Система и способ определения наличия условий обледенения
Предложен способ определения атмосферного потенциала обледенения. Способ содержит испускание (304) допплеровским гетеродинным лидаром (прибором светового обнаружения и определения дальности) (108а, 108b) электромагнитного излучения в атмосферу и прием излучения, обратнорассеянного от аэрозоля, в частности, от облака. Определяют (306) указание интенсивности сигнала, в частности ОСШ-отношения (отношение сигнал-шум на несущей частоте), на основе принятого обратнорассеянного сигнала для одного или более расстояний, в частности высот над заданным базовым уровнем, в частности над местоположением лидара. Сравнивают (308) указания интенсивности сигнала с по меньшей мере одним заданным базовым значением для того, чтобы получить величину вероятности присутствия облака (110) на указанном одном или более расстояниях. Определяют (310) величину потенциала обледенения на указанных нескольких расстояниях на основе указанного сравнения и величины температуры на указанном одном или более расстояниях. Представлена также система для выполнения указанного способа. Технический результат - повышение точности определения условий атмосферного обледенения. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к области измерений и оптики. Более конкретно, изобретение относится к определению условий обледенения на основе результатов оптических дистанционных измерений.
Уровень техники
Современные решения для определения условий обледенения различных поверхностей и связанных с ними элементов значительно отличаются в зависимости от их практической реализации и от соответствующего сценария использования.
Атмосферное обледенение имеет место, когда капли воды, присутствующей в атмосфере, замерзают на объекте, с которым они вступают в контакт. В случае воздушных судов лед может увеличивать опасность срыва потока с аэродинамической поверхности крыла. Поэтому наличие условий обледенения необходимо определять как можно раньше и как можно надежнее. Так, например, в носовой части воздушного судна можно установить электромеханический зонд с колебательным (вибрационным) датчиком, тогда нарастающий на нем лед будет вызывать изменения частоты колебаний в зависимости от толщины слоя льда. Частоту колебаний постоянно контролируют для определения количества льда.
Согласно другому сценарию использования, ветряные турбины ветряных электростанций могут сильно повреждаться в результате образования льда на лопастях ротора. В лопастях могут возникать трещины, что приводит к резкому уменьшению эффективности рабочего процесса. Общий износ турбины также может увеличиваться вследствие дисбаланса масс и аэродинамического дисбаланса, а также дополнительного трения, вызываемого льдом. Предлагалось устанавливать вышеуказанный колебательный зонд в обтекатель ветряной турбины, а также использовать различные емкостные, импедансные и индуктивные приборы обнаружения, требующие установки специальных дополнительных датчиков на лопастях ротора. Кроме того, известны различные оптические датчики, обеспечивающие мониторинг нарастания льда на поверхности датчика, например, на основе изменений отражения света от указанной поверхности.
Однако колебательный зонд может быть пригодным не для всех сценариев использования и может оказаться слишком медленным для обеспечения надлежащей реакции обнаружения. Он является относительно сложным по конструкции и требует встраивания в обтекатель турбины. С другой стороны, датчики на емкостной/импедансной/индуктивной основе могут ненадежно работать после первого определения, поскольку удаление льда с датчика, например, при помощи нагревания, во многих случаях может оказаться по меньшей мере частично неудачным, после чего последующие определения могут стать неточными. Аналогичные недостатки известны и для многочисленных решений, использующих оптические измерения.
Таким образом, многие известные системы определения обледенения имеют недостаточную надежность, по меньшей мере при определенных рабочих условиях. При этом они обеспечивают ограниченные области определения, поскольку представляют одну или совсем немного точек в пространстве, а именно на участках поверхности датчика. В любом случае такие системы могут определять только наличие уже образовавшегося льда, что может быть слишком поздно в определенных областях применения.
Для широкой оценки потенциала обледенения в атмосфере в уровне техники предусмотрен ряд решений, многие из которых используют множество прогностических погодных параметров, более или менее поддающихся прямому измерению, в частности, температуру и влажность, в сочетании с дедуктивной логикой для прогнозирования обледенения. Однако даже эти решения как правило имеют множество недостатков, сравнимых с недостатками, уже указанными выше.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в том, чтобы устранить одну или более проблем, описанных выше, к решению которых не способны известные системы определения условий обледенения, и также в том, чтобы обеспечить приемлемое решение для определения условий атмосферного обледенения, в частности, обледенения в облаке.
Эта задача решена путем создания системы и способа, раскрытых в настоящем изобретении.
В соответствии с этим в первом аспекте настоящего изобретения предложена система, в частности, из одного или более устройств, предназначенная для определения атмосферных условий обледенения, содержащая:
- лидар (прибор светового обнаружения и определения дальности), в частности, допплеровский лидар, выполненный с возможностью испускания электромагнитного излучения в атмосферу, возможно в некотором числе направлений, и с возможностью приема излучения, обратнорассеянного от аэрозоля, в частности, от облака, присутствующего в атмосфере, и
- блок обработки данных, выполненный с возможностью получения по меньшей мере одного указания интенсивности сигнала, в частности, ОСШ-отношения (отношение сигнал-шум на несущей частоте) или другого индикативного параметра, на основе принятого обратнорассеянного сигнала для некоторого числа расстояний, в частности, высот над заданным базовым уровнем, в частности, над местоположением лидара,
а кроме того, выполненный с возможностью сравнения указанного по меньшей мере одного указания интенсивности сигнала с по меньшей мере одним заданным базовым значением для того, чтобы получить величину вероятности присутствия облака на указанном числе расстояний,
и с возможностью определения величины потенциала обледенения на указанном числе расстояний на основе сравнения и величины температуры на указанном числе расстояний.
