傳感器—電渦流式傳感器

    一、概述

    電渦流傳感器能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸、高線(xiàn)性度、高分辨力地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線(xiàn)性化計(jì)量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體(必須是金屬導(dǎo)體)與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化。

    二、背景

    在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)械的狀態(tài)分析,振動(dòng)研究、分析測(cè)量中,對(duì)非接觸的高精度振動(dòng)、位移信號(hào),能連續(xù)準(zhǔn)確地采集到轉(zhuǎn)子振動(dòng)狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸的徑向振動(dòng)、振幅以及軸向位置。從轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、軸承學(xué)的理論上分析,大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),主要取決于其**—轉(zhuǎn)軸,而電渦流傳感器,能直接非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài),對(duì)諸如轉(zhuǎn)子的不平衡、不對(duì)中、軸承磨損、軸裂紋及發(fā)生摩擦等機(jī)械問(wèn)題的早期判定,可提供關(guān)鍵的信息。電渦流傳感器以其長(zhǎng)期工作可靠性好、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。

    三、原理

    根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)原理,塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)(與金屬是否塊狀無(wú)關(guān),且切割不變化的磁場(chǎng)時(shí)無(wú)渦流),導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流,此電流叫電渦流,以上現(xiàn)象稱(chēng)為電渦流效應(yīng),而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱(chēng)為電渦流式傳感器。

    前置器中高頻振蕩電流通過(guò)延伸電纜流入探頭線(xiàn)圈,在探頭頭部的線(xiàn)圈中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一磁場(chǎng),則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流,與此同時(shí)該電渦流場(chǎng)也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線(xiàn)圈方向相反的交變磁場(chǎng),由于其反作用,使頭部線(xiàn)圈高頻電流的幅度和相位得到改變(線(xiàn)圈的有效阻抗)。

    這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線(xiàn)圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線(xiàn)圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線(xiàn)性和各項(xiàng)同性,則線(xiàn)圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、頭部體線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D、電流強(qiáng)度I和頻率ω參數(shù)來(lái)描述,則線(xiàn)圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函數(shù)來(lái)表示。通常我們能做到控制τ, ξ, б, I, ω這幾個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變,則線(xiàn)圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù),雖然它整個(gè)函數(shù)是一非線(xiàn)性的,其函數(shù)特征為“S”型曲線(xiàn),但可以選取它近似為線(xiàn)性的一段。

    于此,通過(guò)前置器電子線(xiàn)路的處理,將線(xiàn)圈阻抗Z的變化,即頭部體線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距而變化,電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。


    四、典型應(yīng)用

    電渦流傳感器系統(tǒng)以其*特的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè),對(duì)汽輪機(jī)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、齒輪箱等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸的徑向振動(dòng)、軸向位移、鑒相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、油膜厚度等進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量和安全保護(hù),以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等方面。圖1-1列舉了上海的電渦流傳感器的一些典型應(yīng)用示意。前置器根據(jù)探頭線(xiàn)圈阻抗的變化輸出一個(gè)與距離成正比的直流電壓。


    轉(zhuǎn)速測(cè)量

    除了測(cè)量振動(dòng)外,電渦流傳感器還能測(cè)量轉(zhuǎn)速。

    對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言,都需要監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)。旋轉(zhuǎn)測(cè)量通常有以下幾種傳感器可選:電渦流轉(zhuǎn)速傳感器、無(wú)源磁電轉(zhuǎn)速傳感器、有源磁電轉(zhuǎn)速傳感器等。具有需要選擇那類(lèi)傳感器,則要根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求轉(zhuǎn)速等,轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置有以下幾種:用標(biāo)準(zhǔn)的漸開(kāi)的線(xiàn)齒數(shù)(M1~M5)作轉(zhuǎn)速發(fā)生信號(hào),在轉(zhuǎn)軸上開(kāi)一鍵槽、在轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)軸上開(kāi)孔眼、在軸轉(zhuǎn)上凸鍵等轉(zhuǎn)速發(fā)生信號(hào)裝置。

    無(wú)源磁電式傳感器是針對(duì)測(cè)齒輪而設(shè)計(jì)的發(fā)電型傳感器(無(wú)源),不適合測(cè)零轉(zhuǎn)速和較低轉(zhuǎn)速,因低頻時(shí),幅值信號(hào)小,抗干擾能力差,它不需要供電。

    有源磁電式傳感器采用了電源供電,輸出波形為矩形波,具有負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力,適合測(cè)量 0.03HZ以上轉(zhuǎn)速信號(hào)。

