電渦流式傳感器測汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速

趙慧嫻

【文章摘要】

電渦流測速傳感器是一種非接觸測量工具，能夠準(zhǔn)確測量被測體與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化量，利用該電渦流效應(yīng)制成的高精度傳感器稱為電渦流測速傳感器。利用電渦流轉(zhuǎn)速傳感器可以進(jìn)行汽輪機(jī)零轉(zhuǎn)速測量、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速測量等。

【關(guān)鍵詞】

電渦流式傳感器；轉(zhuǎn)速測量；磁場；非接觸性測量

0 引言

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測量是火電廠正常運(yùn)行的重要保障也是工業(yè)領(lǐng)域和科研的重點(diǎn)研究對象。汽輪機(jī)的啟動時(shí)轉(zhuǎn)子由靜止?fàn)顟B(tài)逐步加速至額定轉(zhuǎn)速，負(fù)荷由零逐步增至額定值或某預(yù)定值，停止相反，為保證轉(zhuǎn)速不超出額定值需要對其進(jìn)行無間斷的測量。在發(fā)生并網(wǎng)和接帶負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速會隨著電網(wǎng)頻率的變化而改變，一般不需要監(jiān)視。當(dāng)汽輪機(jī)遇到突發(fā)事故，外界負(fù)荷發(fā)生變化，汽輪機(jī)產(chǎn)生自調(diào)節(jié)性能，轉(zhuǎn)速發(fā)生很大變化，尤其是在甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速最大，往往引起超速，會發(fā)生嚴(yán)重事故。這種情況下，轉(zhuǎn)速測量需要重點(diǎn)監(jiān)視和控制，給轉(zhuǎn)子超速保護(hù)提供信號，以確保汽輪機(jī)始終在額定轉(zhuǎn)速左右運(yùn)行。連續(xù)可靠的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測量可以使電頻率和電壓穩(wěn)定，保證用電質(zhì)量，也可以確保發(fā)電機(jī)組并列安全運(yùn)行。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速可利用電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行檢測。

1 電渦流式傳感器的工作原理

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，將塊狀金屬置于變化的磁場中，或者將其放入磁場做磁力線切割運(yùn)動時(shí)，旋渦狀感應(yīng)電流將在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生出來，此電流即稱之為電渦流，這種現(xiàn)象即是電渦流效應(yīng)。電渦流感應(yīng)器就是利用電渦流感應(yīng)器效應(yīng)制成的一種電磁傳感器，其最大特點(diǎn)是進(jìn)行非接觸的測量。

圖1為電渦流式傳感器的原理圖，該圖由傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成線圈一導(dǎo)體系統(tǒng)。

圖一解釋了電渦流傳感器的作用原理，這是一個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)體系統(tǒng)，由傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)正弦交變電流I1通過感應(yīng)線圈時(shí)，正弦交變磁場H1就會在線圈周圍空間產(chǎn)生，感應(yīng)電渦流I2就會在置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生，從而使得新的交變磁場H2從I2中產(chǎn)生。

由楞次定律原理可知，原磁場H1將受到H2作用的反抗，磁場H2使得渦流消耗部分能量，導(dǎo)致等效阻抗在傳感器線圈中發(fā)生變化。所以，被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)將完全決定線圈阻抗的變化。電渦流效應(yīng)將與磁導(dǎo)率、線圈幾何形狀、幾何參數(shù)、被測的電阻率、線圈中激磁電流頻率f、線圈與導(dǎo)體的距離x等眾多因素有關(guān)。因此，可以得出等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為

Z=F（p，u，r，f，x），

其中r為被測體與線圈的尺寸因子系數(shù)，它受傳感器線圈受電渦流影響。

假設(shè)保證其中大部分參數(shù)穩(wěn)定不變，只使其中一個(gè)參數(shù)做出改變，這樣傳感器的線圈阻抗z與此參數(shù)的單值函數(shù)就會相應(yīng)形成。接下來，改變傳感器的配用電路測出阻抗z，即可測量該參數(shù)的非電量，這個(gè)基本的工作原理簡要解釋了電渦流傳感器的基本工作流程。

