УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICES FOR CRITICAL SURFACE STATE DETECTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Распознавание образования льда на поверхностях, таких как, например, роторные лопасти ветроэнергетических установок, может существенно способствовать сохранению безопасных условий работы. В области ветроэнергетических установок покрытие льдом приводит к меньшему выходу энергии и более высокой нагрузке установки и одновременно существует опасность сбрасывания льда (опасность как для людей, так и для предметов). Уже тонкие слои приводят за счет более высокой шероховатости, обусловленной турбулентностью потока, к соответствующим потерям выхода энергии. Более толстые слои могут приводить за счет усиленных вибраций к повреждениям машины и к повреждениям при сбросе льда. Операторы ветроэнергетических установок установки заинтересованы в возможно лучшем распознавании степени обледенения роторных лопастей в подверженных опасности местах для своевременного выключения ветроэнергетической установки перед возникновением повреждений, или же для целенаправленного включения возможно имеющегося электрического нагревания роторных лопастей.
Однако образование льда возможно также в других областях, таких как, например, дороги, несущие поверхности самолетов и антенны, при этом своевременное распознавание образования льда и устранение с помощью подходящих мер обеспечивает бесперебойный режим работы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Современные коммерческие системы для обнаружения обледенения являются обычно сложными измерительными приборами и на основании их больших конструктивных размеров монтируются неподвижно вблизи ветроэнергетических установок и нуждаются за счет их конструкции обычно в подключении к источнику тока (например, оптические или ультразвуковые системы). Для специалистов в данной области техники известно, что характеристики обледенения, например, в ветроэнергетических установках в месте расположения гондолы и на роторных лопастях могут существенно различаться (например, вследствие более высокой скорости ветра, возникающей за счет вращения). Поэтому продолжаются разработки других систем, которые исследуют характеристики обледенения роторных лопастей, например, посредством контролирования состояния роторной лопасти с помощью анализа собственных колебаний. Эта система имеет тот недостаток, что не только покрытие льдом приводит к изменению собственных частот. Кроме того, порог обнаружения лежит относительно высоко (примерно 4% изменения веса), и невозможна локализация слоя льда. Кроме того, известна система, в которой применяется оптический принцип обнаружения льда посредством прокладывания оптических волокон изнутри к поверхности роторной лопасти (DE 102005017716 А1). Это требует установки сложного измерительного прибора в роторной лопасти и тем самым высоких монтажных расходов, а также приводит к повреждениям поверхности, и позволяет выполнять измерения лишь в некоторых немногих точках каждой роторной лопасти.
Описание способов обнаружения влаги или влажности воздуха с помощью поглощения на пористом теле и оценки комплексного полного сопротивления приведено, например, в FR 2750494 и в US 5177662. Однако эти способы на основании принципа действия не пригодны для обнаружения льда, соответственно, толщины слоя, поскольку за счет основанного на поглощении способа влажность может проникать внутрь датчика.
В противоположность этому, известны способы обнаружения льда, которые основаны на измерении электрической емкости или полного сопротивления (например, US 5398547). Эти способы пригодны особенно для планарного конструктивного исполнения с небольшой конструктивной высотой.
В DE 10205017716 применяется беспроводная передача сигналов на участке передачи к приемнику в качестве принципа измерения для обнаружения отложений в качестве препятствий на оптическом пути передачи в качестве способа обнаружения льда на поверхности роторной лопасти.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание устройства для обнаружения критических состояний поверхности, при этом особенно подверженные опасности поверхности обычно не являются плоскими (например, в самолетах, роторных лопастях, изоляторах высокого напряжения или антеннах). Форма поверхности, соответственно, ее свойства не должны, соответственно, не должны существенно изменяться посредством датчика, с целью, например, исключения изменения или лишь минимального изменения характеристик в отношении обледенения. На аэродинамику не должно оказываться влияния или лишь небольшие влияния за счет устройства. В качестве льда в смысле изобретения следует понимать все виды замерзшей воды, также в смеси с жидкой водой. Возможно также, что интерес представляет классификация вида льда или распознавание состояний, в которых с высокой степенью надежности устанавливается отсутствие льда на поверхности. В смысле изобретения вода содержит также смеси из воды и загрязнений поверхности.
