用于测试风力涡轮机叶片的数据采集系统和数据采集方法与流程

本发明涉及用于风力涡轮机叶片的性能评估的测试，且更具体地涉及一种分布式数据采集系统，其中，缩短了附贴至大型叶片的传感器的信号线(电缆)以防止采集的数据中包含噪声，并且使检测数据保持时间同步。并且，本发明还涉及一种能够安全地采集并存储数据的数据采集方法。

背景技术：

在风力涡轮机系统中，转子叶片是将风能转换成机械能的最重要部件，并且转子叶片越来越大并高达数MW的规模，以通过扩容离岸风力发电来提高发电效率。

图1是示出风力涡轮机叶片的普通断面结构的示图。构成转子叶片的叶片10具有包括前缘10a和后缘10b的翼片形状(air-foil shape)，并且具有由外壳6中的多个主梁2和多个抗剪腹板4构成的箱形梁式支撑结构，以承受高的弯曲负荷和离心力。

叶片的设计必须考虑操作时被施加的各种载荷条件，并且也需要确保实际性能满足所要求的标准。特别地，必须证明在所设计的20年以上的使用寿命期间，叶片能够承受极限载荷和疲劳载荷，并且为此，叶片需要通过由国际认证执行的测试。

图2是示出静态测试的示例的示意图，并且图3是示出疲劳测试的示例的示意图。可以将叶片的测试分类为静态测试和疲劳测试。

静态测试用于证明叶片的强度和刚度能够充分地承受所设计的载荷。如图2所示，在静态测试中，叶片10的根部14固定至固定底座20，且至少一个鞍座30安装在叶片10上。将由至少一个测力元件40测量的静态载荷施加至叶片10，以获取最大位移和极限载荷。在这种情况下，使用大量的附贴在叶片10的主载荷路径(main load path)中的应变仪(未示出)来测量叶片10的应变状态和应力状态，由此验证叶片的结构设计和分析结果。

疲劳测试用于证明叶片在所设计的使用寿命期间在重复载荷作用下能够保持强度和刚度。如图3所示，在疲劳测试中，可以设置至少一个用于向叶片10施加连续的操作载荷的结构，这种结构装配有至少一个用于使质量块52上下移动的液压致动器50。同样，在疲劳测试中，使用由大量的附贴在叶片10的表面上的应变仪(未示出)采集的数据来测量叶片10的应变状态和应力状态。

图4是说明根据现有技术的用于测试风力涡轮机叶片的数据采集系统的问题的示意图。如图4所示，在现有的数据采集系统中，大量的应变仪110附贴在叶片10的表面上，以测量作用于叶片10上的应变和应力。沿叶片10的一个方向引出作为应变仪100的信号线的电缆C，并且这些电缆连接至具有一定数量的通道的数据采集装置(DAQ)200。使用胶带等将电缆C固定至叶片表面的方式防止因电缆C的摆动而对测试造成干扰，电缆C的摆动取决于叶片的振幅。

如图4所示，根据现有技术的数据采集系统具有将由大量的应变仪110测量的数据集中地收集在单个数据采集装置200中的结构。也就是说，在现有的测试系统中，电缆C(即，应变仪110的信号线)会变长。特别地，随着叶片的长度增加至约60m以上，电缆的长度会更多地增加。在这种情况下，布置在叶片10的前端部分邻近处的应变仪的电缆变得长于叶片10的长度。也就是说，在根据现有技术的数据采集系统的结构中，传感器的电缆的长度增加了约10m至100m以上。

同时，从应变仪110输出的信号是以mV为单位的微小模拟信号。当连接这些应变仪的电缆的长度增加时，会存在模拟信号很容易包含噪声的问题。也就是说，由数据采集装置200采集的数据具有低信噪比，从而导致测试的可靠性明显降低。在严重的情况下，难以识别通过显示器输出的数据值是信号还是噪声。

此外，由于在大型叶片上安装有约大于100个应变仪110，因此随着因复杂地布置在叶片10的表面上的一定数量的电缆C而出现信号干扰，导致信噪比进一步降低的问题。

[现有技术文献]

[专利文献]

(专利文献1)韩国专利申请公开号2011-0078999

(专利文献2)韩国专利申请公开号2013-0087920

技术实现要素：

技术问题

为了解决现有技术的上述问题而提出本发明，并且本发明的目的在于提供一种用于测试风力涡轮机叶片的数据采集系统和数据采集方法，通过避免由传感器采集的数据中包含噪声，该系统和方法可以提高测试结果的可靠性。