В одном варианте изобретения лидар представляет собой допплеровский гетеродинный (когерентный) лидар. Лидар может быть импульсным лидаром или лидаром постоянного действия. Лидар может использовать длины волн в ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном диапазоне. Альтернативно этому можно использовать инкогерентный лидар. Лидар может быть дополнительно конфигурирован для измерения скорости ветра.
В другом варианте изобретения блок обработки данных выполнен с возможностью получения положительного значения потенциального присутствия облака на некотором расстоянии, если указание интенсивности сигнала, в частности числовое значение, по существу соответствует базовому значению. Альтернативно этому положительное значение можно получить, если указание интенсивности сигнала существенно отличается от базового значения. В случае представления в числовой форме, существенно большее или меньшее значение (или множество значений в случае множества величин или многозначной величины) может предполагать такое существенное отличие, отнесенное к положительному значению вероятности присутствия облака. Величина вероятности присутствия облака может быть выражена в виде данных логического типа или в виде более полных данных (например, вероятности), как более подробно поясняется ниже.
В следующем варианте изобретения система выполнена с возможностью определения характеристик потенциала обледенения на указанном числе расстояний. Такое определение характеристик может включать величину некоторого параметра, как, например, средний размер капель и/или влагосодержание.
В еще одном варианте изобретения система выполнена с возможностью определения условий выпадения атмосферных осадков на указанном числе расстояний. Полученный результат можно использовать для определения потенциала обледенения и/или характеристик обледенения.
В другом варианте изобретения система может быть выполнена с возможностью запуска операции антиобледенения или размораживания и/или может содержать блок противодействующей активации, выполненный с возможностью запуска операции антиобледенения или размораживания, в частности, операции нагревания или микроволнового возбуждения, чтобы предотвратить, уменьшить или замедлить нарастание льда на заданной поверхности. Управляемое устройство для нагревания или возбуждения может быть встроено в систему или установлено отдельно от нее. Нагревание можно осуществить при помощи продувания горячего воздуха или другого газа, прокладки нагреваемых проводников или других элементов или, например, подачи нагретой жидкости (например, при помощи системы жидкостной циркуляции) на одну или более целевых поверхностей и т.п. В качестве антиобледенительного средства целевые поверхности могут содержать покрытие, отталкивающее лед, в частности, силиконовую краску. В альтернативном случае или как дополнение к сказанному система может быть выполнена с возможностью запуска изменения состояния функционально соединенного целевого устройства, в частности, ветряной турбины. Операция изменения состояния может содержать остановку турбины или, в общем случае, изменение характеристик вращения в частности, скорости ротора.
В другом варианте изобретения, система выполнена с возможностью определения величины потенциала обледенения, чтобы проверять, удовлетворяет ли измеренная и/или определенная температура заданным условиям. Так, например, в том случае, если указанная температура ниже (или, возможно, равна или ниже), чем заданное пороговое значение, или лежит в заданном диапазоне, равном, например, нескольким градусам, в частности, одному, двум, трем или четырем градусам, относительно заданного базового значения, равного, в частности, нулю градусам Цельсия, т.е., нормальной точке замерзания воды, то система выполнена таким образом, что она считает температурное условие обледенения выполненным. Диапазон относительно базовой точки может быть симметричным или асимметричным. При этом величина температуры может представлять собой простой логический тип данных (1/0, истина/ложь).
В другом варианте изобретения система может быть сконфигурирована таким образом, что она считает обледенение вероятным, когда вероятность присутствия облака является высокой, например, превышает заданное пороговое значение, и температурное условие обледенения является выполненным, что вытекает из соответствующих результатов определения.
В альтернативном случае величина температуры, используемая при определении потенциала обледенения, может иметь относительно высокое разрешение, и результаты измерения температуры в градусах Цельсия могут быть получены, например, в виде целых чисел или с одним десятичным знаком.
В следующем варианте изобретения система, выполненная с возможностью определения указания интенсивности сигнала, в частности, ОСШ-отношения, кроме того выполнена с возможностью его сравнения с по меньшей мере одним заданным базовым значением (ОСШ-отношение). Базовое значение может быть показателем по существу благоприятного состояния с отсутствием облаков. В этом случае базовое значение, в частности ОСШ-отношение, может быть низким или, в общем случае, может иметь небольшие значения согласно заданному критерию, например, вследствие низкой величины обратнорассеянного излучения. При этом, если результат измерения существенно отличается от базового значения, т.е. результат измерения в общем случае, например, больше, чем один или более заданных критериев (например, заданная величина в dB), то вероятность присутствия облака может считаться высокой. И наоборот, если базовое значение указывает на облачное состояние, соответствующая величина может быть относительно высокой. В качестве другой альтернативы в зависимости от варианта осуществления базовое значение может быть установлено таким образом, чтобы оно указывало сценарий заданного порогового значения, например, между ясным и чрезвычайно облачным состояниями.
