或多個(gè)LED、激光、鹵素光源或者金屬鹵素光源。此外，光纖17的末端連接到光探測器?？刂破?8包括存儲器和處理器，控制軟件存儲在存儲器上，用于控制光風(fēng)力傳感器以及對結(jié)果進(jìn)行分析。再次參考圖4，光源12包括連接到光電光源26的至少一個(gè)光纖，例如光纖21和22。光纖21和22通過各自的固定件30和31而被保持在適當(dāng)位置。光源12還包括設(shè)置在光纖端部前方用于接收輸出光的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)兀件32和33。光學(xué)兀件32和33可包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)棱鏡和透鏡，如結(jié)合下面示例進(jìn)一步詳細(xì)所述。下面參考圖6到13進(jìn)一步詳細(xì)描述風(fēng)力傳感器的操作。在圖6中所示的示例中，每個(gè)光源12輸出兩個(gè)不同波長的光。這通過兩個(gè)光纖21a和21b所表不,所述光纖基本上彼此對齊并且均發(fā)射出基本上相同方向的光束。光束由此基本平行。當(dāng)然，由單獨(dú)的光纖產(chǎn)生各個(gè)光束不是必須的，以及隨后描述僅僅使用每個(gè)光源12具有一個(gè)光纖的示例(如圖4中所示)。具有各自波長λ I和λ 2的兩個(gè)光束被導(dǎo)引到光學(xué)元件32上，在透鏡32a的情況下，這會將每個(gè)光束都聚焦到透鏡32a前方一定距離的焦點(diǎn)區(qū)域35。焦點(diǎn)區(qū)域35被設(shè)置位于光探測裝置13中的透鏡16的前方，如圖4中所示。該設(shè)置同樣在圖3中所示。光束的焦點(diǎn)區(qū)域35的直徑在這個(gè)示例中可以在5mm到20mm的范圍內(nèi)。 在焦點(diǎn)區(qū)域35內(nèi)，每個(gè)光束都具有單獨(dú)的焦點(diǎn)36和37。焦點(diǎn)36和37被設(shè)置成沿著傳感器軸線38，每個(gè)焦點(diǎn)之間具有預(yù)定間隔。例如，相鄰焦點(diǎn)的間隔可以在O. Imm到10mm范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)中攜帶的物質(zhì)顆粒穿過焦點(diǎn)區(qū)域35以及將光從各個(gè)光束向著透鏡16反射時(shí)，通過探測來自于各個(gè)傳感器光束的光閃現(xiàn)，風(fēng)力傳感器進(jìn)行操作。一般質(zhì)量的空氣通常包括足夠數(shù)量的物質(zhì)，使得顆粒的經(jīng)過能夠被探測到，假定選擇出適當(dāng)?shù)墓獠ㄩL，水蒸汽、灰塵或者花粉的顆粒能夠以此方式被容易地探測到。圖7更詳細(xì)地顯示了原理。圖7的左手側(cè)顯示了各個(gè)光焦點(diǎn)36和37的光閃現(xiàn)(由X表示)，這是當(dāng)空氣中的顆粒沿著傳感器軸線38行進(jìn)時(shí)發(fā)生，在這種情況下是向上的方向。假定兩個(gè)光焦點(diǎn)36和37之間的間隔是很少幾個(gè)毫米，那么焦點(diǎn)37的閃現(xiàn)將會發(fā)生在焦點(diǎn)36閃現(xiàn)的稍稍之前。假定風(fēng)速是每秒鐘幾十米，那么閃現(xiàn)之間的時(shí)間將會小于毫秒。如果顆粒速度以及攜帶顆粒的風(fēng)速要被知曉的話，那么這個(gè)經(jīng)過時(shí)間最終需要被測量出來。如果每個(gè)光束的光具有相同頻率特性例如波長，那么實(shí)際當(dāng)中從光閃現(xiàn)獲得的信息只有經(jīng)過時(shí)間。這能夠嘗試探測出哪個(gè)光束被首先觸發(fā)，以及隨后推導(dǎo)出顆粒移動的方向，但是需要高分辨率設(shè)備以及處理方法，導(dǎo)致最終更加昂貴。通過使用不同波長的光束，這些困難在發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例中減輕。