本发明的另一个目的在于提供一种数据采集系统和数据采集方法，该系统和方法可以解决因数据采集装置的分布式布置造成的检测数据的时间信息不一致而无法比较数据的问题。

本发明的另外一个目的在于提供一种数据采集系统和数据采集方法，当在测试时损坏叶片时，该系统和方法可以防止所存储的检测数据消失。

技术方案

为了实现如上所述本发明的目的，至少两个分布式数据采集装置(200)，所述分布式数据采集装置分布地布置在所述风力涡轮机叶片(10)上；以及至少两个传感器，所述传感器分布地布置在所述叶片的表面上或所述叶片的内部，并且使用信号接线连接至邻近的所述分布式采集装置。

另外，优选地，所述数据采集系统还包括：数据存储装置(300)，所述数据存储装置存储由所述分布式数据采集装置(200)采集的检测数据。

另外，优选地，所述数据采集系统还包括：数据集线器(400)，所述数据集线器采集从所述分布式数据采集装置(200)采集的数据。

另外，优选地，所述数据集线器(400)并联地连接至所述分布式数据采集装置(200)。

另外，优选地，所述数据集线器(400)串联地连接至所述分布式数据采集装置(200)。

另外，优选地，所述数据采集系统还包括：数据存储装置(300)，所述数据存储装置存储从所述数据集线器(400)采集的数据。

另外，优选地，所述分布式数据采集装置(200)通过各高速串行接口彼此串联地连接。

另外，优选地，所述数据存储装置(200)和所述数据集线器(400)通过有线或无线通信网络进行通信。

另外，每个所述分布式数据采集装置(200)包括A/D转换器、放大器和噪声滤波器。

另外，优选地，所述数据集线器(400)使用来自所述分布式数据采集装置(200)的数字数据。

另外，所述数据集线器固定地附贴至所述叶片的一个表面或布置在所述叶片的外部。

上述本发明的目的可以通过用于测试风力涡轮机叶片的数据采集方法来实现，该方法包括：将一定数量的传感器分布地布置在叶片的表面或内部，将至少两个分布式数据采集装置(DAQ)分布地布置在所述叶片上，并使用信号接线将所述传感器连接至邻近的所述分布式采集装置；对所述叶片执行测试；并且通过所述分布式数据采集装置采集由所述传感器检测的数据。

另外，本发明的数据采集方法还可以包括：在布置所述分布式数据采集装置的步骤之后，将数据集线器连接至所述分布式数据采集装置，其中，所述分布式数据采集装置与所述数据集线器的连接是并联连接、串联连接或者并联连接和串联连接的组合。

另外，本发明的数据采集方法可以还包括：在将所述数据集线器连接至所述分布式数据采集装置的步骤之后，将所述分布式数据采集装置设定成使得由所述传感器检测的数据保持时间同步并被采集。

另外，优选地，通过所述分布式数据采集装置采集所述数据的步骤包括通过所述分布式数据采集装置将检测的所述数据转换成数字信号。

有益效果

在根据本发明的优选实施例的数据采集系统中，分布式数据采集装置连接至布置在叶片的预定区域中的传感器，并且分布地采集检测数据。也就是说，由于一定数量的分布式数据采集装置分布地布置在叶片的表面上，因此可以缩短传感器的信号线(电缆)，从而能够避免从传感器输出的模拟信号中包含噪声。因此，通过分布式数据采集装置采集的数据具有高的信噪比，因此大幅提高了测试结果的可靠性。此外，在本发明的测试系统中，通过简化电缆的构造，能够进一步减少因信号干扰而导致的噪声的发生。

另外，根据本发明的数据采集系统能够使通过分布式数据采集装置采集的检测数据保持时间同步，并且将这些数据传输至外部数据存储装置。这能够解决通常由数据采集装置的分布式布置造成的检测数据的时间信息不一致的问题。根据本发明的数据采集系统包括与一定数量的分布式数据采集装置并联或串联连接的数据集线器，从而能够实现有效的数据传输。