В качестве критических состояний поверхности в смысле изобретения следует понимать, в частности, следующие сценарии: вода и/или лед и/или их смеси на поверхностях (например, роторных лопастей) ветроэнергетических установок, лед и/или вода и/или загрязнения на высоковольтных изоляторах. При этом целью изобретения является обнаружение находящихся в стадии образования критических состояний, так что могут быть выполнены контрмеры в промежутке времени, в котором еще возможно справляться с этими критическими состояниями.
Эта задача решена, согласно данному изобретению, среди прочего тем, что устройство, которое содержит приспособление для обнаружения льда и/или воды, для снабжения энергией и для передачи данных, выполнено по меньшей мере частично механически гибким, так что возможно согласование с неплоскими поверхностями. Устройство может быть герметично уплотненным, то есть вода, соответственно, влажность воздуха не могут проникать внутрь датчика; в частности, пограничная с окружением поверхность не является пористой. За счет интегрирования в один блок и геометрической формы (среди прочего, за счет небольшой конструктивной высоты по сравнению с длиной и шириной) обеспечивается возможность первоначальной, а также последующей установки устройства на подлежащей измерению поверхности простым образом и без больших изменений поверхности. Измеренные и обработанные данные можно передавать беспроводным или проводным образом в другое устройство или в базовую станцию, при этом она не обязательно должна находиться в роторной лопасти, а также образовывать с передатчиком и приемником механический блок.
Другие детали вариантов выполнения и преимущества данного изобретения приведены ниже.
Установка на неплоских поверхностях обуславливает гибкое выполнение, прежде всего, имеющих большую поверхность конструктивных элементов, в частности, по меньшей мере частично гибкой опорной пластины, которая может быть выполнена, например, из двух гибких печатных плат, которые могут одновременно представлять наружную оболочку, с лежащим между ними наполнительным материалом (например, полимерной заливкой), за счет чего обеспечивается механическое соединение всех компонентов.
Кроме того, требуется небольшая толщина отдельных компонентов и небольшие размеры жестких компонентов. Общая толщина лежит в низком диапазоне, составляющим несколько миллиметров; толщина меньше 5 мм является предпочтительной и обеспечивает соотношение между максимальной боковой длиной и толщиной устройства больше 10.
Датчик для обнаружения льда и/или измерения толщины льда и/или классификации льда может быть выполнен, например, в виде емкостного датчика. Емкостный датчик для обнаружения льда и/или для измерения толщины льда состоит из нескольких электродов из проводящих структур, которые могут быть нанесены, например, на гибкий, не пористый, в идеальном случае герметично уплотняющий материал основания (то есть материал основания с небольшим поглощением воды и небольшой водопроницаемостью), и блока оценки, с помощью которого измеряются емкости между расположенными по существу плоско электродами и выдается сигнал для обнаружения и/или измерения толщины. Материал пограничной поверхности между датчиком и окружением должен также обеспечивать максимальную герметизацию, то есть материал почти не должен иметь проницаемости или способности поглощения воды, соответственно, водяного пара.
Другие содержащиеся в устройстве датчики могут измерять, например, освещенность, колебания, температуру и/или электрические токи. При этом, прежде всего, представляют интерес токи поверхностной утечки (постоянные и переменные токи) вдоль изолирующих поверхностей, таких как, например, высоковольтные изоляторы, на которых может быть установлено устройство.
Монтаж устройства можно осуществлять посредством наклеивания на подлежащую контролированию поверхность (с нанесением или без нанесения других защитных слоев поверх устройства) или посредством заделывания, например, в наружные слои роторной лопасти во время процесса изготовления. За счет этого не требуются механические воздействия (отверстия, прорези, выемки) на подлежащую контролированию поверхность.
При наклеивании можно применять, например, самоклеящиеся пленки (над или под устройством), распыляемый клей, жидкие клеи. В одном предпочтительном варианте выполнения клей наносят на устройство уже в процессе изготовления и покрывают защитной пленкой до монтажа, так что при монтаже необходимо лишь снять защитную пленку и установить устройство непосредственно на подлежащую контролированию поверхность. Обычное покрытие поверхности (если оно является электрически не проводящим или лишь незначительно проводящим) можно также наносить поверх устройства, так что гарантированно сохраняются первоначальные свойства поверхности.
Необходимая для работы электрическая энергия может быть получена из окружения, например, с помощью гибких солнечных элементов на основе GaAs или аморфного кремния. Кроме того, можно использовать получение энергии из тепла (с помощью термоэлектрического генератора) или из вибраций поверхности. Эти технологии могут быть реализованы все с небольшой конструктивной высотой и/или со значительной гибкостью.