    而電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的優(yōu)越性是其它任何傳感器測(cè)量沒(méi)法比的,它既能響應(yīng)零轉(zhuǎn)速,也能響應(yīng)高轉(zhuǎn)速。對(duì)于被測(cè)體轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置要求也很低,被測(cè)體齒輪數(shù)可以很小,被測(cè)體也可以是一個(gè)很小的孔眼,一個(gè)凸鍵,一個(gè)小的凹鍵。電渦流傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速,通常選用φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm的探頭。轉(zhuǎn)速測(cè)量頻響為0~10KHZ。電渦流傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速,傳感器輸出的信號(hào)幅值較高(在低速和高速整個(gè)范圍內(nèi))抗干擾能力強(qiáng)。作轉(zhuǎn)速測(cè)量的電渦流傳感器有一體化和分體兩種。一體化電渦流轉(zhuǎn)速傳感器取消前置器放大器、安裝方便、適用于工作溫度在–20℃~100℃的環(huán)境下,帶前置器放大器的電渦流傳感器適合在–50℃~250℃的工作環(huán)境中。

    五、應(yīng)用場(chǎng)景

    測(cè)量徑向振動(dòng),可以由它分析軸承的工作狀態(tài),還可以看到分析轉(zhuǎn)子的不平衡,不對(duì)中等機(jī)械故障。電渦流傳感器系統(tǒng)可以提供對(duì)于下列關(guān)鍵或是基礎(chǔ)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)所需要的信息:

    工業(yè)透平,蒸汽/燃?xì)?/p>壓縮機(jī),徑向/軸向

    膨脹機(jī)

    動(dòng)力發(fā)電透平,蒸汽/燃?xì)?水利

    發(fā)動(dòng)馬達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)勵(lì)磁機(jī)齒輪箱泵風(fēng)箱鼓風(fēng)機(jī)往復(fù)式機(jī)械

    1.相對(duì)振動(dòng)測(cè)量(小型機(jī)械)

    振動(dòng)測(cè)量同樣可以用于對(duì)一般性的小型機(jī)械進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。電渦流傳感器系統(tǒng)可為如下各種機(jī)械故障的早期判別提供重要信息:

    軸的同步振動(dòng)

    油膜失穩(wěn)

    轉(zhuǎn)子摩擦

    部件松動(dòng)

    軸承套筒松動(dòng)

    壓縮機(jī)踹振滾動(dòng)部件軸承失效

    徑向預(yù)載,內(nèi)部/外部包括不對(duì)中

    軸承巴氏合金磨損

    軸承間隙過(guò)大,徑向/軸向

    平衡(阻氣)活塞

    聯(lián)軸器“鎖死”磨損/失效

    軸裂紋

    軸彎曲

    齒輪咬合問(wèn)題

    電動(dòng)馬達(dá)空氣間隙不勻

    葉輪通過(guò)現(xiàn)象

    透平葉片通道共振

    2、偏心測(cè)量

    偏心是在低轉(zhuǎn)速的情況下,電渦流傳感器系統(tǒng)可對(duì)軸彎曲的程度進(jìn)行測(cè)量,這些彎曲可由下列情況引起:

    原有的機(jī)械彎曲

    臨時(shí)溫升導(dǎo)致的彎曲

    重力彎曲

    外力造成的彎曲

    偏心的測(cè)量,對(duì)于評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)機(jī)械全面的機(jī)械狀態(tài),是非常重要的。特別是對(duì)于裝有透平監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)(TSI)的汽輪機(jī),在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中,偏心測(cè)量已成為不可少的測(cè)量項(xiàng)目。它使你能看到由于受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。轉(zhuǎn)子的偏心位置,也叫軸的徑向位置,它經(jīng)常用來(lái)指示軸承的磨損,以及加載荷的大小。如由不對(duì)中導(dǎo)致的那種情況,它同時(shí)也用來(lái)決定軸的方位角,方位角可以說(shuō)明轉(zhuǎn)子是否穩(wěn)定。

    3.脹差測(cè)量

    對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō),在其啟動(dòng)和停機(jī)時(shí),由于金屬材料的不同,熱膨脹系數(shù)的不同,以及散熱的不同,軸的熱膨脹可能**過(guò)殼體膨脹;有可能導(dǎo)致透平機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件(如機(jī)殼、噴嘴、臺(tái)座等)的相互接觸,導(dǎo)致機(jī)器的破壞。因此脹差的測(cè)量是非常重要的。


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