電渦流式傳感器測汽輪機轉速

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，能夠準確測量被測體與探頭端面之間靜態和動態的相對位移變化量，利用該電渦流效應制成的高精度傳感器稱為電渦流測速傳感器。利用電渦流轉速傳感器可以進行汽輪機零轉速測量、渦輪增壓器轉速測量等。

【關鍵詞】

電渦流式傳感器；轉速測量；磁場；非接觸性測量

0 引言

汽輪機轉子轉速的測量是火電廠正常運行的重要保障也是工業領域和科研的重點研究對象。汽輪機的啟動時轉子由靜止狀態逐步加速至額定轉速，負荷由零逐步增至額定值或某預定值，停止相反，為保證轉速不超出額定值需要對其進行無間斷的測量。在發生并網和接帶負荷時，轉速會隨著電網頻率的變化而改變，一般不需要監視。當汽輪機遇到突發事故，外界負荷發生變化，汽輪機產生自調節性能，轉速發生很大變化，尤其是在甩負荷時轉速最大，往往引起超速，會發生嚴重事故。這種情況下，轉速測量需要重點監視和控制，給轉子超速保護提供信號，以確保汽輪機始終在額定轉速左右運行。連續可靠的汽輪機發電機組轉子轉速測量可以使電頻率和電壓穩定，保證用電質量，也可以確保發電機組并列安全運行。汽輪機轉速可利用電渦流式轉速傳感器進行檢測。

1 電渦流式傳感器的工作原理

由法拉第電磁感應定律可知，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動時，旋渦狀感應電流將在導體內產生出來，此電流即稱之為電渦流，這種現象即是電渦流效應。電渦流感應器就是利用電渦流感應器效應制成的一種電磁傳感器，其最大特點是進行非接觸的測量。

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體組成線圈一導體系統。

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

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，導致等效阻抗在傳感器線圈中發生變化。所以，被測金屬導體的電渦流效應將完全決定線圈阻抗的變化。電渦流效應將與磁導率、線圈幾何形狀、幾何參數、被測的電阻率、線圈中激磁電流頻率f、線圈與導體的距離x等眾多因素有關。因此，可以得出等效阻抗Z的函數關系式為

Z=F（p，u，r，f，x），

其中r為被測體與線圈的尺寸因子系數，它受傳感器線圈受電渦流影響。

假設保證其中大部分參數穩定不變，只使其中一個參數做出改變，這樣傳感器的線圈阻抗z與此參數的單值函數就會相應形成。接下來，改變傳感器的配用電路測出阻抗z，即可測量該參數的非電量，這個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 電渦流式轉速傳感器的工作原理

如圖所示為汽輪機轉速測量圖。在汽輪機的軸上裝一個小孔測速盤，將一個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。當驅動測速盤時，脈沖信號從測速盤上的小孔測速傳感器發出，此刻汽輪機轉子的轉速與信號出現頻率呈正比關系，利用數字式頻率表的形式，就可以感知傳感器中發出的脈沖信號并進行測量計算，并將所得結果進行相應的換算，計算出汽輪機轉子的轉速。在這里我們假設在測速盤上出現f個小孔，采樣時間的單位我們定義為S，那么在時間t內，我們檢測到了m個周期信號，最后將轉子速度定義為n，便可由下面公式求出結果：

根據以上公式我們可以看出，處于測量結果換算的便利，我們設計測量盤含有i=60個齒，那么每分鐘使轉子轉一周，就會有60個脈沖從測速探頭發出，對應的是1HZ，轉子的轉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，普通傳感器則應安裝在軸瓦內。

3.2 被測體表面積應大于以探頭直徑3倍為直徑的圓面積，電渦流傳感器的傳感器頭部周圍應留有一定的非導電介質空間，如需安裝兩個或兩個以上傳感器則各傳感器之間也應保持一定距離，以防產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 探頭支架應有足夠的剛度足以抵抗被測體振動時產生的自振。

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 結束語

旋轉機械裝置轉速測量可以保證整個系統安全穩定運行，是重要的運行參數。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動信號，能連續準確地采集到振動、轉動等軌跡運動的多種參數。目前電渦流測速傳感器主要用于研究測定高速旋轉的機械和往復式運動的機械的運動軌跡數據。電渦流傳感器測量轉速有可以同時響應零轉速和高轉速，抗干擾能力強，非接觸測量，永不磨損等優勢，是其他傳感器無法比擬的。

【參考文獻】

[1]馬東麗，趙輝；用于調頻式電渦流傳感器的高穩定性LC振蕩電路[J]；計算機測量與控制；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]；上海交通大學學報；2006年03期