一種空氣密度檢測裝置和空氣密度檢測方法
2023-10-04 08:07:34 1
專利名稱：一種空氣密度檢測裝置和空氣密度檢測方法
技術領域：
本發明屬於風能設備領域，尤其涉及一種空氣密度檢測裝置和空氣密度檢測方 法。
背景技術：
風能是一種清潔的可再生資源，作為風能利用的主要形式，風力發電是目前技術 最成熟也最具開發條件和商業化發展前景的可再生能源發電方式之一。風電設備在將風能 轉換為電能的過程中，不僅僅依賴於風速的變化，還緊密依賴於空氣密度的變化。因此，在 風場中對空氣密度進行實時檢測，並根據檢測到的實時空氣密度信號對風能設備的控制系 統進行修正就顯得尤為重要。目前，空氣密度的檢測方法最常用的是浮力法和溫、溼、壓法。其中，浮力法是一種 抽空玻璃瓶比較稱重的方法，該方法能夠較為準確地測量空氣的密度，但其測量裝置成本 較高，測試過程也較為複雜，使其難以應用在常規測試中。而溫、溼、壓法是利用測量空氣的 溫度、溼度和壓力，通過查表或計算得出空氣密度的方法，這種方法大都採用溫度、溼度和 壓力參數進行分散測量、人工計算得出空氣密度的方式，所以採用該方法的測量過程十分 繁瑣，而且由於溫度、溼度和壓力參數進行分散測量，難以滿足風場對空氣密度實時檢測的 要求。另外現有的空氣密度檢測裝置難以適應風場惡劣的氣候環境條件。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種空氣密度檢測裝置和空氣密度檢測方法， 能夠解決現有技術中獲得空氣密度的實時性不強和無法應用於風場的問題。為實現上述目的，本發明實施例提供一種空氣密度檢測裝置，包括對壓力進行實 時監測的壓力傳感器、對溫度進行實時監測的溫度傳感器、對溼度進行實時監測的溼度傳 感器，還包括壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊，所述壓力信號採 集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊分別用於定期同步從壓力傳感器、溫度傳 感器和溼度傳感器採集壓力信號、溫度信號和溼度信號，還包括接收所述壓力信號採集模 塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊分別採集的壓力信號、溫度信號和溼度信號，並 根據空氣密度與壓力、溫度和溼度的關係計算空氣密度的空氣密度計算模塊。優選地，信號輸出模塊，用於將包含所述空氣密度計算模塊計算的空氣密度的信 號輸出。優選地，所述信號輸出模塊還用於將分別包含用於計算空氣密度信號的壓力、溫 度和溼度的信號與包含該空氣密度的信號同步輸出。優選地，所述裝置還包括與所述溫度信號採集模塊相連的加熱系統和空氣密度計 算模塊，所述加熱系統用於當溫度信號採集模塊採集的溫度信號中包含的溫度低於預定的 閾值時，對所述空氣密度檢測裝置進行加熱，並將加熱過程的溫度變化量發送至所述空氣 密度計算模塊，所述空氣密度計算模塊還用於將從溫度信號採集模塊接收的溫度信號進行修正，所述修正包括減小所述接收的溫度信號中包含的溫度值，並且減小量等於所述空氣 密度計算模塊接收的加熱系統加熱過程的溫度變化量。優選地，所述裝置還包括設置在外部的外部防塵系統。這樣可以使得空氣密度檢 測裝置能夠適用在風場等風沙較大的地區。另一方面，本發明實施例還提供一種空氣密度檢測方法，包括通過壓力傳感器對壓力進行實時監測，通過溫度傳感器對溫度進行實時監測，通 過溼度傳感器對溼度進行實時監測；壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度傳感器定期同步分別從壓力傳感 器、溫度傳感器和溼度傳感器採集壓力信號、溫度信號和溼度信號；空氣密度計算模塊接收壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模 塊分別採集的壓力信號、溫度信號和溼度信號，並根據空氣密度與壓力、溫度和溼度的關 系，計算空氣密度。優選地，該方法還包括通過信號輸出模塊將包含所述空氣密度計算模塊計算的 空氣密度的信號輸出。