不同波長允許處理設(shè)備確定出哪個(gè)光束被首先觸發(fā)，不是通過發(fā)生閃現(xiàn)空間位置的視覺分析，而是基于閃現(xiàn)的顏色以及閃現(xiàn)發(fā)生的次序。對于如圖7示例中而從頂部移動到底部的顆粒，傳感器將由此看到兩個(gè)顏色閃現(xiàn)λ I和λ 2并且可通過次序λ 2、λ I推導(dǎo)出行進(jìn)方向。該示例的略微改動在圖8中顯示，其中第三和第四光束同樣被用于探測。在這個(gè)示例中，附加的光束具有與第一和第二光束相同的波長，并且可由此通過結(jié)合到光學(xué)元件32中的一個(gè)或多個(gè)分光計(jì)而產(chǎn)生，所述光學(xué)元件連接到各個(gè)光纖21a和21b中的每一個(gè)。使用四個(gè)光束的優(yōu)點(diǎn)在于顆粒的經(jīng)過是通過在時(shí)間上以相等空間間隔發(fā)生的四種不同顏色的閃現(xiàn)而被指示。這使得粒子經(jīng)過的信號強(qiáng)于只有兩個(gè)閃現(xiàn)的情況，并且由此容易與背景噪音區(qū)分。例如，如果四個(gè)光束中的一個(gè)反射光閃現(xiàn)沒有如其它閃現(xiàn)那樣強(qiáng)，那么之前或者之后的閃現(xiàn)(假定這些閃現(xiàn)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻發(fā)生)能夠允許顆粒經(jīng)過被確定地探測到，而不管丟失的或者弱化的個(gè)別閃現(xiàn)。如果恰好有兩個(gè)閃現(xiàn)，那么對于起碼一個(gè)閃現(xiàn)的強(qiáng)信號的缺失將會導(dǎo)致探測的更大不確定性。此外，四個(gè)光束的使用增加了顆粒運(yùn)行的距離，增加了經(jīng)過時(shí)間，以及由此提高了顆粒速度的測量精確性。假如光束設(shè)置并非對稱并且能夠用于確定出方向，那么光束設(shè)置的次序并非重要的。盡管如此，將光束通過波長共同地分組是優(yōu)選的，例如λ I、λ I、λ 2、λ 2，如圖中所示，這使得所得到的信號的方向部分更加強(qiáng)大。當(dāng)然，可以根據(jù)期望而在傳感器中使用任意數(shù)目的光束。圖9顯示了光源裝置的第二個(gè)實(shí)施例，這在傳感器中使用多個(gè)具有不同波長的光束時(shí)是有利的。光源包括連接到光電光源26的單個(gè)光纖21，如前所述。多個(gè)不同的光束(每個(gè)都具有不同波長)被輸入到光纖中以及沿著光纖長度作為復(fù)合光束傳播。在從光纖21出來之后，復(fù)合光束被光學(xué)兀件32中所包含的光學(xué)棱鏡32b導(dǎo)向，該棱鏡將光束分成單獨(dú)的光束，每個(gè)光束具有各自的組成波長。光學(xué)棱鏡32b將單個(gè)光 束導(dǎo)向到光學(xué)透鏡32a上，如前所述。使用這種配置，任意數(shù)目的不同波長光束都可以容易地在傳感器中使用。在前面討論中，假定顆粒沿著傳感器軸線38以直線傳播，那么傳感器測量出來經(jīng)過時(shí)間并且用于確定出風(fēng)速。如圖7和8的右側(cè)所述，如果顆粒以及實(shí)際風(fēng)力沿著稍稍偏離傳感器軸線的路徑傳播，那么對于單個(gè)傳感器而言它們將會傳播得更加緩慢。路徑方向相比傳感器軸線大約45°的偏移角度，導(dǎo)致速度與真實(shí)數(shù)值相比明顯降低大約40%。在某些方面，通過使光束聚焦到傳感器軸線38上，這個(gè)錯(cuò)誤來源會被減輕。也就是說，顆粒沿著傳感器軸線行進(jìn)將會在焦點(diǎn)36和37處切入光束。這些點(diǎn)的光束被嚴(yán)格地限定，以及當(dāng)顆粒通過時(shí)從顆粒的反射將由此同樣被嚴(yán)格地限定和區(qū)分。當(dāng)顆粒移動遠(yuǎn)離傳感器軸線38時(shí)，那么它們移動到光束不再聚焦的區(qū)域內(nèi)。由此，閃現(xiàn)將會更大，但是不再明顯。由探測器27探測到的閃現(xiàn)尺寸和性質(zhì)的改變能夠被用于探測出顆粒何時(shí)不再以足夠鄰近傳感器軸線38的方式行進(jìn)，結(jié)果可靠地顯示出風(fēng)速和方向。