此外，在根据本发明的数据采集系统中，数据存储装置布置在叶片外部并与叶片间隔开，并从而能够防止因在测试过程中叶片的损坏而导致的数据消失或丢失。

根据附图、以下详细说明和优选实施例，将更清晰地理解本发明的其它目的、具体优点和新特点。

附图说明

图1是示出风力涡轮机叶片的普通断面结构的示图。

图2是示出静态测试的示例的示意图。

图3是示出疲劳测试的示例的示意图。

图4是说明根据现有技术的用于测试风力涡轮机叶片的数据采集系统的问题的示意图。

图5是示出根据本发明的数据采集系统的示例的构造图。

图6是用于说明传感器的布置的叶片的断面图。

图7是示意地示出根据本发明的第一实施例的数据采集系统的构造图。

图8是示出在根据第一实施例的测试系统中的使检测数据保持时间同步的数据采集装置和数据集线器的连接状态的框图。

图9是示意地示出根据本发明的第二实施例的数据采集系统的构造图。

图10是示出在根据第二实施例的测试系统中的使检测数据保持时间同步的构造的示例的框图。

图11是示出在根据第二实施例的变形例的使检测数据保持时间同步的构造的框图。

图12是示出根据本发明的用于测试风力涡轮机叶片的数据采集方法的流程图。

图13是示出通过根据现有技术的集中式数据采集装置获得的检测数据的曲线图。

图14是示出通过根据本发明的分布式数据采集装置获得的检测数据的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图对本发明的优选实施例进行说明。

应当理解，对于与本发明相关的已知的功能或结构，将不给出详细说明，以免不必要地模糊本发明的要旨。此外，在指定参考数字和符号时，即使在其它附图中示出相同的参考数字和标记，相同的参考数字和标记仍用于表示相同的构成要素。

(用于测试风力涡轮机叶片的数据采集系统)

首先，将参照图5至图12对根据本发明的数据采集系统进行说明。

图5是示出根据本发明的数据采集系统的示例的构造图，并且图6是叶片的断面图以用于说明传感器的布置。处于用于风力涡轮机叶片的性能评估而执行的静态测试和疲劳测试的目的，提供了根据本发明的数据采集系统。数据采集系统可以有效地应用于数MW级别的大型叶片的测试，但是应当注意该数据采集系统也能够应用于1MV以下级别的中型或小型叶片的测试。

如图5所示，根据本发明的实施例的数据采集系统包括叶片10、传感器110、120和130、分布式数据采集装置200以及数据集线器400。

叶片10的根部14固定至固定底座(未示出)，以进行测试。

传感器110、120和130分布地布置在叶片10的表面上或叶片的内部，并且具有将在对叶片10施加测试载荷时产生的诸如应变、加速度和位移等物理参数转换成电信号并接着输出这些电信号的作用。图5中的实施例示出设置应变仪110和120以及加速度计130的情形，并且也可以设置诸如位移计(未示出)等各种传感器。

在叶片10的表面上，从叶片10的根部14的端部朝向前端部分12可布置有多个行的应变仪110。根据本实施例，总共布置十行的应变仪110。在这种情况下，布置在各行中的应变仪110以平行于叶片10的线方向(cord direction)的方式设置，且相对于根部14的端部具有预定距离。

如图6所示，布置在每行中的四个应变仪110分别附贴至叶片10的前缘10a、后缘10b、上表面以及下表面。因此，本实施例示出将总共80个应变仪110附贴至叶片10的表面的情形。显然地，例如，根据叶片10的大小和结构，应变仪110的数量和附贴位置可以发生变化。

上述应变仪110为单轴应变仪且沿叶片10的纵向方向布置。单轴应变仪110检测在叶片的表面上产生的微小的拉伸或压缩应变，并接着输出模拟电信号。通过分析检测数据，可测量叶片10的表面的应力状态。

根据本实施例，叶片10的根部14的抗剪腹板装配有两个多轴应变仪120。也就是说，如果需要静态测试或疲劳测试，那么可以在叶片10的特定位置处设置双轴剪切应变仪或三轴玫瑰瓣状应变仪(triaxial rosette gauge)，并从而能够测量复杂地施加至叶片10的应力状态。

如图5所示，加速度计130可以布置在沿叶片10的俯仰轴线(pitch axis)的线条中。根据本实施例，总共五个加速度计130可以附贴至叶片10的表面或内部。因此，当施加测试载荷时，可以检测基于叶片10的纵向位置的加速度数据。

至少两个分布式数据采集装置(DAQ)200分布地布置在叶片10上，并具有从设置在其邻近的传感器110、120和130采集检测数据的作用。优选地，分布式数据采集装置200设置有AD转换器，以将采集的模拟信号转换成数字信号。分布式数据采集装置200可以设置有用于放大微弱模拟信号的放大器(Amp)以及仅允许具有预定频带的信号从中通过的滤波器。

根据本实施例，如图5所示，分布式数据采集装置200为箱式模块，且总共七个数据采集装置200固定地附贴至叶片10的一个表面。这里，使用双面胶、粘合剂、魔术贴(Velcro tape)等将数据采集装置200牢固地固定，以防止在测试期间数据采集装置200因叶片10的振幅而脱离。在完成测试时，将数据采集装置200从叶片10脱离，并将其收拢。

