„canti lever -sensoren (cls) zur lastüberwachung im rotorblatt“ · 2019-11-18 · „canti...
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228. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Inhalt
Agenda
Vorstellung Messprinzip & Sensorik
Untersuchungen zur Sensorempfindlichkeit
Ergebnisse aus Felduntersuchungen
Potentielle Anwendungen
Sensorspezifikation
328. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Vorteile DMS
Erfasst DC- und Wechsellasten
etabliertes Messmittel z.B. im Rahmen von Typenprüfungen und Zertifizierungen
Nachteil
im allg. sind DMS – als kraftgekoppelte (geklebte) Sensoren –nicht langzeitstabil (mechanisch, chemisch)
sehr lokale (punktuelle) Messwerterfassung (typisch < 1cm), kritisch bei inhomogenen Materialien (wie z.B. bei Verbundwerkstoffen)
Grundüberlegung: Ersatz elektrischer DMS durch langzeitstabile Variante
28. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Sensorischer Ansatz: Messung der Dehnung über eine integrale, kraftlose
Wegmessung d.h. Erfassung der Dehnung über einen größeren
Bereich (einige Dezimeter) zur Mittelung über lokale Inhomogenitäten
unsere Umsetzung: Ausführung des Sensors als Cantilever-System mit
induktivem Wegsensor
Vorstellung Messprinzip & Sensorik – Cantilever-Sensor zur Dehnungsmessung
Durch eine geeignete Wahl des Cantilever-Materials kann eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an das Messobjekt vorgenommen werden.
528. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Vorstellung Messprinzip & Sensorik – Cantilever-Sensor zur Dehnungsmessung
1 - Cantilever-Halter2 - Sensorhalter3 - Target
4 - Cantilever5 - Abstandssensor6 - Messobjekt
Die Dehnung ε ergibt sich aus dem Verhältnis der Abstandsänderung zwischen Sensorelement und Target ∆� zur effektiven Länge � des Cantilevers, d.h.:
Die Dehnungsauflösung ∆ε��� ergibt sich aus dem Verhältnis der Wegauflösung des Sensors ∆���� zur effektiven Länge � des Cantilevers, d.h.:
Der Messbereich für die Dehnung ��/�� ergibt sich aus dem Verhältnis des
maximal messbaren Abstands ��� zur effektiven Länge � des Cantilevers wie folgt:
ε �∆�
�
∆ε��� �∆s���
�
��/�� � �1
2
���
�
628. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Das CL-System erfasst Gleich- und Wechselanteile der Blattdehnung ähnlich wie DMS(nicht nur Wechselanteile wie bei Beschleunigungssensoren),
Minimiert Einflüsse lokaler Inhomogenitäten durch größere Referenzstrecke (integrale Messung), dies ist besonders vorteilhaft bei Kompositen bzw. hybriden Werkstoffen (z.B. bei Faserverbundwerkstoffe wie GFK, CFK),
Misst Dehnungen kraftlos langzeitstabil,
Basiert auf robuster, industrieerprobter Standardsensorik,
Unkomplizierte Installation.
Eigenschaften und Vorteile des Sensordesigns
728. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Technische Spezifikation
CAD-Modell – CL-Sensor im eingebauten Zustand mit Abdeckung
828. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
CL-Sensoren sind konzipiert für Anwendungen in Rotorblättern von Windenergieanlagen:
Zur Erfassung kritischer Betriebszustände und momentaner Lasten,
Sie sind ebenfalls einsetzbar als „Istwert-Geber“ zur Einzelpitchregelung(IPC..individual pitch control),
Zur Erfassung der Lasthistorie (z.B. über „Rainflow-Counting“),
Sie ermöglichen Abweichungsanalysen zwischen den Blättern –Abweichungen als Indikator für Blattfehler oder fehlerhafte Zustände (z.B. Pitchwinkelfehler).
Anwendungsbereiche für Cantilever-Sensoren
928. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Die Untersuchungen wurden im Labor an einem einseitig eingespannten Balken durchgeführt.
Daten zum Balken: Länge 6000mm, Breite 120mm, Höhe 60mm, Material: GFK, Glasanteil 60%
Ein Cantilever-Sensor (CLS300) sowie 3 einzelne DMS wurden zur Erfassung der Dehnung auf den Balken aufgeklebt. Die DMS waren jeweils als Viertel-Brücke verschaltetet (DMS: R = 120 Ω).
Vergleich von Cantilever-Sensoren mit elektrischen DMS
Der Balken wurde anschließend ausgelenkt und die Signale der Sensoren beim Ausschwingvorgang aufgezeichnet.
1028. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Die Diagramme zeigen die Signale des mittleren DMS (rote Kurve) und des CLS300 (blaue Kurve) zum Zeitpunkt der Auslenkung des Balkens.
Vergleich von Cantilever-Sensoren mit elektrischen DMS
0 30 60 90 120
Zeit [s]
0
50
100
150
-50
-100
-150
CLS
300 [µm
/m]
0
50
100
150
-50
-100
-150
DM
S [µm
/m]
1128. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
In den folgenden Abbildungen wurden die Signalverläufe beider Sensoren für einen direkten Vergleich überlagert (DMS..rote Kurve, CLS300..blaue Kurve).