2 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理

如圖所示為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速測量圖。在汽輪機(jī)的軸上裝一個(gè)小孔測速盤，將一個(gè)渦流式測速傳感器安裝在測速盤的直徑方向上。特別需要指出的是，要保留合適的間隙置于傳感器探頭和測速盤凸頭之間，以避免誤差和造成探頭受損。當(dāng)驅(qū)動測速盤時(shí)，脈沖信號從測速盤上的小孔測速傳感器發(fā)出，此刻汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與信號出現(xiàn)頻率呈正比關(guān)系，利用數(shù)字式頻率表的形式，就可以感知傳感器中發(fā)出的脈沖信號并進(jìn)行測量計(jì)算，并將所得結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的換算，計(jì)算出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。在這里我們假設(shè)在測速盤上出現(xiàn)f個(gè)小孔，采樣時(shí)間的單位我們定義為S，那么在時(shí)間t內(nèi)，我們檢測到了m個(gè)周期信號，最后將轉(zhuǎn)子速度定義為n，便可由下面公式求出結(jié)果：

根據(jù)以上公式我們可以看出，處于測量結(jié)果換算的便利，我們設(shè)計(jì)測量盤含有i=60個(gè)齒，那么每分鐘使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，就會有60個(gè)脈沖從測速探頭發(fā)出，對應(yīng)的是1HZ，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速值即為頻率表所測頻率。

（a）光線被遮住，接收器無信號 （b）光線未被遮住，接收器有信號光電式速度傳感器原理圖

（a）光線被遮住，接收器無信號 （b）光線未被遮住，接收器有信號

光電式速度傳感器原理圖

3 電渦流轉(zhuǎn)速傳感器的使用條件

3.1 電渦流傳感器的工作溫度不宜過高，以180℃為界限，如果溫度≥180℃，傳感器的靈敏度大幅降低，傳感器本身會也有所損壞。所以只有特質(zhì)的高溫渦流傳感器才允許在汽封附近工作，普通傳感器則應(yīng)安裝在軸瓦內(nèi)。

3.2 被測體表面積應(yīng)大于以探頭直徑3倍為直徑的圓面積，電渦流傳感器的傳感器頭部周圍應(yīng)留有一定的非導(dǎo)電介質(zhì)空間，如需安裝兩個(gè)或兩個(gè)以上傳感器則各傳感器之間也應(yīng)保持一定距離，以防產(chǎn)生交叉干擾影響正常測量。被測體表面不允許電鍍，要保持光滑平整，沒有傷痕和縫隙。

3.3 探頭支架應(yīng)有足夠的剛度足以抵抗被測體振動時(shí)產(chǎn)生的自振。

3.4 被測體表面與傳感器之間的間隙在儀表盤上的電壓稱之為間隙電壓，二者之間的間隙稱之為初始間隙，調(diào)整好初始間隙，在一定間隙電壓值下才會形成較好的線性度。

4 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)速測量可以保證整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，是重要的運(yùn)行參數(shù)。電渦流測速傳感器在速度分析測量中，特別是對非接觸的轉(zhuǎn)動信號，能連續(xù)準(zhǔn)確地采集到振動、轉(zhuǎn)動等軌跡運(yùn)動的多種參數(shù)。目前電渦流測速傳感器主要用于研究測定高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械和往復(fù)式運(yùn)動的機(jī)械的運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)。電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速有可以同時(shí)響應(yīng)零轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速，抗干擾能力強(qiáng)，非接觸測量，永不磨損等優(yōu)勢，是其他傳感器無法比擬的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬東麗，趙輝；用于調(diào)頻式電渦流傳感器的高穩(wěn)定性LC振蕩電路[J]；計(jì)算機(jī)測量與控制；2004年03期

[2]何文輝；顏國正；郭旭東；一種新型電渦流傳感器的理論分析[J]；上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)；2006年03期