對射式超聲波測風儀

邵寶福

摘要：機械式測風儀是一種應用比較范圍廣泛的測風傳感器，但在一些風沙較大的地區，尤其是一些土壤剛剛開始沙漠化的地區，細小的沙塵顆粒會通過傳感器的軸承密封進入到軸承內部，導致風向風速測量偏差，影響機組發電量。那么如何可以很好的解決這一問題呢？今天我就給大家介紹一種基于超聲波傳播原理的測風儀。

關鍵詞： 通力發電、超聲波測風儀、偏航系統

在風力發電機組中，為了讓機組可以感知風向和風速的實時變化情況，利用超聲波在空氣中傳播速度會受到風速影響的特性而制成的傳感器稱為對射式超聲波測風儀。當機組主控接收到來自于該傳感器采集到的風向、風速變化后，會根據當前機組的運行狀態，對機組內部的執行機構進行調節，最大程度的提高風能捕獲能力。

Thies超聲波傳感器包括了超聲波發送器、接收器、處理單元、接線端口（輸出）、加熱器等部分組成。整體采用全密封結構，沒有旋轉部件，不受細小沙粒、鹽霧的影響。

超聲波發送器：負責發出超聲波信號。

超聲波接收器：負責接收超聲波信號

處理單元：負責超聲波信號收發的控制及內部計算。

接線端口：將處理單元計算的風向、風速結果通過該接線端口送到PLC。

加熱器：保證在低溫雨雪天氣傳感器的正常工作。

超聲波測風儀的安裝非常重要，以額定功率為2MW，年等效滿發小時數為2000小時的風機為例，如果超聲波傳感器的安裝初始角度存在5度偏差，每小時的電量損失是7.6度電，一年累積電量損失理論上會達到15000度電，長期運行可能會引起葉片承受更大的風載荷，在影響發電量的同時還可能威脅到機組的安全穩定運行，所以對于該傳感器的安裝應該引起重視。現場更換Thies對射式超聲波測風儀時，具有紅色標識的一端朝向機艙尾部。利用激光測量儀，確保經過AB兩點確定的激光束與機艙外殼上的E點可以重合，這樣可以最大程度的減小由于安裝誤差導致的風能損失。

（一）超聲波信號的產生與提取

超聲波的產生利用了壓電效應元件的特性，當輸入電壓U1施加到壓電元件發射器上，將造成該元件彎曲，A1點移動到A2位置，當施加連續的脈沖信號U1，發射器表面就會不斷的發生振動，從而產生超聲波。同時這個效應是可逆的，只要壓電元件受到振動，也就是說外界的脈沖式超聲波信號沖擊到壓電元件表面，接收器表面也會發生形變，B1點移動到B2位置，得到相應的脈沖電壓U2，。經過了這樣的過程，就完成了超聲波信號的產生與提取。

（二）風速影響下的超聲波信號傳輸

如上圖5所示。首先在無風的工況下，在處理單元的控制下，驅動發射器發出超聲波信號，接收器收到振動信號后，將振動信號轉化為數字脈沖信號回傳給處理單元，。當風速從無到有，逐漸增大的過程中，風速的水平分量VX與超聲波水平方向的傳播方向一致，則會從A點到B點的傳播速度逐漸加快。相反，如右圖所示，風速的水平分量VX與超聲波水平方向的傳播方向相反，從A點到B點的傳播速度會逐漸減慢。同理，Y軸方向的超聲波的傳播速度也會逐漸的加快和減慢。

（三）性能對比

除了基于對射式超聲波測風儀之外，目前風電領域的測風儀還有機械式、共振式超聲波、激光雷達式這三大類，在特定的應用場合，每種類型的測風儀都有其優勢。從價格角度來看，機械式測風儀最低，激光雷達最高。從具有遙測功能來看，只有激光雷達可以測量風輪前幾十米到幾百米的區域內的風速，有利于控制機組安全穩定運行。在濃霧天氣下，機械式測風儀性能最優。冬雨嚴重地區，則激光雷達具有較大優勢。從應用普遍程度來看，共振式超聲波和機械式測風儀應用最為廣泛。對射式超聲波測風儀，從以上指標來看，都處于中等水平上。

本文介紹了超聲波測風儀的構成、安裝的注意事項。對超聲波信號的產生與提取，超聲波受風速影響的工作原理進行了詳細介紹，并對常見類型的測風儀優缺點進行了對比。