當(dāng)然，隨著顆粒進(jìn)一步移動遠(yuǎn)離傳感器軸線38，它們將逐漸地淡出視野。由此，顆粒的模糊表現(xiàn)能夠被簡單地忽略，直到能夠在接下來的處理步驟中使用的清晰閃現(xiàn)被探測到。在部分實(shí)施例中，通過使傳感器在使用前相對于風(fēng)進(jìn)行正確地定向、對從顆粒經(jīng)過時(shí)間所獲得的結(jié)果進(jìn)行平均、以及去掉最大或者最邊緣的數(shù)值，上述困難能夠被減輕。然而在實(shí)際當(dāng)中，如果使用多個(gè)光源12則是優(yōu)選的，其中每個(gè)傳感器面向不同方向，例如在圖2中顯示，從而使得一個(gè)傳感器上的影響被刪除或者被其它傳感器彌補(bǔ)。多個(gè)傳感器的使用將進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖10顯示了圖2中光源及光探測裝置的另一個(gè)配置，由箭頭40顯示出風(fēng)向。在這個(gè)傳感器系統(tǒng)中，配置了 5個(gè)傳感器光束42a、42b、42c、42d和42e，限定出交叉的傳感器軸線A、B、C、D和E。5個(gè)交叉的光束被用于完全地確定出兩個(gè)方向平面內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)力，以及確保光探測器總是接收到至少兩個(gè)強(qiáng)信號。每個(gè)傳感器光束都給出了穿過光束的空氣中顆粒的經(jīng)過時(shí)間作為輸出，以及基于該時(shí)間輸出，控制器28計(jì)算出光束方向以及提供輸出。下面參考圖11進(jìn)一步詳細(xì)描述傳感器的操作。為了說明目的，圖11省略了傳感器系統(tǒng)并且僅僅顯示了 5個(gè)傳感器軸線，A、B、C、D和E。根據(jù)所述，在任意給定時(shí)間，實(shí)際上僅僅需要5個(gè)光束中的3個(gè)傳感器光束，盡管剩余兩個(gè)光束提供了交叉檢驗(yàn)功能。
傳感器光束被設(shè)置成限定出5個(gè)傳感器軸線A到E，所述軸線彼此分開相等的角度位移。在這個(gè)情況下，由于設(shè)有5個(gè)光束，角度位移是72度，以及相對軸線(例如B和E)之間角度的差值為144度或者表示為銳角的話是36度。這里假定所有的傳感器光束都具有相同的寬度。對于幾乎全部風(fēng)向，顆粒穿過傳感器光束的經(jīng)過時(shí)間對于每個(gè)傳感器光束都是不同的。然而，當(dāng)風(fēng)向基本上平行于傳感器軸線時(shí)，由設(shè)置在兩個(gè)相鄰傳感器軸線上的傳感器光束所表示的經(jīng)過時(shí)間將會基本上相同。如圖中所示，如果風(fēng)向幾乎平行于傳感器軸線A，那么風(fēng)中顆粒穿過沿著軸線B和E設(shè)置的傳感器光束的角度將會相等的，即相對于垂線為(90-72) 18度。由此，由光束B和E所表示的經(jīng)過時(shí)間將會基本上相同。在這個(gè)情況下，基本上平行于顆粒行進(jìn)方向的傳感器軸線A將不會給出任何有用信號，這是由于入射風(fēng)中任何顆粒都在光束的焦點(diǎn)區(qū)域35內(nèi)經(jīng)過太短時(shí)間而不能作為單一顆粒被探測。相反地，當(dāng)不同顆粒穿過焦點(diǎn)區(qū)域以及被照亮?xí)r，將會探測到光的漫閃現(xiàn)。還可以理解的是，在這個(gè)情況下，穿過沿著傳感器軸線C和D設(shè)置的光束的風(fēng)中顆粒的經(jīng)過時(shí)間將同樣基本上相同，原因是顆粒與光束方向形成的角度將會同樣相同。然而，在傳感器光束沿著軸線C和D設(shè)置的情況下，經(jīng)過角度會更鄰近平行于傳感器軸線的方向，這意味著顆粒很可能從光束的焦點(diǎn)區(qū)域更快速地經(jīng)過而進(jìn)入到非焦點(diǎn)區(qū)域。這會導(dǎo)致對于經(jīng)過角度更鄰近垂直且經(jīng)過時(shí)間更短的光束傳感器而言，信號更加不可靠。在這種特殊情況下，直接地確定出入射風(fēng)的方向?yàn)檠刂鴤鞲衅鬏S線A的方向。