Вероятность может быть выражена в простом виде: 1/0, да/нет, истина/ложь или в виде иной приблизительной по существу булевой или двоичной условной переменной, или может быть использована, например, более полная область числовых значений по меньшей мере с одним значением между крайними членами. В такой области один конец может выражать наименьшую вероятность присутствия облака, а противоположный конец - наибольшую вероятность.
В другом варианте изобретения используемое базовое значение может быть динамическим и/или адаптивным. Оно может быть автоматически адаптировано на основе по меньшей мере одного фактора, выбранного из группы, включающей: время дня, время года, месяц, неделю, год, время, местоположение, высоту, широту, долготу и температуру. В соответствии с этим логика для определения величины вероятности присутствия облака и потенциала обледенения может быть динамической и/или адаптивной.
В некоторых вариантах изобретения операции сравнения и определения величины потенциала обледенения могут быть объединены и выполняться, например, параллельно. Так, например, их можно определять в результате расчета по тем же самым формулам, используя найденное указание интенсивности сигнала и величину температуры в качестве входных параметров. В некоторых вариантах изобретения с ними можно объединить даже определение этой величины. Альтернативно этому могут быть объединены операции определения и сравнения.
В еще одном варианте изобретения предложена ветряная турбина, ветряная мельница или ветряная электростанция, содержащая по меньшей мере одну вышеуказанную систему, которая может быть выполнена как отдельной (комплекс из одной или более ветряных турбин и по меньшей мере одной системы согласно изобретению), так и по меньшей мере частично встроенной в нее. Система может быть установлена на ступице турбины, роторе, обтекателе, корпусе, основании или, например, на близлежащем участке земли. Каждая ветряная турбина может иметь отдельную систему, или система может быть общей для нескольких турбин.
В другом варианте изобретения ветряная турбина, ветряная мельница или ветряная электростанция могут содержать антиобледительное и/или размораживающее устройство, в частности, нагревательное устройство для предотвращения обледенения лопастей ротора и/или других элементов.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предложен способ определения атмосферных условий обледенения, содержащий
- испускание лидаром (прибором светового обнаружения и определения дальности), в частности, допплеровским лидаром, электромагнитного излучения в атмосферу, возможно в некотором числе направлений, и прием излучения, обратнорассеянного от аэрозоля, в частности, от облака, присутствующего в атмосфере,
- определение по меньшей мере одного указания интенсивности сигнала, в частности, ОСШ-отношения (отношение сигнал-шум на несущей частоте) или другого индикативного параметра на основе принятого обратнорассеянного сигнала для одного или более расстояний, в частности, для высот над заданным базовым уровнем, в частности, над местоположением лидара,
- сравнение указанного по меньшей мере одного указания интенсивности сигнала с по меньшей мере одним заданным базовым значением для того, чтобы получить величину вероятности присутствия облака на указанном одном или более расстояниях, и
- определение величины потенциала обледенения на указанном числе расстояний на основе сравнения и определения температуры на указанном одном или более расстояниях.
Вышеуказанные соображения, касающиеся различных вариантов осуществления системы, могут быть гибко применены к вариантам осуществления способа с соответствующими изменениями и наоборот, что является понятным для специалистов данной области техники.
Практическая ценность настоящего изобретения определяется множеством его достоинств, имеющихся в каждом конкретном варианте осуществления. Прежде всего, условия обледенения могут быть спрогнозированы и определены еще до фактического обледенения соответствующего элемента, в частности, лопасти ветряной турбины, причем предлагаемый способ определения условий обледенения является надежным. При этом выполнение требуемых защитных операций, в частности, операций антиобледенения, может быть начато как можно раньше и последующие неудобства или ущерб в результате обледенения успешно предотвращаются. Аналогично этому, операции управления, в частности, управления турбиной в контексте ветряных турбин, могут быть сделаны более эффективными, если знать доминирующие условия обледенения. Кроме того, в настоящем изобретении может быть использовано уже существующее оборудование, установленное по месту назначения, в частности, лидары в сочетании с ветряными турбинами или ветряными электростанциями, в результате этого необходимость в дополнительных устройствах существенно уменьшается, что облегчает фазу внедрения и уменьшает общую стоимость.
Кроме того, предлагаемое решение позволяет также определять вероятность обледенения на нескольких различных расстояниях относительно базовой точки, что позволяет располагать систему дальше от фактической точки, представляющей интерес. Так, например, лидар и, возможно, процессорный модуль можно удобно установить на обтекателе ветряной турбины или даже на земле, обеспечивая при этом мониторинг условий вблизи максимальной высоты концов лопастей.
В целом, предлагаемое решение имеет потенциальные возможности применения в различных областях, где требуется постоянно контролировать и учитывать обледенение. Например, в авиационном секторе возможно использование этого решения, как для наземного, так и для бортового применения.
Термин "некоторое число" в данном описании относится к любому положительному числу, начиная от одного (1), например, к одному, двум или трем.
Термин "множество" в данном описании относится к любому положительному числу, начиная от двух (2), например, к двум, трем или четырем.
Термины "первый" и "второй" не связаны в данном описании с обозначением какого-либо определенного приоритета или порядка. Вместо этого они используются для того, чтобы отличать один объект, в частности, физический или логический элемент, от другого объекта.
Термин "аэрозоль" в данном описании в общем случае относится к смеси газа и твердых и/или жидких частиц. Поэтому, например, облако может рассматриваться в качестве аэрозоля.