Необходимая для работы электрическая энергия промежуточно хранится в накопителе энергии. Эти обычно снова заряжаемые накопители энергии могут быть также реализованы в гибком виде. Это могут быть, например, аккумуляторы или конденсаторы (также суперконденсаторы и так далее). Можно также применять (гибкий) первичный элемент (батарею).
Передачу измеряемых данных можно осуществлять предпочтительно беспроводным образом (то есть, например, по оптическим линиям передачи или по радио), с целью избавления, наряду с соединением для снабжения током, также от соединений для передачи данных; тем самым нет необходимости в прокладке кабелей. В этом случае устройство может быть полностью герметично уплотненным, то есть никакое вещество (например, вода или влажность воздуха) не может проникать внутрь устройства. Это повышает надежность системы.
Несколько таких устройств могут, не обязательно, иметь связь друг с другом, с целью, с одной стороны, ограничения длины линии передачи данных по радио (и тем самым потребности в энергии) и, с другой стороны, повышения надежности и статистического качества измерительных данных.
Возможным применением таких устройств является обнаружение льда и/или измерение толщины льда на поверхности роторных лопастей ветроэнергетической установки. В данном случае устройство можно дополнительно использовать для управления приспособлениями для нагревания поверхностей роторных лопастей (например, нагнетателями теплого воздуха, нагревателями поверхности). При этом небольшой вес, небольшая высота и длительный срок службы имеют особое значение. При этом устройство может быть интегрировано, например, в нагреватель поверхности и размещено совместно, за счет чего устройство может образовывать вместе с приспособлением для оттаивания механический блок. В этом случае существует возможность использования теплового потока из нагревателя в окружение для термоэлектрического генерирования энергии. Кроме того, существует возможность применения проводящих частей нагревателя в качестве электродов для обнаружения льда или для измерения толщины льда (емкостный датчик льда), за счет чего устройство может также электрически образовывать блок с приспособлением для оттаивания. При определенных обстоятельствах устройство может быть также нанесено на внутреннюю поверхность роторной лопасти.
Изобретение относится к устройству для обнаружения и измерения толщины льда и воды на поверхностях и характеризуется тем, что блоки для получения энергии из окружения, накопления энергии, обработки данных и беспроводной передачи данных уже содержаться в устройстве, при этом все устройство выполнено тонким и гибким. Таким образом, устройство можно устанавливать без больших механических вмешательств в подлежащий снабжению устройством объект, также в последующем. Отдельные устройства могут быть связаны, не обязательно, не только с базовой станцией, но также друг с другом, или же работать независимо друг от друга.
Данное изобретение реализуется в следующем виде: устройство для обнаружения критических состояний поверхности (например, определения количества льда и воды на поверхностях), при этом все блоки для снабжения энергией и обработки данных, а также передачи данных содержаться в устройстве, а также все устройство выполнено тонким (конструктивная высота меньше 5 мм, соответственно, соотношение между максимальной боковой длиной и толщиной составляет >10) и по меньшей мере частично гибким (с возможностью сгибания). За счет небольшой конструктивной высоты минимизируются изменения аэродинамики и тем самым предотвращаются также изменения в характеристиках образования льда за счет устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основе примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых в качестве примера изображено:
фиг. 1 - блок-схема устройства;
фиг. 2 - вариант выполнения устройства, на виде сбоку;
фиг. 3 - вариант выполнения устройства, на виде сверху; и
фиг. 4 - роторная лопасть с возможными местами монтажа устройства;
фиг. 5 - монтаж устройства на электрическом изоляторе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ УКАЗАННЫХ НА ЧЕРТЕЖАХ ПОЗИЦИЙ
Как показано на фиг. 1, устройство 100 может содержать, наряду с датчиком 4 для обнаружения льда и/или измерения толщины льда и/или классификации льда, систему 1 для получения энергии из окружения (например, из излучения солнца, тепла, вибраций или токов поверхностной утечки, электрического/магнитного /электромагнитного поля). Эти источники энергии обычно имеются в распоряжении не постоянно, поэтому энергию можно промежуточно накапливать в накопителе 3 энергии. Оба узла выполнены, необязательно, тонкими и гибкими. Регулирование осуществляется с помощью системы 2 управления энергией.