沿著傳感器軸線A的風(fēng)向是通過顆粒穿過傳感器軸線B和E時(shí)探測到的顆粒方向所給出的?？梢岳斫獾氖牵哂凶畹徒?jīng)過時(shí)間的兩個(gè)傳感器軸線的經(jīng)過角度合計(jì)為36度，這是由于光束的設(shè)置以及觀察到當(dāng)風(fēng)向主要沿著中間傳感器軸線設(shè)置時(shí)對于相隔傳感器光束的經(jīng)過時(shí)間是相同的。在上面所述的示例中，這種觀察對應(yīng)于中心位于傳感器軸線A的36度錐體。盡管風(fēng)向相對于傳感器軸線A處于O度角(平行)與18度角之間，但是風(fēng)向可以通過從沿著傳感器軸線B和E設(shè)置的光束所獲得的經(jīng)過時(shí)間來表示。如果風(fēng)向與顯示偏離傳感器軸線A18度的直線相交，那么它會處于相對的傳感器軸線C的18度角之內(nèi)，以及將會通過沿著相對傳感器軸線B和D的光束經(jīng)過時(shí)間所給出。相同的操作模式同樣適用于入射風(fēng)方向沒有基本上平行于傳感器軸線而是偏離軸線的情況。在這種情況下，考慮給出兩個(gè)最低時(shí)間信號的兩個(gè)傳感器軸線。對于上面所述的情況，這會是傳感器軸線B和E，原因是這些傳感器軸線最垂直于風(fēng)向，經(jīng)過時(shí)間將會是最短。對于傳感器軸線B和E，經(jīng)過時(shí)間將不會是相同的，但是將會反映出入射風(fēng)向與入射風(fēng)中顆粒對于各個(gè)傳感器軸線的角度之間的關(guān)系。當(dāng)經(jīng)過時(shí)間是相同時(shí)，每個(gè)傳感器的各自經(jīng)過角度都是18度，以及角度總和是36度。在時(shí)間不相同的情況下，經(jīng)過的角度總和仍然是36度，原因是風(fēng)離開一個(gè)傳感器軸線(例如傳感器軸線B)但是風(fēng)向著另一個(gè)軸線(例如傳感器軸線E)移動。在這個(gè)更普遍的情況下，入射風(fēng)的確切入射角度能夠通過三角函數(shù)而被計(jì)算出來。顆粒穿過光束的路徑是直角三角形的斜邊，而光束寬度作為鄰邊。經(jīng)過角度可以通過鄰邊與斜邊之間的角度給出。

如圖7和8中可以理解到，穿過傳感器光束的入射風(fēng)中顆粒的最短經(jīng)過時(shí)間將會在相對于光束寬度的經(jīng)過角度為零度時(shí)發(fā)生，也就是當(dāng)風(fēng)垂直于光束時(shí)。在這個(gè)情況下，風(fēng)速是通過表達(dá)式“經(jīng)過時(shí)間除以光束寬度”給出的。由于光束寬度是已知的，因此這就是非常直接簡單的。然而在實(shí)際當(dāng)中，通過傳感器光束獲得的數(shù)據(jù)僅僅是時(shí)間信息，這是模糊不清的，原因是單個(gè)時(shí)間數(shù)值可能指的是較短經(jīng)過時(shí)間或者指的是較大經(jīng)過角度。由此必須聯(lián)立地解答針對兩個(gè)傳感器軸線的等式。在這個(gè)情況下，對于每個(gè)軸線而言有兩個(gè)數(shù)值是相同的光束寬度以及風(fēng)速。圖13顯示了如何構(gòu)造聯(lián)立等式，假定經(jīng)過顆粒的路徑以及光束寬度被看作是兩個(gè)具有共同側(cè)邊的直角三角形。簡單地將斜邊稱之為B和E，以及它們的相對角度為b和e，那么正弦定理給出
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，所述光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置包括 第一光源，其中，所述第一光源被設(shè)置成發(fā)出多個(gè)光束作為第一傳感器光束，所述第一傳感器光束包括兩個(gè)或更多個(gè)單個(gè)光束，其中，每個(gè)單個(gè)光束與傳感器光束中的至少一個(gè)其它單個(gè)光束相比具有不同的頻率特性； 連接到光學(xué)傳感器用于探測光閃現(xiàn)的第一光接收裝置，所述光閃現(xiàn)是由于風(fēng)中攜帶物質(zhì)經(jīng)過單個(gè)光束并且將光向著光接收裝置反射所導(dǎo)致的； 聚焦裝置，用于將所述多個(gè)光束中的單個(gè)光束聚焦到所述第一光接收裝置附近的相應(yīng)焦點(diǎn)，從而使得單個(gè)光束的焦點(diǎn)彼此相鄰；以及 連接到所述光學(xué)傳感器的控制器，用于處理由光學(xué)傳感器探測到的光閃現(xiàn)，從而確定所述物質(zhì)以及攜帶所述物質(zhì)的風(fēng)的運(yùn)動的速度和/或方向。
