采用光纤应变片进行结构测量

状态监控系统 (CMS) 主要是用于确保 风电场运营的高效率。未来他们将用于 监控 重要的部件如叶片,塔架和基础。现在,光纤传感器 已经成为电子原理测量的替代技术。

结构和状态监控,例如桥梁和建筑物,这已经是研究很久的主题了。60年来,HBM 一直是全球 应力测试 专家, 提供高精度,完整的测量链和解决方案,并在此领域发表了多项研究成果。[1], [2], [3]

CMS 用于故障维护

状态监控系统 (CMS)可以使运营商实施 "故障维护,"策略,其主要基于风机实际运营的 负荷历史 情况。 自从 2005 年,根据 GL 海上风电管理条例 [4] 这种类型的 CMS 是强制性的,但是仅对 驱动系是必须的。多个认证机构 (例如 DNV GL 再生能源认证) 和相关的专家希望将 CMS 扩展到 监控风电系统其他重要部件 上,包括转子叶片,塔架和基础等,例如 [5]; [6]

光学传感器作为一种替代测量技术,其具有多种 优势:

  • 光纤传感器对于交变负载具有极高的稳定性,因此具有 更长的服务寿命 (相关主题: 大应变). [7]
  • 由于采用光学原理,因此可以 防雷击
  • 不会存在 EMC 电磁干扰问题 (电磁信号干扰或接地回路等)
  • 与铜导线相比,光纤 具有更低的成本和更轻的重量。

信息内容的显著提高

由于这些优势,使用光纤能够 分布安装 到叶片上,其可以显著提高 信息容量。这主要是因为光纤应变片的 信号采集和分发的复用能力。通过光纤和电子应变片组成的混合系统,能够非常快速地记录变化。 [8]

在大多数情况下,应变片 被用于 监控关键区域,例如塔架和基座 (结构动态参数和刚度监控)。海上风电场,由于海洋环境,传感器必须能承受各种 干扰影响,其往往需要进行特殊防护,带有较高的技术复杂性。[9]

抗潮湿

光纤技术, 和电子应变技术相比, 对湿度等干扰是免疫的。 OptiMet, HBM 提供的布拉格光纤技术, 其表面带有 耐用涂层(OptiMet PKF 在一个链中带有多根布拉格光栅)。 [10]

对于具有多通道的系统,光纤应变片的 单个测量通道 成本更低。由于布拉格光纤是一个接一个连接,能够大幅地降低布线成本。

对于风电场状态监控系统来说,光纤应变片在抗干扰,成本,安装等方面都更具优势,具有更广阔的应用前景。

参考文献:

[1] Henke, V. "Monitoring the Reichenbach and Albrechtsgraben viaducts"; RAM; Reports in applied measurement, No. 1/2007; pages 10-20, Darmstadt, 2007

[2] Liebig, J. P.; Menze, O.: "Keeping an eye on the effects of heavy goods traffic: long-term monitoring of a prestressed concrete bridge," HBM application report 10/2009, Darmstadt, 2009

[3] Gommola, G.; "Are our bridges safe? bridge monitoring with measurement technology from HBM," pp. 22-23; HBM customer magazine "hotline" issue 1/2012

[4] Germanischer Lloyd: Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines, 2005

[5] Steingröver, K.; et al. "Condition Monitoring Systems for Wind Turbines: Current status and outlook on future developments from the perspective of certification"; VDI report on "Vibrations in wind turbines," Bremen, 2010

[6] Steingröver, K.; et al. "CMS für Windenergieanlagen aus Sicht der Zertifizierer" [CMS for wind energy systems from the point of view of the certifier] "ECONOMIC ENGINEERING" Journal, issue 5/2012, Göller Publishing house, Baden-Baden

[7] Frieling, G.; Walther, F.: Tensile and fatigue properties of Fiber-Bragg-Grating (FBG) Sensors. In: Sensors & Transducers Journal 154 (2013), No. 7, p. 143-148

[8] Zerbst, S.; Knops, M.; Haase, K.-H.; Rolfes, R.: "Schadensfrüherkennung an Rotorblättern von Windkraftanlagen" [Early detection of damage on rotor blades of wind power plants], Lightweight Design issue 2010-04, Vieweg +Teubner, Wiesbaden

[9] Haase, K.-H.: Underwater application of strain gauges, UK Environmental, 2004.

[10] HBM [online]. www.hbm.com, 2014. OptiMet by HBM

(jv)

* Dr. Karl-Heinz Haase, Product and Application Manager Optical Technology & Asset Monitoring; Dr. André Schäfer, Product and Application Manager Calibration/Wind Energy; Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

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