在本实施例中，五个分布式数据采集装置200中的每者具有八个通道，且这些通道连接到布置在叶片10的表面上的两行的单轴应变仪110。一个分布式数据采集装置200具有两个通道，且这些通道连接到设置在根部14上的多轴应变仪120连。其它分布式数据采集装置200具有五个通道，这些通道连接到沿叶片10的俯仰轴线布置的加速度计130。

分布式数据采集装置200从设置在叶片10上的一定数量的传感器110、120和130分布地采集检测数据。在这种情况下，由于数据采集装置200设置成相邻于布置在叶片10的预定区域中的传感器，因此可以缩短作为传感器110、120和130的信号线的电缆的长度。例如，当大型叶片具有60m以上的长度时，电缆可以具有约1m至10m的长度。

同时，取决于叶片10的大小以及附贴的传感器的数量，分布式数据采集装置200中的每者可以具有2至20个通道，并且待安装的数据采集装置200的数量可处于2至100的范围内。

图7是示意地示出根据本发明的第一实施例的数据采集系统的构造图。如图7所示，根据本发明的数据采集系统可以还包括数据存储装置300和数据集线器400。

数据存储装置300具有从分布式数据采集装置200接收并存储检测数据的功能。优选地，数据存储装置300布置成相对于叶片10具有特定距离。这是因为如果数据存储装置300布置在叶片10的表面上，那么存储数据可能因在测试期间叶片10被损坏或掉落时的冲击而消失或丢失。

数据集线器400以有线或无线的方式连接至分布式采集装置200，以将数据传中继至数据存储装置300。根据本实施例，数据集线器400如图7所示地附贴至叶片10的表面上的位置，并且并联连接至分布式数据采集装置200，由此从每个数据采集装置200接收检测数据。

在本实施例中，数据存储装置300通过LAN电缆连接至数据集线器400，以执行以太网通信。然而，也可以应用其它有线或无线通信方法。

虽然数据集线器400设置在叶片10的中心部分处并连接至分布式数据采集装置200，但是数据集线器400可以设置在叶片10的外部。这是因为从分布式采集装置200输出的数据为数字信号，从而即使当用于将分布式数据采集装置200连接至数据集线器400的电缆的长度增加时，检测数据中也不会包含噪声。

图8是示出在根据上述第一实施例的测试系统中的使检测数据保持时间同步的数据采集装置与数据集线器的连接状态的框图。参照图8，一定数量的数据采集装置200并联连接到数据集线器400。由于从数据采集装置200传输的检测数据在时间信息方面彼此不同，因此需要使检测数据保持时间同步，以便对检测数据进行分析。

为此，在本发明的第一实施例中，如图8所示，可以设置诸如用于分别地连接分布式数据采集装置200的火线等高速串行接口。也就是说，在将分布式数据采集装置200安装在叶片上之后，将通过高速串行接口连接的数据采集装置200设定成使得检测数据保持时间同步并被采集。数据采集装置200使由传感器110、120和130通过高速串行接口检测的数据保持同步并被采集，并且在数据集线器400处收集这些数据。

作为另一个实施例，可以提供如下构造：虽然没有分别地连接分布式数据采集装置200，但可以使用通过并联连接线(PL：parallel connection line)进行的数据传输来实现时间同步。例如，可通过并联连接线(PL)进行LAN或控制器局域网(CAN：controller area network)通信，或者可以设置高速串行接口。

图9是示意地示出根据本发明的第二实施例的数据采集系统的构造图。在根据本发明的数据采集系统中，如图8所示，分布式数据采集装置200可以串联连接。

根据本实施例，由于分布式数据采集装置200串联连接，因此沿一个方向传输由每个数据采集装置200采集的检测数据，并经由数据集线器400将这些数据存储在数据存储装置300中。

在这种情况下，如图9所示，数据集线器400可以设置在叶片10的边缘处。替代地，数据集线器400可以布置在叶片的外部。

图10是示出在根据上述第二实施例的测试系统中的使检测数据保持时间同步的数据采集装置与数据集线器的连接状态的框图。根据本实施例，数据集线器400与一定数量的数据采集装置200串联连接。

串行连接线(SL：serial connection line)可以被构造成执行CAN通信，或者可以设置有诸如火线等高速串行接口。也就是说，通过单个串行连接线可以进行数据传输和时间同步。

图11是示出在根据本发明的第三实施例的测试系统中的使检测数据保持时间同步的数据采集装置与数据集线器的连接状态的框图。根据本实施例，数据集线器400具有并联连接至分别由数据采集装置(DAQ)的串行连接形成的组200a、200b和200c的结构。也就是说，这是一个组合结构，在该组合结构中，一定数量的串行连接线SL1、SL2和SL3并联连接。