Различные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание прилагаемых чертежей
Ниже приведено более подробное описание изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлены:
фиг. 1а - сценарий применения одного из вариантов настоящего изобретения в контексте ветряной турбины,
фиг. 1b - блок-схема одного из вариантов предлагаемой системы,
фиг. 2 - примеры результатов измерений и сравнения с базовым значением для одного из вариантов предлагаемого решения,
фиг. 3 - блок-схема одного из вариантов способа согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Лидары, применяемые в различных вариантах настоящего изобретения, могут содержать лазерные устройства, способные производить дистанционные измерения параметров атмосферы, направляя лазерные лучи в воздух, а затем анализируя сигнал, обратнорассеянный от атмосферы. Лидары, предназначенные для определения энергии ветра, часто могут измерять скорость ветра с высокой достоверностью и точностью в диапазоне расстояний примерно от 10 до 1000 метров. Они могут обладать возможностью измерения допплеровского сдвига в обратнорассеянном сигнале под действием перемещающегося аэрозоля и могут реконструировать вектор скорости ветра, зондируя объем воздуха по меньшей мере в трех ракурсах. Такие устройства могут позволять производить измерения скорости ветра, например, на высоте ступицы современных турбин мощностью несколько мегаватт, чтобы оценивать выработку электроэнергии при помощи приборов, установленных на земле (вертикальное расположение), а также, чтобы управлять турбиной при помощи устройств, установленных на обтекателе (горизонтальное расположение). Измерения, как правило, не ограничены только одним расстоянием. Лидары для измерения параметров ветра могут фокусироваться на одной высоте (лидары непрерывного излучения) в один отрезок времени или могут измерять время прохождения обратнорассеянного сигнала, чтобы определять одно или более значений высоты (импульсные лидары).
На фиг. 1а показан эскиз, иллюстрирующий сценарий 101 использования одного из вариантов предложенной системы. В сценарии 101 используется ветряная турбина 102, снабженная предложенной системой. Указанная система содержит лидар 108а, 108b, который может быть установлен на обтекателе 106 или на земле, соответственно, например, таким образом, чтобы конусу, образованному испускаемым лучом 112, 114, можно было придать заданное или динамически регулируемое направление, сканируемое лидаром 108а, 108b. Лидар 108а конфигурирован для сканирования по существу в горизонтальном направлении, в то время как лидар 108b расположен на земле и предназначен для сканирования в вертикальном направлении. Для специалистов данной области техники очевидно, что, например, обтекатель 106, основание или башня 104 ветряной турбины 102 также могут быть оснащены лидаром, который конфигурирован для испускания луча по существу в вертикальном направлении или диагонально относительно базовой плоскости, в частности, земли. Другие компоненты системы (не показанные на фигуре 1а) могут быть расположены вблизи лидара 108а, 108b или на расстоянии от него, с сохранением при этом функциональной связи с ним.
Как указано выше, лидар 108а, 108b может представлять собой когерентный (измерительный) лидар, в частности, когерентный допплеровский лидар (например, импульсный или непрерывного действия) или инкогерентный лидар, в частности, инкогерентный допплеровский лидар. Во многих сценариях можно, разумеется, применять когерентный гетеродинный допплеровский лидар.
По меньшей мере часть электромагнитной энергии, передаваемой лидаром в виде луча света, может иметь обратное рассеяние под действием частиц (например, пыли, пыльцы, или капель), присутствующих в атмосфере и перемещающихся со скоростью, равной скорости ветра окружающей среды. Наличие скорости частиц в направлении измерительного луча вызывает сдвиг частоты обратнорассеянного сигнала, который может затем поступать на допплеровский лидар для определения скорости ветра.
Лидар может быть использован для дополнительного получения данных о скорости ветра, турбулентности, изменении направления и/или сдвиге ветра для определения условий обледенения согласно настоящему изобретению. Кроме того, лидар может быть установлен в соответствующем месте на роторе ветряной турбины или обтекателе для измерения горизонтальных составляющих встречного ветра, чтобы, например, иметь возможность регулировать положение лопастей для защиты компонентов и увеличения мощности.
Применяемый лазер может излучать длину волны в диапазоне примерно от 600 до 1700 нм, т.е. длина волны может составлять, например, около 1500 нм. Возможная длина волны, угол конуса и другие измеряемые параметры, в частности, ширина импульса, энергия импульса, размер луча, фокусное расстояние и/или время накопления и т.п.могут быть выбраны в зависимости от сценария использования.
В качестве примера допплеровского лидара, который может быть использован согласно настоящему изобретению, разумеется, в зависимости от конкретного варианта осуществления и соответствующего сценария использования, можно указать лидар Windcube™ (импульсный гетеродинный).
Данные об обратном рассеянии и связанные с ними данные, т.е. параметры ветра и/или условия обледенения, могут быть точно определены в заданном количестве, т.е. на одной или более, высот (или в общем случае - расстояний) 112а, 114b от базовой точки, в частности, от самого лидара. Однако применение, например, импульсного лидара может быть предпочтительным, поскольку он позволяет легко получать информацию об обратном рассеянии для множества высот без необходимости предварительного указания высот, на которых производится измерение. Расстояние до местоположения цели (например, до местоположения кромки лопасти ветряной турбины на максимальной высоте, или до местоположения обтекателя/ступицы) может измеряться в десятках или даже сотнях метров, или цель может находиться по существу в непосредственной близости от лидара 108а, 108b. Таким образом, диапазон является широким и зависит от варианта осуществления. При относительно чистом небе обратное рассеяние является умеренным, однако, например, в условиях облачности 110 величина сигнала обратного рассеяния увеличивается, что может быть использовано для определения потенциала обледенения на каждой высоте.