優選地，該方法還包括將分別包含用於計算空氣密度信號的壓力、溫度和溼度的 信號與包含該空氣密度的信號同步輸出。優選地，該方法還包括當溫度採集模塊採集的溫度信號中包含的溫度低於預定 的閾值時，通過加熱系統對空氣密度檢測裝置進行加熱；並將加熱過程的溫度變化量發送 至所述空氣密度計算模塊；所述空氣密度計算模塊在計算空氣密度之前，將從溫度信號採 集模塊接收的溫度信號進行修正，所述修正包括減小所述接收的溫度信號中包含的溫度 值，並且減小量等於所述空氣密度計算模塊接收的加熱系統加熱過程的溫度變化量。這樣， 可以使空氣密度檢測裝置能夠進一步適應各種惡劣的溫度環境。由於本發明實施例提供的空氣密度檢測方法和裝置在進行空氣密度檢測的過程 中，各個傳感器是實時進行監測的，而每個信號採集模塊從對應的傳感器採集信號也是同 步的，這就使得獲取的壓力信號、溫度信號和溼度信號也是同步的，從而使得計算空氣密度 的實時性也得到了提高。
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領 域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附 圖。圖1是本發明實施例一提供的一種空氣密度檢測裝置的示意圖；圖2是本發明實施例二提供的一種空氣密度檢測方法的示意圖。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。實施例一圖1示出了本發明實施例一提供的一種空氣密度檢測裝置，該檢測裝置包括三個 傳感器和對應的信號採集模塊，具體地，包括壓力傳感器101、溫度傳感器102和溼度傳感 器103，以及分別與三個傳感器相連的壓力信號採集模塊104、溫度信號採集模塊105和溼 度信號採集模塊106。壓力傳感器101用於對壓力進行實時監測，例如對風場中的壓力進行實時的監 測，溫度傳感器102用於對溫度進行實時監測，例如對風場中的溫度進行實時監測，溼度傳 感器103用於對溼度進行實時監測。壓力信號採集模塊104用於從壓力傳感器101定期採 集壓力信號，溫度信號採集模塊105用於從溫度傳感器102定期採集溫度信號，溼度信號 採集模塊106用於從溼度傳感器103定期採集溼度信號，並且壓力信號採集模塊104、溫度 信號採集模塊105和溼度信號採集模塊106雖然是從各自對應的傳感器定期採集信號，但 是在每次採集信號時，壓力信號採集模塊104、溫度信號採集模塊105和溼度信號採集模塊 106都是同步的，由於各個傳感器是實時進行監測的，而每個信號採集模塊從對應的傳感器 採集信號又是同步的，這就使得獲取的壓力信號、溫度信號和溼度信號也是同步的，為進行 空氣密度的實時檢測提供了數據源上的保證。另外，本發明實施例中空氣密度檢測裝置還包括空氣密度計算模塊107。空氣密 度計算模塊107與壓力信號採集模塊104、溫度信號採集模塊105和溼度信號採集模塊106 相連，接收壓力信號採集模塊104、溫度信號採集模塊105和溼度信號採集模塊106同步採 集的壓力信號、溫度信號和溼度信號，根據空氣密度與壓力、溫度和溼度的關係，利用採集 到的壓力信號、溫度信號和溼度信號中分別包含的壓力、溫度和溼度計算空氣密度。例如， 空氣密度與壓力、溫度和溼度的關係模型可以採用下式
formula see original document page 5formula see original document page 5其中，T是溫度，P是壓強，e是絕對溼度，P是空氣密度。此時，空氣密度計算模 塊107可以將獲得的壓強、溫度和溼度代入到式子1中，即可計算出相應的空氣密度。上文已經說明，壓力信號採集模塊104、溫度信號採集模塊105和溼度信號採集模 塊106採集的壓力信號、溫度信號和溼度信號是同步的，這樣空氣密度計算模塊107在計算 空氣密度時所獲取的壓力信號、溫度信號和溼度信號也是同步的，或者說，用於計算空氣密 度的壓力、溫度和溼度是表徵同時或近似同時的壓力、溫度和溼度的，這就使得空氣計算模 塊107計算的空氣密度是實時的，而不是如現有技術中用於計算一個空氣密度值的壓力、 溫度和溼度是在三個相隔較長時間的時刻的。