專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機組的電容式風(fēng)速風(fēng)向儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)速風(fēng)向儀。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電機組是把空氣的動能轉(zhuǎn)化為電能的一種機器。大型風(fēng)力發(fā)電機組目前 均具備偏航及變槳功能，風(fēng)速風(fēng)向儀是采集風(fēng)速及風(fēng)向等信息的儀器，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速 風(fēng)向儀采集到的信號進行判斷，控制偏航驅(qū)動及變槳驅(qū)動分別將機艙和槳葉轉(zhuǎn)動到合適位置。當(dāng)風(fēng)速達到一定數(shù)值后，控制系統(tǒng)發(fā)出起動信號，風(fēng)機處于發(fā)電狀態(tài)。若風(fēng)速超出 風(fēng)機正常工作范圍，則控制系統(tǒng)發(fā)出停機信號，風(fēng)機處于空轉(zhuǎn)或靜止?fàn)顟B(tài)。由于風(fēng)向的變化 性，控制系統(tǒng)會根據(jù)傳送過來的風(fēng)速信號進行偏航，實現(xiàn)風(fēng)輪的準確對風(fēng)。風(fēng)速風(fēng)向儀是風(fēng) 力發(fā)電機組中的小而重要的部件。風(fēng)速風(fēng)向儀的總體種類可分為機械式和超聲波式。機械式風(fēng)速風(fēng)向儀的風(fēng)速儀 與風(fēng)向儀是兩者分離的，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉是其最大優(yōu)點。最大缺點是有機械旋轉(zhuǎn)件，存 在磨損損耗，易被風(fēng)沙侵蝕，易受冰凍、雨雪等干擾，需定期維護。超聲波式風(fēng)速風(fēng)向儀的最 大優(yōu)點是無機械式的摩擦損耗帶來的一系列缺點。但與生俱來的缺點是尺寸大、不易加熱、 易結(jié)冰，同時易受雨、雪、雹、霜、霧、沙塵等障礙物影響。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)速風(fēng)向儀的可靠性差、精度低、安裝不方便的 不足，本實用新型提供一種可靠性良好、精度高和安裝方便的風(fēng)力發(fā)電機組的電容式風(fēng)速 風(fēng)向儀。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種風(fēng)力發(fā)電機組的電容式風(fēng)速風(fēng)向儀，包括支架、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、信號預(yù)處理 電路和風(fēng)速風(fēng)向測量器，所述風(fēng)速風(fēng)向傳感器包括四個相互正交的電容器，所述電容器包 括支撐體、弓丨出電極、固定極板和用以當(dāng)受到風(fēng)的壓力方向會產(chǎn)生彎曲和形變的可動極板， 所述固定極板和可動極板正對，所述可動極板和固定極板均安裝在所述支撐體上，所述支 撐體安裝在支架上，四個電容器均與信號預(yù)處理電路連接，所述信號預(yù)處理電路與所述風(fēng) 速風(fēng)向測量器連接，所述風(fēng)速風(fēng)向測量器包括用以測量四個電容器輸出的電容值得到東西 和南北兩個方向的風(fēng)速，并將兩個方向的風(fēng)速合成得實際風(fēng)速的大小和方向的智能測量模 塊。進一步，所述支架安裝在導(dǎo)流罩上。本實用新型的技術(shù)構(gòu)思為用電測法測量非電學(xué)量時，必須將電容變換器為無源 變換器，需要將所測力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。傳感器包括四個相互正 交的電容器，每個電容器均由可動極板、固定極板、支撐體和引出電極構(gòu)成?？