На фиг. 1b показана блок-схема варианта 121 предлагаемой системы с указанием функциональности отдельных элементов. Опциональные функции этого варианта показаны прямоугольниками с прерывистым контуром.
Система 121 обычно содержит по меньшей мере одно процессорное устройство, способное обрабатывать команды и другие данные, в частности, по меньшей мере один микропроцессор, микроконтроллер, процессор цифровой обработки сигналов, программируемую логическую интегральную схему и т.п. При этом процессорный модуль 122 как функциональный блок может физически содержать, например, множество взаимодействующих процессоров и/или несколько подпроцессоров, соединенных с центральным процессорным блоком. Процессорный модуль 122 может быть конфигурирован таким образом, чтобы он выполнял код, сохраненный в запоминающем устройстве 124, который может относиться к программному обеспечению для определения условий обледенения и, возможно, к другому программному обеспечению, в частности, к программному обеспечению для запуска защитных операций согласно настоящему изобретению. Программное обеспечение может быть использовано для выполнения поставленных задач специализированым процессором или процессором общего назначения. Код может быть представлен на носителе информации, в частности, на карте памяти или на оптическом диске, или может поступать по коммуникационной сети.
По аналогии со сказанным, блок 124 запоминающего устройства может быть разделен между одной или более микросхемами физической памяти или другими элементами запоминающего устройства. Кроме того, запоминающее устройство 124 может относиться к другим средствам хранения данных или включать эти средства, в частности, карту памяти (предпочтительно съемную), дискету, компакт диск, или несъемное средство хранения, в частности, жесткий диск. Запоминающее устройство 124 может быть по своей природе энергонезависимым, например, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и/или энергозависимым, например, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Запоминающее устройство 124 может быть также по меньшей мере частично встроено в процессорный модуль 122.
Лидар 108 выполнен с возможностью испускания электромагнитного излучения в соответствии с применяемой конфигурацией, приема обратнорассеянного сигнала и получения результатов измерений в исходном виде и/или в переработанном формате для процессорного модуля 108 с целью дальнейшего использования. В некоторых вариантах осуществления лидар 108 может также содержать по меньшей мере часть процессорного модуля 122 и/или, возможно, также другие показанные и/или непоказанные блоки.
ПИ-интерфейс (пользовательский интерфейс) и/или коммуникационный интерфейсный блок 138 может содержать дисплей, например, (O)LED (Organic LED, органический светоизлучающий дисплей) и/или соединительный разъем для подключения внешнего дисплея или видеопроектора, и клавиатуру/кнопочную панель или другое соответствующее устройство ввода управляющих сигналов (например, сенсорную панель или устройство ввода голосовых управляющих сигналов или отдельные клавиши/кнопки/ручки/переключатели), конфигурированное для обеспечения пользователя блока практичным устройством визуализации данных и/или устройством управления системой. ПИ-интерфейс может содержать один или более громкоговорителей и соответствующие схемные компоненты, в частности, Ц/А (цифро-аналоговые) преобразователи для вывода звука, например, для вывода звуковых сигналов тревоги, и микрофон с А/Ц (аналого-цифровым) преобразователем для ввода звука. Коммуникационный интерфейс, в частности, по меньшей мере один приемопередатчик, может содержать, например, радиоблок, включающий беспроводной приемопередатчик, в частности, приемопередатчик для WLAN (Wireless Local Area Network, беспроводная локальная сеть), для Bluetooth (беспроводной обмен данными между различными устройствами) или для сети мобильной связи (например, GSM/UMTS - глобальная система мобильных коммуникаций/универсальная система мобильной связи), предназначенный для связи с внешними устройствами, в частности, с датчиками 136, контрольно-измерительными устройствами, управляющими устройствами, устройствами сбора информации и/или с сетевой инфраструктурой и/или с другими беспроводными или проводными устройствами обмена данными, в частности, с одним или более проводными интерфейсами (например, LAN (Local Area Network, локальная вычислительная сеть), в частности, Ethernet, Firewire, или USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная проводная шина)) для аналогичной цели.
Температурные данные, используемые при определении потенциала обледенения, можно получить при помощи некоторого числа датчиков 136, встроенных в процессорный модуль 122 или по меньшей мере функционально связанных с ним, например, при помощи коммуникационного интерфейса 138. Кроме того, может быть предусмотрено антиобледенительное и/или размораживающее устройство 134, соединенное с процессорным модулем 122.