2.如權(quán)利要求I所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，所述風(fēng)力傳感器包括 至少第二光源，其設(shè)置成發(fā)出多個(gè)光束作為至少第二傳感器光束，所述多個(gè)光束包括兩個(gè)或更多個(gè)單個(gè)光束，以及其中每個(gè)單個(gè)光束與所述至少第二傳感器光束中的至少一個(gè)其它單個(gè)光束相比具有不同的頻率特性； 聚焦裝置，用于將所述至少第二多個(gè)光束中的單個(gè)光束聚焦到所述第一或者至少第二光接收裝置附近的相應(yīng)焦點(diǎn)，從而使得單個(gè)光束的焦點(diǎn)彼此鄰近；以及 其中，所述第一光源和所述至少第二光源被設(shè)置使得每個(gè)多個(gè)光束提供傳感器光束，所述傳感器光束在與其它傳感器光束至少部分地正交的方向上定向。
3.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，所述風(fēng)力傳感器包括3個(gè)光源，所述光源發(fā)射出相應(yīng)的傳感器光束，以限定相對彼此成相等角度間隔定向的3個(gè)相應(yīng)傳感器軸線。
4.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，所述風(fēng)力傳感器包括5個(gè)光源，所述光源發(fā)射出相應(yīng)的傳感器光束，以限定相對彼此成相等角度間隔定向的5個(gè)相應(yīng)傳感器軸線。
5.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，所述傳感器光束被設(shè)置成交叉的，并且包括位于光束的交叉點(diǎn)的單個(gè)光探測裝置。
6.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，每個(gè)光源包括連接到光電光源的光纖，其中，所述光電光源被容納在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的電力屏蔽部件內(nèi)。
7.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，所述光學(xué)傳感器是容納在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的電力屏蔽部件內(nèi)的光電探測器，并且所述光接收裝置以及所述光接收裝置與光接收光電傳探測器的聯(lián)接是非電力敏感的。
8.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，所述風(fēng)力傳感器包括容納在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的電力屏蔽部件內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)電力敏感部件，以及機(jī)艙外部的所述風(fēng)力渦輪機(jī)的元件是非電力敏感的。
9.如權(quán)利要求6所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，每個(gè)光源的光纖連接到同一光電光發(fā)射器。
10.如權(quán)利要求2-5任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，每個(gè)傳感器光束中單個(gè)光束的頻率特性與其它傳感器光束中單個(gè)光束的頻率特性相比是不同的。