Управляющий блок 5 (например, микропроцессор) снабжается электрической энергией из накопителя 3 энергии или системы 1 для получения энергии из окружения и регистрирует измерительные данные датчика 4 для обнаружения льда и/или измерения толщины льда и/или классификации льда. Эти данные могут обрабатываться вместе с другими измерительными данными из других датчиков 6 (например, температуры, тока) и направляться далее через приспособление 7 для передачи данных, например, беспроводным образом по радиолинии 8 в другое устройство 100ʹ или в базовую станцию 9. В зависимости от места расположения и окружающих условий могут быть предусмотрены различные приспособления для получения и накопления энергии (также несколько систем в одном устройстве 100).
На фиг. 2 и 3 показана схематично в качестве примера конструкция устройства: жесткий или гибкий солнечный элемент 10 лежит на или под подлежащей контролированию поверхностью и отделен от окружения с помощью по меньшей мере частично проницаемого для света защитного слоя. Гибкая батарея 11 находится внутри устройства 100, которое окружено наружной оболочкой 12 (например, гибкой печатной платой). Все внутреннее пространство заполнено (возможно, усиленным) наполнительным материалом 14 (например, полимером). Наружная оболочка 12, которая может быть выполнена, например, в виде гибкой печатной платы, образует вместе с наполнительным материалом 14 механический блок, выполняющий функцию гибкой опорной пластины 21. Также внутри устройства 100 размещены другие приспособления, например, электронные компоненты и интегрированные модули 13 для обработки данных, измерения и передачи данных. Электроды 15 для обнаружения льда или измерения толщины льда находятся под подлежащей контролированию поверхностью устройства 100. Радиоантенна 16 также интегрирована в устройство 100 и может также лежать под подлежащей контролированию поверхностью О.
За счет указанных признаков устройство 100 может быть при необходимости герметично уплотнено (полностью электрически изолировано), за счет чего может быть реализован особенно длительный не ограниченный срок службы. Кроме того, все устройство 100 выполнено тонким (конструктивная высота меньше 5 мм, соответственно, соотношение между максимальной боковой длиной и толщиной больше 10) и гибким (с возможностью сгибания). Гибкое выполнение имеющих большую поверхность, тонких конструктивных элементов при одновременном применении гибкого материала основания, расположение компонентов относительно друг друга и небольшие размеры жестких компонентов существенно способствуют гибкости устройства 100.
На фиг. 4 показаны три из четырех возможных положений монтажа устройства 100 на роторной лопасти 20 ветроэнергетической установки: устройство 100 и устройство 100ʹ расположены на передней кромке роторной лопасти 20 более подходящим образом, чем устройство 100ʺ, поскольку опыт подсказывает, что образования льда начинаются на передней кромке, и в зависимости от изготовителя также лишь эта зона снабжена приспособлением 22 для оттаивания. Обычно как раз в этих местах кривизна поверхности О роторной лопасти 10 особенно ярко выражена, за счет чего для измерения необходимо по меньшей мере частично гибкое устройство 100. Одновременно, как раз на передней кромке воздействие в аэродинамику являются критичными. Поэтому необходим вид крепления с возможно меньшей потребностью в конструктивной высоте (приклеивание или интегрирование с помощью ламинирования) и небольшая высота устройства 100. Защитные слои над устройством 100, если они являются не проводящими и возможно прозрачными, вполне возможны. Кроме того, за счет применения аналогичных материалов и сравнимой конструктивной высоты можно интегрировать устройство 100, например, в нагреватель поверхности так, что обеспечивается возможность совместного монтажа, соответственно, совместного использования проводящих структур.
Регистрируемые измерительные данные направляются далее, например, по радио в сети датчиков в другое устройство 100ʹ или устройство 100ʺ для дальнейшей передачи или передаются непосредственно в базовую станцию 9 для оценки и/или для управления приспособлением 22 для оттаивания. При этом выполнение в виде сети датчиков может быть предпочтительным, с целью уменьшения длины линии передачи по радио (и тем самым потребности в энергии); с другой стороны, целесообразно иметь несколько точек измерения, с целью обеспечения избыточности системы и высокого качества регистрируемых значений.
На фиг. 5 показано одно из многих возможных положений монтажа устройства 100: нанесение устройства 100''' на поверхность О изолятора 23 систем передачи высокого напряжения (например, опору воздушной линии, проходной изолятор трансформатора) позволяет при соответствующей форме выполнения (кольцеобразной, установка в положении 24 монтажа) выполнять измерение нежелательных поверхностных токов утечки вдоль таких поверхностей с помощью контактного или бесконтактного способа измерения тока (например, с помощью пояса Роговского, датчика индукции, шунтирующего резистора).