В правой части фигуры 1b блок 125, отделенный прерывистыми двунаправленными стрелками от остальной системы 121, показывает ряд по меньшей мере логически значимых элементов, которые предпочтительно включает и/или осуществляет система 121, например, при помощи комбинации результатов измерений, производимых лидаром 108, результатов измерений, производимых по меньшей мере одним температурным датчиком 108, и программ, выполняемых процессорным модулем 122 и хранимых в запоминающем устройстве 124. Блок 126 измерения параметров измеряет указание интенсивности обратнорассеянного сигнала, в частности, ОСШ-отношения, или другого параметра, показывающего интенсивность сигнала, используя для сравнения обратнорассеянный сигнал лидара. В некоторых вариантах осуществления можно непосредственно использовать интенсивность или "уровень" полученного сигнала. Эту процедуру может выполнять сам лидар 108 и/или процессорный модуль 122. Компаратор 128 обеспечивает сравнение результатов измерений и/или параметров, полученных на их основании, с базовыми значениями, чтобы рассчитать вероятность наличия препятствий, в частности, облаков, на измеряемых расстояниях. Расчетный блок 130 производит расчет величины потенциала обледенения на основе сравнения и других данных, в частности, данных поступающих от (температурного) датчика. Температурные данные могут быть связаны с собственным базовым значением. Блок 132 запуска конфигурирован для запуска операций, в частности, операций размораживания или антиобледенения. Сигнал запуска может поступать в исполнительный блок.
Для специалистов данной области техники очевидно, что описанные блоки могут содержать несколько или множество дополнительных функциональных и/или конструктивных элементов для обеспечения безукоризненной связи, обработки или других функций, поэтому данное описание не следует рассматривать в качестве какого-либо ограничения наличия дополнительных элементов.
Один или более, например, все компонентные блоки системы 121 могут быть установлены в общем корпусе, образуя, таким образом, единое устройство. Альтернативно этому система 121 может быть выполнена в виде множества по меньшей мере функционально соединяемых блоков, включающих по меньшей мере один физически отделенный блок, выбранный из группы, состоящей из: лидара, центрального процессора (содержащего, например, процессорный модуль и запоминающее устройство), датчика, в частности, датчика температуры, и антиобледенительного/размораживающего элемента.
Поскольку интенсивность обратнорассеянного сигнала обычно изменяется при различных атмосферных условиях, ее можно использовать для контроля качества данных. Данные с более низкой интенсивностью, чем заданное пороговое значение, могут рассматриваться как данные низкого качества и могут отбрасываться. Интенсивность обратнорассеянного сигнала является, как правило, более высокой, если в воздухе имеется множество частиц. Так, например, мелкие капли воды, образующие облака и туман, представляют собой хорошую рассеивающую среду для лазерных лучей лидара. Поэтому условия облачности и тумана в объеме воздуха, анализируемом лидаром, приводят к высокому обратнорассеянному сигналу и интенсивности сигнала.
Эти условия могут быть связаны с условиями обледенения в атмосфере при низких температурах. Лидар может быть использован для определения условий обледенения, например, на основании интенсивности сигнала и температуры.
Один из вариантов процедуры определения условий обледенения при помощи измерения интенсивности обратнорассеянного сигнала и температуры атмосферы и их сравнения с базовыми пороговыми значениями можно сформулировать в следующем виде:
если 
где Tss(x) представляет собой пороговое значение обратнорассеянного сигнала как функцию расстояния, Tsair - пороговое значение температуры воздуха, Tair - измеренная или определенная иным образом температура воздуха (возможно, в зависимости от расстояния), a S(x) - интенсивность измеренного или определенного иным образом обратнорассеянного сигнала. Пороговые значения температуры воздуха могут также зависеть от расстояния.
Если имеет место соответствие критериям для определенного расстояния xice, условия обледенения считаются зарегистрированными, и, кроме того, можно допустить возникновение обледенения на всех высотах x>xice.
Интенсивность обледенения на расстоянии x можно считать пропорциональной S(x)-TSs(x) и Tair-Tsair.
На фигуре 2 ссылочным номером 201 исключительно в качестве примера показано изменение интенсивности обратнорассеянного сигнала (dB), в частности, ОСШ-отношение, в случае изменения условий на участке испытания и соответствующих базовых значений (пороговых значений). Горизонтальная ось соответствует высоте (или в общем случае - расстоянию), а вертикальная ось соответствует интенсивности, определенной при помощи измерения обратнорассеянного сигнала, принятого лидаром. Показанные три кривые представляют собой значения интенсивности для трех различных условий, а именно, "отсутствие льда" 204, "далекий лед" 206 и "близкий лед" 208, соответственно, в то время как четвертая кривая 210 показывает для сравнения базовое (пороговое) значение. Указанные значения могут быть вначале определены для нескольких расстояний, а результаты - соединены для получения наглядных кривых. Соответствующие значения для промежуточных расстояний можно получить методом интерполяции, например, при отсутствии возможности проведения нужного количества реальных измерений. Так, например, ОСШ-отношение можно рассматривать в виде диагностики качества измерения, в какой-то степени эквивалентного отношению сигнал-шум, а также можно использовать в контексте настоящего изобретения для определения облачности.
На чертеже хорошо видно, что значения интенсивности, связанные с короткими расстояниями для кривой 208 "близкий лед", и значения интенсивности, связанные с длинными расстояниями для кривой 206 "дальний лед", существенно превышают значения интенсивности для соответствующих расстояний в случае "отсутствия льда", показанном кривой 204, или базовые (пороговые) значения, показанные кривой 210. Базовые значения 210 можно определить теоретически и/или эмпирически, чтобы выполнить условия, которые служат в качестве используемых пороговых значений для принятия решений. Несколько выбранных свойств кривой (например, форма, размер и т.п.) могут быть использованы для определения ряда требуемых параметров или показателей.
Используемые пороговые значения для интенсивности и температуры могут быть скорректированы в зависимости от конкретного участка применения.