串行连接线SL1，SL2和SL3中的每者可以被构造成执行CAN通信，或者每者可以设置有高速串行接口。从而，通过分布式数据采集装置(DAQ)可以使由传感器(未示出)检测数据保持时间同步并采集这些数据。

用于测试风力涡轮机叶片的数据采集方法

在下文中，将参照图12对根据本发明的实施例的用于测试风力涡轮机叶片的数据采集方法进行说明，这里，也会参照图5至图11进行说明。

图12是示出根据本发明的用于测试风力涡轮机叶片的数据采集方法的流程图。

根据本发明的数据采集方法首先根据静态测试或疲劳测试将一定数量的传感器110、120和130分布地布置在作用于叶片10上的主载荷路径上(S100)。在这种情况下，传感器可以为应变仪110、应变仪120、加速度计130和位移计等，并且附贴和安装至叶片10的表面或内部。

此后，将两个以上的分布式数据采集装置200布置在叶片10的表面上，并且将位于该布置区域中的传感器110、120和130的信号线(电缆)连接至数据采集装置200(S200)。在这种情况下，布置在每个区域中的传感器110、120和130的数量可以为2至20，并且可以布置2至100个数据采集装置200。

另外，优选地，分布式数据采集装置200固定地附贴至叶片10的一个表面，以相邻于该区域中的传感器。因此，根据本发明的信号线(电缆)的长度可以减低至10m以下。

接着，将数据集线器400设置在叶片10的一个表面上或外部，并通过有线或无线通信网络将其连接至分布式数据采集装置200(S300)。连接方法可以为并联连接方法或串联连接方法，并且也可能为并联连接和串联连接的组合。

另外，可以在叶片10的外部布置与数据集线器400以有线方式或无线方式通信的数据存储装置300。

然后，将分布式数据采集装置200设定成使得由传感器110、120和130检测的数据保持时间同步并被采集(S400)。用于连接数据采集装置200的线(PL和SL)被构造成执行CAN通信，或者可以设置有诸如火线等高速串行接口，从而可以同时实现数据传输和时间同步。

接着，将根据静态测试或疲劳测试规定的测试载荷施加至叶片10(S500)。通过单独地设置的测压元件(未示出)来测量测试载荷。

最后，设置在叶片10上的传感器110、120和130将诸如应变、加速度和位移等物理参数转换成电信号并输出该电信号，并接着通过分布式数据采集装置200采集输出数据(S600)。由数据采集装置200采集的数据保持时间同步，并通过内置AD转换器将这些数据转换成数字信号。经由数据集线器400将采集的数据存储在数据存储装置300中。

使用存储在数据存储装置300中的保持时间同步的检测数据执行叶片10的性能评估。例如，检测数据被传输至包含用于分析检测数据的预定测试程序的个人计算机(PC)，从而可以根据静态测试或疲劳测试执行叶片的性能评估。

(比较示例)

图13是示出通过根据现有技术的集中式数据采集装置获得的检测数据的曲线图，且图14是示出通过根据本发明的分布式数据采集装置获得的检测数据的曲线图。

图13的(a)示出在背景技术中说明的通过集中式数据采集装置采集的检测数据的输出，并且显示出应变(μm/m)随时间(s)的变化。通过附贴至叶片的上表面的应变仪(压力)和附贴至叶片的下表面的应变仪(吸力)来测量检测数据，这些应变仪相对于叶片的根部端部具有21m的距离。

图14的(a)示出通过根据本发明的分布式数据采集装置采集的检测数据的输出。通过相对于根部端部具有22.8m的距离的应变仪(SS和PS)来测量检测数据。

如从图13的(b)可以看出，在集中式数据采集装置中，检测数据的应变误差很高，即，10μm/m以上。这是因为连接应变仪和数据采集装置的电缆的长度很长，因此在检测的模拟信号中包含有噪声。

然而，如从图14的(b)可以看出，在分布式数据采集装置中，检测数据的应变误差很小，即，甚至1μm/m。这是因为一定数量的数据采集装置分布地布置在叶片上，从而缩短了连接至传感器的电缆，由此避免了信号中包含噪声。也就是说，通过本发明的分布式数据采集装置采集的数据具有高的信噪比，由此显著地提高了测试结果的可靠性。

如上所述，虽然通过有限的实施例和附图对本发明进行了说明，但是对于本发明所属领域的技术人员来说明显的是，本发明不局限于此，并且在本发明的技术思想和下面提出的权利要求的等同范围内可以进行各种变化和变形。