蓜訕O板、固定 極板和支撐體為MEMS體Micro Electro Mechanical Systems)硅工藝制作的微結(jié)構(gòu)，可動極板和固定極板構(gòu)成電容器的兩個電極，可動極板懸空于玻璃襯底上表面，是電容器的敏 感結(jié)構(gòu)。支撐體和固定極板固置于玻璃襯底的上表面，支撐體為可動極板提供固定支撐并 和引出電極相連接，玻璃襯底為整個傳感器的支撐結(jié)構(gòu)。相對于其它類型傳感器，電容傳感 器具有以下優(yōu)點a)測量范圍大其相對變化率可超過100% ；b)靈敏度高相對變化量可達7 10數(shù)量級；c)動態(tài)響應(yīng)快可動質(zhì)量小，固有頻率高，既適宜動態(tài)測量也可以靜態(tài)測量；d)穩(wěn)定性好極板為金屬材料，極板間襯物為無機材料，可以在高溫、低溫、強磁 場、強輻射下長期工作，尤其是高溫高壓環(huán)境。本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在可靠性良好、精度高和安裝方便。
圖1是電容傳感器的工作原理示意圖。圖2是本實用新型的風(fēng)速風(fēng)向儀的工作原理圖。圖3是本實用新型的風(fēng)速風(fēng)向儀的安裝位置示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。參照圖1 圖3，一種風(fēng)力發(fā)電機組的電容式風(fēng)速風(fēng)向儀，包括支架、風(fēng)速風(fēng)向傳 感器、信號預(yù)處理電路和風(fēng)速風(fēng)向測量器，所述風(fēng)速風(fēng)向傳感器包括四個相互正交的電容 器，所述電容器包括支撐體、引出電極、固定極板和用以當(dāng)受到風(fēng)的壓力方向會產(chǎn)生彎曲和 形變的可動極板1，所述固定極板和可動極板1正對，所述可動極板1和固定極板均安裝在 所述支撐體上，所述支撐體安裝在支架上，四個電容器均與信號預(yù)處理電路連接，所述信號 預(yù)處理電路與所述風(fēng)速風(fēng)向測量器連接，所述風(fēng)速風(fēng)向測量器包括用以測量四個電容器輸 出的電容值得到東西和南北兩個方向的風(fēng)速，并將兩個方向的風(fēng)速合成得實際風(fēng)速的大小 和方向的智能測量模塊。所述支架安裝在導(dǎo)流罩2上。本實施例的新型風(fēng)速風(fēng)向儀由電容傳感器、信號處理電路、CPU和數(shù)據(jù)存儲器等組 成。當(dāng)傳感器位于空氣流場中時，可動極板形成一個阻流體，空氣液體的流動會在阻 流體上產(chǎn)生壓力，而壓力的大小則取決于風(fēng)速的大小和方向?？蓜訕O板沿著壓力的方向會 產(chǎn)生彎曲和形變，彎曲和形變的程度取決于壓力的大小，可動極板的彎曲和形變引起電容 器極板間距的變化，從而引起傳感器輸出電容的變化。當(dāng)有風(fēng)吹過傳感器時，其可以分解 為東西和南北兩個方向，通過測量電容器輸出的電容值可以得到東西和南北兩個方向的風(fēng) 速，將兩個方向的風(fēng)速合成，即可得實際風(fēng)速的大小和方向。平行板電容器的電容為C =孕(1)
O0式中，C為平行板的電容，S為可動極固定極板的相對面積，d0是風(fēng)速為零時極板和固定極板的間距，ε為二極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，在此，極板間的介質(zhì)為空氣<
dF(x) = —CDpu2(x)hcbc (2)……—2 %式中，F(xiàn)(X)為繞流阻力沿可動極板長度方向的分布函數(shù)，Cd是繞流阻力因數(shù)，其數(shù) 值與雷諾數(shù)以及阻流體的形狀有關(guān)，P是空氣的密度，U(X)為風(fēng)速沿可動極板長度方向的 分布函數(shù)，h為可動極板的高度。若W(X)為可動極板沿其長度方向上的撓度分布函數(shù)，可動極板在受到沿其長度 方向分布的繞流阻力F(X)時，由彈性力學(xué)中的懸臂梁的撓度可得
V2dw(x)=——(χ - 3L)dF(x) ( 3 )
6EJ式中，L為可動極板的長度，E為可動極板板材料的楊氏模量，J為可動極板的截面 慣性矩，其大小取決于可動極板的高度和厚度，由(2)、(3)可知，當(dāng)空氣以速度u(X)吹向可 動極板時，可動極板沿其長度方向的撓度分布函數(shù)為w(jc) = ^W2(x)x2(x-3L)dx (4)即二極板間電容的變化由式⑷決定dC (X) = Sh —-— ( 5 )