Логическая часть способа может быть приведена в исполнение при помощи программного кода, который может содержаться на носителе информации, в частности, на оптическом диске или на карте памяти. Для измерения температуры можно использовать внешние датчики или датчики, встроенные в лидар. Такой вариант способа можно использовать как в целях оценки (возникновение условий обледенения), так и для системы управления (система предотвращения обледенения).
На фигуре 3 в качестве примера показана блок-схема одного из вариантов способа по настоящему изобретению.
На этапе 302 получают и конфигурируют систему, предназначенную для осуществления заявленного способа, например, путем установки и реализации аппаратного и/или программного обеспечения. В местах применения может быть установлено новое аппаратное и/или программное обеспечение и/или в соответствии с принципами, изложенными, в данном описании, можно сконфигурировать или специально настроить уже имеющееся, доступное на рынке устройство, в частности, лидар, устанавливаемый на ветряной турбине. При этом могут быть установлены параметры функционирования, в частности, параметры излучения и приема лидара (длина волны луча, длительность импульса, энергия импульса, диаметр импульса, фокальные точки (расстояния) и/или время накопления) и/или параметры датчика (например, настройки датчика температуры).
На этапе 304 лидар применяют для испускания электромагнитного излучения, т.е. света (видимого или невидимого) в атмосферу, и приема сигнала, обратнорассеянного от атмосферы.
На этапе 306 обратнорассеянный принятый сигнал может быть подвергнут анализу, чтоб получить по меньшей мере одну величину, в частности, ряд параметров, показывающих интенсивность обратнорассеянного сигнала, в частности, ОСШ-отношение. При этом ОСШ-отношение и/или другие параметры могут быть определены для некоторого числа предварительно выбранных расстояний (например, расстояний, для которых имеются соответствующие базовые значения), а лидар может быть конфигурирован соответствующим образом, чтобы обеспечить получение требуемых результатов измерений. В альтернативном случае некоторое число расстояний, представляющих интерес (например, расстояния, которые, как можно предположить по получению обратнорассеянных сигналов, связаны с аэрозолем, в частности, с облаком, вызывающим обратное рассеяние), могут быть динамически определены, например, при помощи импульсного лидара и, предпочтительно, по существу непрерывных базовых значений.
На этапе 308 по меньшей мере одно значение, в частности, параметра ОСШ-отношение, сравнивают с базовым значением 320, которое может быть заранее сохранено в исполнительной системе и которое может более или менее часто обновляться. В альтернативном случае базовое значение может быть получено от внешнего источника, в частности, от управляющего устройства.
На этапе 310 производят определение потенциала 324 обледенения на основании указания интенсивности сигнала и базового значения (т.е. результата сравнения) и значения температуры 322. Значение температуры можно сравнивать, например, с заданной базовой (пороговой) величиной температуры. Значение температуры можно получить на основе достоверного измерения или по меньшей мере примерной оценки температуры на нескольких расстояниях, или оно может быть представлено значением температуры, полученным при помощи некоторого датчика, имеющего не оптимальное местоположение, которое все-таки предпочтительно находится в максимально возможной близости к месту, представляющему интерес (на указанных нескольких расстояниях). В некоторых вариантах осуществления, например, только башня ветряной турбины, лопасть или, например, обтекатель могут быть оснащены датчиком температуры, выходной сигнал которого может быть использован непосредственно и/или в качестве источника оценки температуры на нескольких расстояниях при помощи использования нескольких методов, в частности, экстраполяции и/или интерполяции. Величина потенциала обледенения может быть передана во внешний блок и/или использована для запуска внутренней операции в системе, в частности, операции размораживания или антиобледенения. Эта величина может быть сохранена в журнале регистрации данных, возможно, вместе с другими данными, в частности, со значениями температуры и/или другого параметра, например, ОСШ-отношения.
На этапе 312 этот способ заканчивают. Во многих практических сценариях выполнение различных этапов способа могут повторять, и даже возможно их параллельное выполнение. Процесс выполнения может быть по существу непрерывным. Так, например, лидар может получать новые результаты, в то время как процессорный модуль определяет потенциал обледенения, используя уже полученные данные.
Взаимное расположение и общее присутствие этапов в описанных выше блок-схемах способа может быть изменено специалистом данной области техники на основе требований, устанавливаемых каждым конкретным сценарием использования.
Вследствие этого специалист данной области техники на основе настоящего описания и общих знаний может применять представленные положения для того, чтобы использовать объем настоящего изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения, в каждом конкретном случае применения с необходимыми видоизменениями, исключениями и добавлениями, если таковые потребуются.
Так, например, если лидар для передачи электромагнитного излучения в атмосферу и приема обратнорассеянной части уже входит в комплект соответствующего оборудования, в частности, ветряной турбины, его можно использовать вместе с другими, по меньшей мере функционально подсоединенными необходимыми компонентами, в частности, с блоком обработки данных, блоком передачи данных и/или датчиками, для некоторого варианта системы по настоящему изобретению. В некоторых вариантах осуществления имеющийся лидар может быть просто переконфигурирован, т.е. перепрограммирован для использования также, например, в качестве блока обработки данных, при этом в него могут быть встроены даже различные интерфейсы передачи данных, в частности, приемопередатчики и/или сенсорные интерфейсы.
