梁宇飛

（中國大唐集團(tuán)新能源股份有限公司北京檢修分公司，北京 100071）

0 引言

隨著風(fēng)電機(jī)組發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，對風(fēng)向風(fēng)速儀的技術(shù)要求越來越高。尤其是20世紀(jì)90年代變槳距風(fēng)電機(jī)組的出現(xiàn)，為了更好地控制風(fēng)電機(jī)組發(fā)電，要求必須準(zhǔn)確及時地測出風(fēng)速，并對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而獲取最大發(fā)電功率并降低成本。而風(fēng)能具有較高的不確定性，要想很好地控制風(fēng)電機(jī)組發(fā)電，使之跟隨風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)功率，就要求其具有靈敏、功耗低、可維護(hù)性好、壽命長等特點(diǎn)。

1 常用風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向風(fēng)速儀

目前，風(fēng)電機(jī)組常用的風(fēng)速風(fēng)向儀有機(jī)械式、傳統(tǒng)超聲波式和超聲波共振式，本文詳細(xì)介紹這三類風(fēng)向風(fēng)速儀結(jié)構(gòu)原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)速儀的結(jié)構(gòu)原理和優(yōu)缺點(diǎn)

目前，國內(nèi)比較常用的機(jī)械式風(fēng)速儀由風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)杯風(fēng)速儀組成。風(fēng)向測量是利用一個低慣性的風(fēng)向標(biāo)部件作為感應(yīng)部件，如圖1所示。風(fēng)向標(biāo)部件隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)軸下端的風(fēng)向碼盤，風(fēng)向的信號發(fā)生裝置由格雷碼盤、發(fā)光管、光敏管等組成。碼盤是一個圓形金屬薄片，上面有7個不同等分的同心圓，同心圓由內(nèi)到外分別作2、4、8、16、32、64、128等分，每個相鄰等分不是被挖空就是未被挖空，或者說不是透光就是不透光。對應(yīng)每個同心園的上下面有一組發(fā)光管和光敏管，共7組。風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動時，由于同心圓的透光或不透光，7個光敏管上接收到或接收不到光，7根信號線上或是“1”或是“0”，這就完成了風(fēng)向到格雷碼的轉(zhuǎn)換。

風(fēng)杯風(fēng)速儀的感應(yīng)部分一般由三個或四個半球形或拋物錐形的空心杯殼組成，杯殼固定在互成120°的三叉型支架或互成90°的十字形支架上，杯的凹面順著一個方向排列，整個橫臂架則固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上，如圖2所示。風(fēng)速測量是利用一個低慣性的風(fēng)杯部件作為感應(yīng)部件，信號變換電路為霍爾集成電路。在水平風(fēng)力的驅(qū)動下，風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)，在霍爾磁敏元件中感應(yīng)出脈沖信號，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加，測出頻率就可計(jì)算出風(fēng)速。

機(jī)械式風(fēng)向風(fēng)速儀的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）成本較低、使用方便，并且基本不需要維護(hù)；（2）轉(zhuǎn)速與風(fēng)速基本上為線性關(guān)系；（3）抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)。但是，也存在以下不足：（1）機(jī)械裝置體積較大，轉(zhuǎn)動慣性會引起遲滯效應(yīng)，響應(yīng)速度慢，適合精度要求較低的場合；（2）存在轉(zhuǎn)動部件，容易產(chǎn)生磨損；（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)可能受到惡劣天氣的損害，沙塵和鹽霧也會對其造成腐蝕；（4）由于摩擦的存在，低于啟動值的風(fēng)速將不能驅(qū)動螺旋槳或者風(fēng)杯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此，低于啟動風(fēng)速的微風(fēng)將無法測量；（5）寒冷天氣容易結(jié)冰需要手動加熱，影響風(fēng)電機(jī)組可利用率。

1.2 傳統(tǒng)超聲波風(fēng)向風(fēng)速儀的結(jié)構(gòu)原理和優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)超聲波風(fēng)向風(fēng)速儀，如圖3所示。由超聲波探頭、發(fā)射接收電路、電源模塊、發(fā)射接收控制及數(shù)據(jù)分析處理中心和數(shù)據(jù)結(jié)果顯示單元組成。四個超聲波探頭成90°布置。傳統(tǒng)超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的工作原理是利用超聲波時差法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測量。聲音在空氣中的傳播速度，會和風(fēng)向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風(fēng)向相反，它的速度會變慢。因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風(fēng)速函數(shù)對應(yīng)。通過計(jì)算即可得到精確的風(fēng)速和風(fēng)向。由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大；風(fēng)速儀檢測兩個通道上的兩個相反方向，因此溫度對聲波速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。