a0 - w{x)綜合⑷、(5)可得
C = ^f Γ . ^- (6)
d0-j^[u\x)x\x-3L)dx 若認為u(x)在微波區(qū)域內(nèi)為常量時，可以得到風(fēng)速為u時可動極板和固定極板間 的電容，為
C 二 df-- (7)
\-罾 fx2(x-3腳
由(4)得，可動極板因繞流阻力而產(chǎn)生的厚度方向上的撓度為
w(x)=^oPb.^u2(x)x2(x_3L)dx (8) 1可動極板自身的重力G為G= P 板Lhtg(9)可動極板由于策略而產(chǎn)生的高度方向上的撓度為
(ZJγW(X) = -X2O--) (10)
2EJ 3L若南北方向的網(wǎng)速值為Uns，東西方向的風(fēng)速值為uCT，則實際風(fēng)速為u = ^uJ+u J (11)風(fēng)向角度值為^ =+(12)
2Uir
ew[0048]空氣以風(fēng)向角θ在任何流動時，都有兩個正交的電容器來風(fēng)向，并且在這兩個正 交電容器由于可動極板受到繞流阻力作用而使極板間距變小，輸出電容值增大，以此原理 及上式即測得風(fēng)速及風(fēng)速的變化。新型風(fēng)速風(fēng)向儀3安裝在導(dǎo)流罩2頂部，這樣就可從根本上避免因裝在機艙罩頂 部所帶來的風(fēng)速風(fēng)向測量偏差。
權(quán)利要求一種風(fēng)力發(fā)電機組的電容式風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征在于所述電容式風(fēng)速風(fēng)向儀包括支架、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、信號預(yù)處理電路和風(fēng)速風(fēng)向測量器，所述風(fēng)速風(fēng)向傳感器包括四個相互正交的電容器，所述電容器包括支撐體、引出電極、固定極板和用以當(dāng)受到風(fēng)的壓力方向會產(chǎn)生彎曲和形變的可動極板，所述固定極板和可動極板正對，所述可動極板和固定極板均安裝在所述支撐體上，所述支撐體安裝在支架上，四個電容器均與信號預(yù)處理電路連接，所述信號預(yù)處理電路與所述風(fēng)速風(fēng)向測量器連接，所述風(fēng)速風(fēng)向測量器包括用以測量四個電容器輸出的電容值得到東西和南北兩個方向的風(fēng)速，并將兩個方向的風(fēng)速合成得實際風(fēng)速的大小和方向的智能測量模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機組的電容式風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征在于所述支架安 裝在導(dǎo)流罩上。
專利摘要一種風(fēng)力發(fā)電機組的電容式風(fēng)速風(fēng)向儀，包括支架、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、信號預(yù)處理電路和風(fēng)速風(fēng)向測量器，所述風(fēng)速風(fēng)向傳感器包括四個相互正交的電容器，所述電容器包括支撐體、引出電極、固定極板和用以當(dāng)受到風(fēng)的壓力方向會產(chǎn)生彎曲和形變的可動極板，所述固定極板和可動極板正對，所述可動極板和固定極板均安裝在所述支撐體上，所述支撐體安裝在支架上，四個電容器均與信號預(yù)處理電路連接，所述信號預(yù)處理電路與所述風(fēng)速風(fēng)向測量器連接，所述風(fēng)速風(fēng)向測量器包括用以測量四個電容器輸出的電容值得到東西和南北兩個方向的風(fēng)速，并將兩個方向的風(fēng)速合成得實際風(fēng)速的大小和方向的智能測量模塊。本實用新型可靠性良好、精度高和安裝方便。
文檔編號G01P13/02GK201697932SQ200920200390
公開日2011年1月5日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者韓二鋒 申請人:浙江運達風(fēng)力發(fā)電工程有限公司