1. Система (121), в частности, из одного или более устройств, предназначенная для определения атмосферных условий обледенения, отличающаяся тем, что содержит блок (134) антиобледенения или размораживания, в частности нагревательный элемент или нагревательную систему, выполненный с возможностью быть запущенным для выполнения операции антиобледенения или размораживания в ответ на определение порогового значения потенциала обледенения заранее до фактического обледенения соответствующего элемента в месте его расположения, причем система содержит:
допплеровский гетеродинный лидар (прибор светового обнаружения и определения дальности) (108а, 108b, 108), в частности импульсный лидар, выполненный с возможностью испускания электромагнитного излучения в атмосферу по меньшей мере в одном направлении и с возможностью приема излучения, обратнорассеянного от аэрозоля, в частности, от облака, присутствующего в атмосфере,
и блок (122) обработки данных, выполненный с возможностью получения (126) по меньшей мере одного указания интенсивности сигнала, в частности ОСШ-отношения (отношение сигнал-шум на несущей частоте) или другого индикативного параметра, на основе принятого обратнорассеянного сигнала для некоторого числа расстояний, в частности, высот над заданным базовым уровнем, в частности над местоположением лидара,
а кроме того, выполненный с возможностью сравнения (128) указанного по меньшей мере одного указания интенсивности сигнала, по меньшей мере указанного ОСШ-отношения, с по меньшей мере одним заданным базовым значением для того, чтобы получить величину вероятности присутствия облака на указанном некотором числе расстояний,
и с возможностью определения величины (130) потенциала обледенения на указанном числе расстояний на основе указанного сравнения и значения температуры на указанном числе расстояний.
2. Система по п. 1, выполненная также с возможностью измерения скорости ветра.
3. Система по п. 1, в которой указанное по меньшей мере одно базовое значение соответствует по существу ясному или облачному состоянию.
4. Система по п. 1, выполненная также с возможностью определения характеристик потенциала обледенения.
5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что характеристику потенциала обледенения определяют путем оценивания размера капель или влагосодержания.
6. Система по п. 1, выполненная также с возможностью определения условий выпадения осадков.
7. Система по п. 1, выполненная также с возможностью запуска операции антиобледенения или размораживания в ответ на указанное определение порогового значения потенциала обледенения.
8. Система по п. 1, содержащая блок (136) измерения температуры.
9. Система по п. 1, выполненная также с возможностью определения потенциала обледенения, более высокого, чем при ряде других условий, когда указанное по меньшей мере одно значение интенсивности сигнала предполагает состояние облачности согласно проведенному сравнению, а температура является более низкой, чем заданная температура, возможно, в частности, когда температура находится в заданном диапазоне, ограниченном нижним пределом температуры и верхним пределом температуры.
10. Система по п. 1, выполненная также с возможностью адаптации указанного базового значения на основе результатов измерений, полученных лидаром.
11. Система (101), содержащая по меньшей мере одну ветряную турбину (102) и систему (121) по любому из предшествующих пунктов, а также по меньшей мере одно из следующего: станцию дистанционного мониторинга, станцию дистанционного управления; причем система (101) содержит ветряную электростанцию с по меньшей мере одной ветряной турбиной, находящейся под управлением по меньшей мере одной из указанных станций дистанционного мониторинга и дистанционного управления.
12. Ветряная турбина, содержащая систему по любому из пп. 1-10.
13. Способ определения атмосферных условий обледенения, отличающийся тем, что, до фактического обледенения соответствующего элемента содержит следующие шаги для прогнозирования:
- испускание (304) допплеровским гетеродинным лидаром (прибором светового обнаружения и определения дальности), в частности допплеровским лидаром, электромагнитного излучения в атмосферу по меньшей мере в одном направлении и прием излучения, обратнорассеянного от аэрозоля, в частности, от облака, присутствующего в атмосфере,
- получение (306) по меньшей мере одного указания интенсивности сигнала, в частности, ОСШ-отношения (отношение сигнал-шум на несущей частоте) или другого индикативного параметра, на основе полученного обратнорассеянного сигнала для одного или более расстояний, в частности высот над заданным базовым уровнем, в частности над местоположением лидара,
- сравнение (308) указанного по меньшей мере одного указания интенсивности сигнала, по меньшей мере указанного ОСШ-отношения, с по меньшей мере одним заданным базовым значением для того, чтобы получить величину вероятности присутствия облака на указанном одном или более расстояниях, и
- определение (310) величины потенциала обледенения на указанном числе расстояний на основе указанного сравнения и величины температуры на указанном одном или более расстояниях,
причем способ содержит, на основании определения порогового значения потенциала обледенения, запуск, в ответ на определение величины потенциала обледенения на указанном числе расстояний и величины температуры на соответствующих расстояниях, блока антиобледенения или размораживания, в частности, нагревательного элемента или нагревательной системы, выполненного с возможностью быть запущенным для выполнения операции антиобледенения или размораживания до фактического обледенения соответствующего элемента в месте его расположения.
14. Способ по п. 13, в котором потенциал обледенения считают повышенным в сравнении с пороговым значением потенциала обледенения, когда
- величина вероятности присутствия облака по существу предполагает облачные условия, и
- указанная температура соответствует заданному второму критерию, в частности, находится в заданном диапазоне или лежит ниже заданного порогового значения.
15. Носитель информации, выполненный с возможностью хранения компьютерной программы, содержащей код, который при запуске его на компьютере обеспечивает выполнение способа по любому из пп. 13 или 14.