因此本實施例中提供的空氣密度檢測裝置能 夠提高空氣密度檢測的實時性。實際中，根據對空氣密度值的更新速度的要求，可以對壓力信號採集模塊104、溫 度信號採集模塊105和溼度信號採集模塊106的採集信號頻率或者說對相鄰兩次採集信號 的相隔時間做調整，例如可以根據需要調整為每隔100ms，壓力信號採集模塊104、溫度信 號採集模塊105和溼度信號採集模塊106對相應的傳感器監測的信號進行一次採集。另外，為了滿足信號輸出的要求，優選地，在空氣密度檢測裝置中還包括一信號輸 出模塊108，用於將包含空氣密度計算模塊107計算的空氣密度的信號輸出，另外還可以與分別包含用於計算該空氣密度的壓力、溫度和溼度的信號同步輸出。在實際中，從空氣密度 計算模塊107輸出的信號可以用來輸入到風電設備控制系統中，為控制系統控制風電設備 的運行提供依據。另外，在實際應用空氣密度檢測裝置的環境中，例如在風場中，環境溫度在常年 變化很大，有時在冬季的最低氣溫可以達到零下30°C，而在夏季的最高氣溫可以達到零上 50°C。發明人發現，目前的空氣密度檢測裝置主要應用在室內檢測的場合，由於室內的條 件通常都滿足空氣密度檢測裝置中的各個部件的正常工作需要的環境條件，所以在目前的 空氣密度檢測裝置中並沒有採取遇到環境溫度可能超過或低於裝置的正常工作溫度範圍 時應該採取的必要解決措施。而本申請發明人在考慮到上述問題後，提出一種優選的實施 方式，即在空氣密度檢測裝置中設置加熱系統109，該加熱系統109 —端與溫度信號採集 模塊105相連，用於獲取溫度信號採集模塊105採集的溫度信號，並根據溫度信號採取相 應措施，以使空氣密度檢測裝置的溫度控制在正常工作所需的溫度範圍內，例如，加熱系統 109可以將獲取的溫度信號與預先設置的閾值相比，當獲取的溫度信號低於該閾值時，加熱 系統109啟動對空氣密度檢測裝置的加熱過程，使得空氣密度檢測裝置的溫度升高到正常 工作所需的溫度範圍內。但是在加熱系統對空氣密度檢測裝置進行加熱的過程中，也會造 成檢測裝置附近的環境溫度局部變化，溫度傳感器採集到的溫度值也將升高，而實際上從 更大的區域範圍看，這種局部溫度變化是一種幹擾，應該去除，因此，空氣密度計算模塊在 計算空氣密度之前，首先要對直接從溫度信號採集模塊採集到的溫度進行補償，即對從溫 度信號採集模塊接收的溫度信號進行修正，修正過程可以包括減小從溫度信號採集模塊 接收的溫度信號中包含的溫度值，而溫度的減小量可以等於加熱系統加熱過程的溫度變化 量。這裡加熱系統加熱過程的溫度變化量可以由加熱系統在加熱過程中通知給空氣密度計 算模塊。此外，目前我國的風場主要建立在荒無人煙的地方，多數為戈壁或者荒漠地區，現 場氣候條件十分惡劣，常年平均風速較大，並且空氣中通常還有大量的砂塵顆粒，目前市面 上的空氣密度檢測裝置對砂塵顆粒沒有採取專門的防護措施，使得現有的空氣密度檢測裝 置在應用到風場等很容易受到砂塵衝擊的場合時，其內部儀器很容易損壞或者測量精度下 降，難以適應風場的特殊要求。在本發明實施例提供的空氣密度檢測裝置中優選地在外部 設置外部防塵系統110，對外部環境的砂塵等顆粒物進行必要的過濾，防止風場中的大顆粒 砂塵對空氣密度檢測裝置進行衝擊，使得空氣密度檢測裝置能夠適用在風場等風沙較大的 地區。現有技術中應用在風場的檢測技術無法實時檢測；而可以實時檢測的空氣密度檢 測儀又無法應用在風場。由於採取上述防塵措施和加熱措施，使得本實施例提供的檢測裝 置尤其可以適用在風場等環境惡劣的場所，實現對風場的空氣密度的實時檢測。在實際中，上述空氣密度計算模塊107和信號輸出模塊108可以在微處理機中實 現。實施例二本實施例相應提供一種空氣密度檢測方法，該方法可以利用實施例一中提供的空 氣密度檢測裝置中的部分或全部模塊。如圖2所示，本實施例提供的空氣密度檢測方法包括如下步驟