Vergleich von Cantilever-Sensoren mit elektrischen DMS
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Zeit [s]
0
50
100
-50
-100
DM
S [
µm
/m]
CLS
300
[µ
m/m
]
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60
Zeit [s]
0
50
100
-50
-100
DM
S [µm
/m]
CLS
300
[µm
/m]
60 62 64 66 68 70
Zeit [s]
0
50
100
-50
-100
DM
S [µm
/m]
CLS
300
[µm
/m]
120 122 124 126 128 130
Zeit [s]
0
5
10
-5
-10
DM
S [
µm
/m]
CLS
300
[µ
m/m
]
180 182 184 186 188 190
Zeit [s]
0
5
10
-5
-10
DM
S [µm
/m]
CLS
300
[µm
/m]
240 242 244 246 248 250
Zeit [s]
0
5
10
-5
-10
DM
S [µm
/m]
CLS
300
[µm
/m]
Anregungsphase
30..60s
1min +10s
3min +10s
2min +10s
4min +10s
1228. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Zur Abschätzung der Auflösung wurde das statistische Rauschen über die Amplitudenverteilung beider Sensortypen (bei unbewegtem Balken ≙ grauer Signalabschnitt) bestimmt.
Vergleich von Cantilever-Sensoren mit elektrischen DMS
Vertrauensintervall ± 2σ enthält 95,45% der Messwerte vom Erwartungswert
0 300 600 900 1200
Zeit [s]
0
1
2
3
4
5
-1
-2
-3
-4
-5
Am
plit
ud
e D
MS
[µm
/m]
+2σ
-2σ
0 300 600 900 1200
Zeit [s]
0
1
2
3
4
5
-1
-2
-3
-4
-5
Am
plit
ud
e C
LS
300
[µm
/m]
+2σ
-2σ
0 0.5 1 1.5 2-0.5-1-1.5-2
Amplitude [µm/m]
0
1
2
3
4
5
Häu
figk
eit
[%]
- 2σ(DMS)
+ 2σ(DMS)
- 2σ(CLS)
+ 2σ(CLS)
± 2σDMS = 0,83 ± 2σCLS = 0,188 ���� ����⁄ �1 : 4,4
1328. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Cantilever-Sensoren im Einsatz
1428. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Sensoranordnungen in der Blattwurzel eines Rotorblatts
Anmerkungen zur SensoranordnungEinbauschema zur Erfassung der Blattbiegung flap- und edgewise
Instrumentierung mit 4 Sensoren,
je 90° versetzt (2 x flapwise, 2 x edgewise)
ermöglicht separate Bestimmung der Zug-und Biegedehnung durch Summation bzw. Differenzbildung gegenüberliegender Sensorsignale
ermöglicht damit eine Normierung auf das relative oder auch absolute Blattbiege-moment (flap- und edgewise)
Instrumentierung mit 2 Sensoren,
um 90° versetzt (1 x flapwise, 1 x edgewise)
beide Sensoren messen Überlagerung von Zug- und Biegedehnung
1528. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Plausibilisierung der Signale - Vergleich von CL-Sensoren gleicher Einbaulage aus unterschiedlichen Blättern
Die Signale edgewise folgen hauptsächlich dem Biegemomentim Schwerefeld der Erde.
Die Mittelwerte der Signale flapwise folgen der Windlast bzw. der Windgeschwindigkeit.
Anmerkung: Alle Sensoren wurden im Schwerefeld der Erde kalibriert, die dabei auftretenden Minima- und Maxima-Lagen in denSensorsignalen wurden auf 1 normiert!
CL-Sensoren (bei gleicher Einbaulage)
aus unterschiedlichen Blättern einer
Anlage zeigen nahezu identische Signale,
diese sind um 120° zueinander
verschoben.
Blatt 1
Blatt 2
0 30 60 90 120
Zeit [s]
0
0.5
1
-0.5
-1
A1
B1
_C
L_
LE
[rB
M]
A1
B2
_C
L_L
E [
rBM
]
0 30 60 90 120
Zeit [s]
1.5
2
2.5
3
A1
B1
_C
L_
PS
[rB
M]
A1
B2_C
L_P
S [
rBM
]
Blatt 1
Blatt 2
1628. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Plausibilisierung von Betriebszuständen – Vergleich von Kalibrierlauf und normalen Anlagenbetrieb
Kalibrierbereichrot…..Kalibrierlauf flapwiseblau…Kalibrierlauf edgewise
Trajektorie (Orbit, Bahnkurve) entspricht der Auslenkung der Blattachse in Schwenk- und Schlagrichtung
Trajektorie (Orbit, Bahnkurve),gebildet als vektorielleÜberlagerung der Signaleedge- und flapwise.