傳統(tǒng)超聲波風(fēng)向風(fēng)速儀的優(yōu)點(diǎn)主要包括：

（1）采用非接觸式測量，基本上不干擾風(fēng)電場，無壓力損失，對測量環(huán)境要求不高，適用范圍廣；

（2）由于沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動部件，不存在機(jī)械磨損、阻塞、冰凍等問題，使用壽命長，重量輕；

（3）由于沒有“機(jī)械慣性”，靈敏度高，可捕捉瞬時的風(fēng)速微小變化，可測出風(fēng)速中的高頻脈動成分，理論上沒有測量上限，不要求啟動風(fēng)速；

圖1 機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)

圖2 機(jī)械式風(fēng)杯風(fēng)速儀

圖3 傳統(tǒng)超聲波風(fēng)向風(fēng)速儀

（4）輸出特性為線性，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出及流量的計(jì)算，且時差法克服了聲速隨流體變化所帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高。

主要缺點(diǎn)是：

（1）傳統(tǒng)超聲波風(fēng)向風(fēng)速儀的安裝直接影響到計(jì)量的準(zhǔn)確度，所以對安裝要求十分嚴(yán)格；

（2）該測風(fēng)儀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故障排除較困難；

（3）尺寸大、不易加熱、易結(jié)冰，同時易受雷雨、雪、雹、霜、霧、沙塵等障礙物影響。

1.3 超聲波共振式風(fēng)向風(fēng)速儀的結(jié)構(gòu)原理和優(yōu)缺點(diǎn)

超聲波共振式風(fēng)向風(fēng)速儀，如圖4所示。利用聲波（超聲波）在小型腔室內(nèi)共振來進(jìn)行測量?；窘Y(jié)構(gòu)是由被稱為上下反射器的一對小平行板組成的設(shè)備。在水平方向上，結(jié)構(gòu)是無邊界的，空氣在反射板之間自由流動。在垂直方向上，空氣受到反射板的限制，因而在垂直方向的平均速度可以忽略不計(jì)。聲波（超聲波）由三個分別與壓電元件耦合的振動膜片產(chǎn)生和接收。如圖4所示，膜片呈三角形分布。在任意時刻，均有一個膜片處于電激勵狀態(tài)。膜片表面產(chǎn)生超聲波并向外傳播，直至到達(dá)上反射器進(jìn)行近似全反射。由此產(chǎn)生的波前向下運(yùn)行，到達(dá)下反射器并再次反射。超聲波繼續(xù)在反射器之間反彈，直到在空氣中能量損失并充分衰減變?yōu)椴煌耆瓷洹?shí)際上，該過程約含有200次反射。

圖4 超聲波共振式風(fēng)向風(fēng)速儀

超聲波共振式風(fēng)向風(fēng)速儀的運(yùn)行原理使其具備了超常的規(guī)格和眾多優(yōu)點(diǎn)，例如空氣流速范圍廣、使用壽命長、高實(shí)用性、小而輕的結(jié)構(gòu)以及出色的靈敏度和準(zhǔn)確性。由于沒有暴露在外的部件，采用聲共振技術(shù)可以生產(chǎn)能夠在極端天氣條件下運(yùn)行的耐用傳感器。該傳感器功耗低，而且在會干擾使用其他技術(shù)的傳感器的環(huán)境條件下，聲共振技術(shù)卻能夠提供內(nèi)置的補(bǔ)償來矯正結(jié)果。

2 結(jié)論

當(dāng)前國內(nèi)所使用的風(fēng)速儀風(fēng)向標(biāo)種類主要有兩種，機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀和超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀。其中使用較多的是機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)速儀，盡管這種方法簡單可靠，但由于其測量部分具有機(jī)械活動部件，在長期暴露于室外的工作環(huán)境下容易磨損，壽命有限，維護(hù)成本較高。另外，檢測精度也不高。而采用超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)，精度高，可靠性高，壽命長且維護(hù)成本相對較低。而最新的超聲波共振式風(fēng)向風(fēng)速儀具有眾多優(yōu)點(diǎn)，可靠性要高很多，價(jià)格也越來越便宜，未來超聲波共振式風(fēng)向風(fēng)速儀比占主導(dǎo)位置。

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