步驟S201 通過壓力傳感器對壓力進行實時監測，通過溫度傳感器對溫度進行實 時監測，通過溼度傳感器對溼度進行實時監測；步驟S202 壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊定期同步 從壓力傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器採集壓力信號、溫度信號和溼度信號。由於各個傳感器是實時進行監測的，而每個信號採集模塊從對應的傳感器採集信 號也是同步的，這就使得獲取的壓力信號、溫度信號和溼度信號也是同步的，為進行空氣密 度的實時檢測提供了數據源上的保證。步驟S203 空氣密度計算模塊接收壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度 信號採集模塊分別採集的壓力信號、溫度信號和溼度信號，並根據空氣密度與壓力、溫度和 溼度的關係，計算空氣密度。空氣密度計算模塊利用的空氣密度與壓力、溫度和溼度的關係仍然可以採用實施 例一中的式子1所採用的模型。空氣密度計算模塊依據確定的模型，將採集的壓力信號、溫 度信號和溼度信號中分別包含的壓力、溫度和溼度代入到該模型中，即可計算出相應的空
飛也/又o上文已經說明，壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊採集 的壓力信號、溫度信號和溼度信號是同步的，這樣空氣密度計算模塊在計算空氣密度時所 獲取的壓力信號、溫度信號和溼度信號也是同步的，或者說，用於計算空氣密度的壓力、溫 度和溼度是表徵同時或近似同時的壓力、溫度和溼度的，這就使得空氣計算模塊計算的空 氣密度是實時的，提高空氣密度檢測的實時性。另外，為了滿足信號輸出的要求，優選地，還包括以下步驟步驟S204 通過信號輸出模塊將所述空氣密度計算模塊計算的空氣密度信號輸 出。在實際中輸出的空氣密度信號可以作為風電設備控制系統的輸入，用於為控制系統控 制風電設備的運行提供依據。另外步驟S204還可以替換為，通過信號輸出模塊將分別包含空氣計算模塊用於 計算空氣密度信號的壓力、溫度和溼度的信號與包含該空氣密度的信號同步輸出。在實際 中，輸出的空氣密度信號以及壓力信號、溫度信號和溼度信號可以作為風電設備控制系統 的輸入，相對於步驟S204可以為控制系統控制風電設備的運行提供更全面的依據。另外，考慮到風場的溫度條件較為惡劣，為了使得檢測過程更能適應惡劣的溫度 環境，本實施例提供的方法優選地還包括當溫度採集模塊採集的溫度信號中包含的溫度 低於預定的閾值時，通過加熱系統對空氣密度檢測裝置進行加熱；並將加熱過程的溫度變 化量發送至所述空氣密度計算模塊。但是在加熱系統對空氣密度檢測裝置進行加熱的過程 中，也會造成檢測裝置附近的環境溫度局部變化，溫度傳感器採集到的溫度值也將升高，而 實際上從更大的區域範圍看，這種局部溫度變化是一種幹擾，應該去除，因此，空氣密度計 算模塊在計算空氣密度之前，首先要對直接從溫度信號採集模塊採集到的溫度進行補償， 將從溫度信號採集模塊接收的溫度信號進行修正，所述修正包括減小所述接收的溫度信號 中包含的溫度值，並且減小量等於所述空氣密度計算模塊接收的加熱系統加熱過程的溫度 變化量。這樣，在計算空氣密度所依據的溫度可以消除因加熱系統加熱導致的局部溫度升 高的幹擾。綜上所述，本發明實施例提供的空氣密度檢測裝置和檢測方法能夠提高空氣密度檢測的實時性。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種空氣密度檢測裝置，其特徵在於，包括對壓力進行實時監測的壓力傳感器、對溫度進行實時監測的溫度傳感器、對溼度進行實時監測的溼度傳感器，還包括壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊，所述壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊分別用於定期同步從壓力傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器採集壓力信號、溫度信號和溼度信號，還包括接收所述壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊分別採集的壓力信號、溫度信號和溼度信號，並根據空氣密度與壓力、溫度和溼度的關係計算空氣密度的空氣密度計算模塊。