11.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，所述頻率特性是單個(gè)光束中光的光學(xué)波長。
12.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，單個(gè)光束被設(shè)置成閃爍、并且所述頻率特性是閃爍頻率。
13.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，所述控制器可被操作以致動所述光源中的一個(gè)光源，從而每次產(chǎn)生一個(gè)傳感器光束。
14.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，每個(gè)多個(gè)光束僅包括兩個(gè)具有不同相應(yīng)波長的單個(gè)光束。
15.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，每個(gè)多個(gè)光束包括3個(gè)或更多個(gè)具有不同相應(yīng)波長的單個(gè)光束。
16.如前述權(quán)利要求任一所述的風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置，其特征在于，單個(gè)光束是波長可光學(xué)區(qū)分的可見光。
17.一種操作風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器裝置的方法，包括 發(fā)射多個(gè)光束作為第一傳感器光束，所述多個(gè)光束包括兩個(gè)或更多個(gè)單個(gè)光束，其中，每個(gè)單個(gè)光束與傳感器光束中至少一個(gè)其它單個(gè)光束相比具有不同的頻率特性； 將第一傳感器光束中的單個(gè)光束聚焦到位于連接到光學(xué)傳感器的第一光接收裝置附近的相應(yīng)焦點(diǎn)，從而使得單個(gè)光束的焦點(diǎn)彼此鄰近； 在光接收裝置處接收光閃現(xiàn)，所述閃現(xiàn)是由風(fēng)中攜帶的物質(zhì)穿過單個(gè)光束并且將光向著光接收裝置反射所導(dǎo)致的； 通過連接到所述光學(xué)傳感器的控制器處理光閃現(xiàn)，以確定物質(zhì)以及攜帶所述物質(zhì)的風(fēng)的運(yùn)動的速度和/或方向。
18.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，計(jì)算機(jī)程序存儲在所述介質(zhì)上，其中當(dāng)計(jì)算機(jī)程序在風(fēng)力渦輪機(jī)光學(xué)風(fēng)力傳感器的處理器上執(zhí)行時(shí)，所述處理器執(zhí)行權(quán)利要求17的步驟。
全文摘要
本發(fā)明包括具有光學(xué)風(fēng)力傳感器10的風(fēng)力渦輪機(jī)。光學(xué)風(fēng)力傳感器產(chǎn)生一個(gè)或更多個(gè)多個(gè)光束42，每個(gè)多個(gè)光束都形成沿著傳感器軸線指向的傳感器光束。在使用超過一個(gè)傳感器光束時(shí)，光束被設(shè)置使得不同傳感器軸線至少部分地彼此正交設(shè)置，允許對于任意風(fēng)向都能探測到風(fēng)向40。每個(gè)多個(gè)傳感器光束包括至少兩個(gè)單個(gè)傳感器光束，所述單個(gè)光束具有不同的相應(yīng)光波長。當(dāng)風(fēng)中的物質(zhì)穿過光束并且將光反射回光收集裝置時(shí)，單個(gè)光束的不同顏色允許傳感器系統(tǒng)探測到哪個(gè)光束被首先觸發(fā)。
文檔編號F03D11/00GK102782505SQ201180012039
公開日2012年11月14日 申請日期2011年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者I·S·奧勒森 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團(tuán)公司