Orbitale im normalen Anlagenbetrieb
Bla
ttb
iegu
ng
flap
wis
est
eig
t m
it d
er
Win
dla
st
Blattbiegung edgewise folgt hauptsächlich dem Biegemoment im Schwerefeld der Erde
Kal
ibri
er-
be
reic
h
1728. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Plausibilisierung von Betriebszuständen – Einfluss der Windlast
Biegemoment flapwise wird von Windlast bestimmt – mittleres Biegemoment (weiß) bildet mittlere Windlast (Windgeschw.) ab
• Orbitale für unterschiedliche Windlasten
Reaktion auf Momentanlasten möglich z.B. IPC
gemittelte Orbitale für unterschiedliche Windlasten
ermöglicht die Erfassung von Veränderungen der Blatteigenschaften oder Betriebsparameter
1828. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Analyse von Betriebszuständen – Einfluss der Windlast
blauer Abschnitt: geringe Windlast, wenig Schwankungen
roter Abschnitt: stärkere Windlast mit größerer Dynamik
Winddynamik hat starken Einfluß auf „Laufruhe“ bzw. Bewegungsverhalten des Rotorblatts
Orbitale (rel. BM der CLS flap vs. edge) für unterschiedliche Windlasten, entspricht Biegung der Blattachse (Abb. rechts für Mittelwerte)
1928. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Datenanalyse – Scatterplot Biegemoment über Drehzahl & ähnlich “Leistungskurve”
10 min Mittelwerte für Minimum, Mittelwert und Maximum des rel. Biegemoments flapwise als Funktion der Rotor-Drehzahl
Zeitraum 23. Februar bis 25. März 2018 – ca. 1 Monat
2028. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Ermöglicht Erfassung/Überwachung momentaner Lasten Identifikation kritischer Betriebszustände,
CL-Sensoren sind einsetzbar als „Istwert-Geber“ zur Einzelpitchregelung(IPC..individual pitch control) Optimierung Last / Ertrag
Ermöglicht Abweichungsanalysen zwischen den Blättern Abweichungen als Indikator für Blattfehler oder fehlerhafte Zustände (z.B. Pitchwinkelfehler)
Zusammenfassung Datenanalyse im Zeitbereich potentielle Anwendungen
2128. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Datenanalyse – Kontinuierliche Lasterfassung über Rainflowzählung – Lasthistorie
rel. Biegemoment der CL-Sensoren + Temperaturverlaufim Zeitraum Mitte Februar bis Anfang Mai 2018 – ca. 2,5 Monate
Einteilung des Wertebereichs (Signalamplituden) in 20 bins,
Berechnung der Rainflow-Matrizen
2228. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Zeitraum Mitte Februar bis Anfang Mai 2018,ca. 2,5 Monate
Rainflow-Matrix in der „Mittelwert / Amplituden-“ Darstellung oben: rel. Blattbiegemoment flapwise unten: rel. Blattbiegemoment edgewise
Datenanalyse – Kontinuierliche Lasterfassung über Rainflowzählung – Lasthistorie
2328. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Datenanalyse – Kontinuierliche Lasterfassung über Rainflowzählung – Lasthistorie
monatlich akkumulierte Rainflow-Counts (Feb - Aug 2018)akkumulierte Rainflow-Counts
bis Ende März 2019
Feb - Aug 2018
2428. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Zusammenfassung Lasterfassung über Rainflowzählung potentielle Anwendungen
Eine Erfassung der kompletten Lasthistorie vieler Anlagen ist besonders interessant für Schar-Analysen.
Die anlagenspezifische Lasthistorie ermöglicht eine Abschätzung der Restlebensdauer, sowie der Ausfallwahrscheinlichkeit
Die Lasterfassung bildet die Grundlage für eine vorausschauende Wartung („Predictive Maintenance“) diese birgt hohes Einsparungspotential im Windpark-Management
2528. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Das CL-System erfasst Gleich- und Wechselanteile der Blattdehnung ähnlich wie DMS(nicht nur Wechselanteile wie bei Beschleunigungssensoren),
Minimiert den Einfluss lokaler Inhomogenitäten (größere Referenzstrecke, integrale Messung),
Misst Dehnungen kraftlos langzeitstabil,
Basiert auf robuster, industrieerprobter Standardsensorik,
Unkomplizierte Installation.
Eigenschaften und Vorteile des Sensordesigns
2628. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
Zur Erfassung kritischer Betriebszustände und momentaner Lasten,
Sie sind ebenfalls einsetzbar als „Istwert-Geber“ zur Einzelpitchregelung(IPC..individual pitch control),
Sie ermöglichen Abweichungsanalysen zwischen den Blättern Abweichungen als Indikator für Blattfehler oder fehlerhafte Zustände (z.B. Pitchwinkelfehler),
Zur Erfassung der Lasthistorie (z.B. über „Rainflow-Counting“).
CL-Sensoren sind konzipiert für Anwendungen in Rotorblättern von Windenergieanlagen
2728. Windenergietage vom 05. bis 07. November in Potsdam „CL-Sensoren zur Lastüberwachung im Rotorblatt“
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