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括信號輸出模塊，用於將 包含所述空氣密度計算模塊計算的空氣密度的信號輸出。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述信號輸出模塊還用於將分別包含用 於計算空氣密度信號的壓力、溫度和溼度的信號與包含該空氣密度的信號同步輸出。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括與所述溫 度信號採集模塊相連的加熱系統，所述加熱系統用於當溫度信號採集模塊採集的溫度信號 中包含的溫度低於預定的閾值時，對所述空氣密度檢測裝置進行加熱，並將加熱過程的溫 度變化量發送至所述空氣密度計算模塊，所述空氣密度計算模塊還用於將從溫度信號採集 模塊接收的溫度信號進行修正，所述修正包括減小所述接收的溫度信號中包含的溫度值， 並且減小量等於所述空氣密度計算模塊接收的加熱系統加熱過程的溫度變化量。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括設置在外部的外部防塵 系統。
6.一種空氣密度檢測方法，其特徵在於，包括通過壓力傳感器對壓力進行實時監測，通過溫度傳感器對溫度進行實時監測，通過溼 度傳感器對溼度進行實時監測；壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊定期同步分別從壓力傳感 器、溫度傳感器和溼度傳感器採集壓力信號、溫度信號和溼度信號；空氣密度計算模塊接收壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊分 別採集的壓力信號、溫度信號和溼度信號，並根據空氣密度與壓力、溫度和溼度的關係，計 算空氣密度。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，該方法還包括通過信號輸出模塊將包含所述空氣密度計算模塊計算的空氣密度的信號輸出。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，該方法還包括通過信號輸出模塊將分別包含用於計算空氣密度信號的壓力、溫度和溼度的信號與包 含該空氣密度的信號同步輸出。
9.根據權利要求6至8中任意一項所述的方法，其特徵在於，該方法還包括當溫度採 集模塊採集的溫度信號中包含的溫度低於預定的閾值時，通過加熱系統對空氣密度檢測裝 置進行加熱；並將加熱過程的溫度變化量發送至所述空氣密度計算模塊；所述空氣密度計算模塊在計算空氣密度之前，將從溫度信號採集模塊接收的溫度信號 進行修正，所述修正包括減小所述接收的溫度信號中包含的溫度值，並且減小量等於所述 空氣密度計算模塊接收的加熱系統加熱過程的溫度變化量。
全文摘要
本發明實施例提供一種空氣密度檢測裝置和方法，該裝置包括對壓力進行實時監測的壓力傳感器、對溫度進行實時監測的溫度傳感器、對溼度進行實時監測的溼度傳感器，還包括壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊，所述壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊分別用於定期同步從壓力傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器採集壓力信號、溫度信號和溼度信號，還包括接收所述壓力信號採集模塊、溫度信號採集模塊和溼度信號採集模塊分別採集的壓力信號、溫度信號和溼度信號，並根據空氣密度與壓力、溫度和溼度的關係計算空氣密度的空氣密度計算模塊。通過本發明是實施例可以提供空氣密度檢測的實時性。
文檔編號G01N33/00GK101799464SQ20101014870
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月14日 優先權日2010年4月14日
發明者餘鐵輝, 孫啟濤, 曾贛生, 沙友濤, 翁豔 申請人:三一電氣有限責任公司