机械量测量

机械量测量位移、振动和转速均属于机械量，对电厂热力系统中的诸如汽轮机等转动机械，这些机械量的测量十分重要。近年来我国在研制自己的监测仪表系统的同时，还引进了诸如美国本特利公司7000系列和德国菲利浦公司的RMS700系列等旋转机械监视保护系统。这些仪表与系统均已在火电厂使用，它们的投入提高了大型汽轮机组的运行安全性。在这些装置中参数的测量、显示都是与报警、保护联系在一起的，它们处于同一装置中。第一节位移测量位移测量的方法很多，主要有机械式、液压式、电感式、差动变压器式和电涡流式等几种。一、电感式位移测量装置该装置采用了互感式原理，从结构上可看成由电感式位移传感器和位移指示仪表组成。电感式位移传感器的构造1-铁芯；2-转子凸缘二、差动变压器差动变压器能把位移信号转换成交流电压信号，因此可作为测量轴向位移的传感器。美国本特利7200系列的线性差动变压器就是在此基础上完善后推出的，可作为测轴向位移和转子与汽缸之间的胀差的传感器。线性差动变压器（LVDT）的结构示意图如图所示。线性差动变压器线性差动变压器的输出三、电涡流式传感器电涡流检测技术是较为通用的检测技术。电涡流传感器具有结构简单、灵敏度高、测量线性范围大、不受污染介质影响以及抗干扰能力强等优点。它在火电厂被广泛用来测量汽轮机的轴向位移、振动、转速及主轴偏心度等参数。电涡流传感器在其他部门与领域也有广泛的应用。电涡流式传感器的结构原理示意如图所示。它一般做成扁平空心线圈形式。当线圈中通以高频交流电，并接近被测金属导体表面时，线圈产生的交流磁场将在金属导体中感应而产生交流电势，形成电流。此电流的流线在金属中构成闭合回路，通常称为电涡流。该涡流也会产生交变磁场、交变磁通。由于该磁通与线圈的激磁磁通的方向相反，它的存在使线圈的磁场强弱产生变化，线圈的电感随之改变。进一步分析可知，线圈电感的改变程度与线圈的几何形状、尺寸、激磁电流强度i和频率f、金属导体材料的电阻率ρ和磁导率μ以及线圈与金属之间的距离d等多个因素有关。对于具体的传感器，线圈的形状与尺寸，i和f均是确定的，对确定的被测金属，ρ和μ也是定值，因此线圈的电感L将只随线圈与金属导体间的距离d改变，两者间具有单值对应关系。我们把整个传感器等效成一个变压器，而把空心线圈看成变压器的初级绕组，其电感与电阻分别为L1和R1，金属导体中的电涡流回路看成是变压器的次级绕组，其等效电阻与电感分别以R和L表示，线圈与金属之间的互感系数为M，则可作出图7－7所示的等效电路，并可列出方程121111UIMjILjIR0221ILjIRIMjLLRMLjRLRMRIUZ222212222111LjRZ′+′=RLRMRR22221LLRMLL22221可解得线圈的等效阻抗为线圈的品质因数为22221222211111MRMRRMRMLLRLRLQ上述分析说明：电涡流传感器的等效阻抗Z、等效电感L′和品质因数均随传感器与被测物体的距离变化，当其他因素确定时，它们之间会存在—一对应的关系。因此，电涡流传感器可把位移信号转换成线圈阻抗、电感和Q值这三种参数的变化信号。电涡流传感器的结构形式比较简单，其主要元件由线圈和框架组成。线圈形状大多为扁平形，框架的形状则以被测对象而定，有圆柱形、环形等。CZF1型涡流传感器的结构，其框架用聚四氟乙烯制成，线圈绕在框架的槽内。CZF1型传感器结构图1-线圈；2-框架；3-框架衬套；4-支架；5-电缆；6-插头调幅式测量原理示意图回路谐振曲线图电涡流传感器的输出特性第二节振动测量汽轮机振动的监测项目主要有：轴承的振动、转子（轴）与轴承间的相对振动及转子的绝对振动。一、磁电式测振方法磁电式振动传感器采用一定的力学结构并利用了电磁感应原理，它将振动的速度转换成线圈的感应电动势作为传感器的输出信号。此类传感器又分多个种类，按力学原理可分成惯性式和直接式；按活动部件可分为动线圈式和动磁钢式。这里介绍国内应用广泛的惯性动磁钢式振动传感器。磁电式振动传感器结构示意图传感器的力学模型1-引线；2-壳体；3-线圈；4-磁钢；1-集中质量；2-弹簧；3-阻5-芯轴；6-弹簧片；7-弹簧片尼器；4-传感器外壳被测物体的振动最终通过线圈进行检测。当壳体随被测物体一起振动时，线圈对磁钢作相对运动，其相对运动的速度与被测物体的振动速度相等。线圈将以此相对速度切割磁力线，产生与此速度成正比的感应电动势，并以此作为输出信号。此电动势为式中B——磁场气隙中的磁感应强度，T；L——线圈导线的总长度，m；dz／dt——线圈与磁钢之间的相对直线运动的速度，m／s。由于传感器输出的电势与振动速度成正比，用此信号就可监测运动的速度，这种传感器又称为速度传感器。如需要测量振动幅值（Xm或Zm）的大小，就应加一个积分器，对输出电势E进行积分。如积分结果以Eˊ表示，则dtdzBLEtmdttBLZE0)cos()sin(tBLZmttdtdtdzBLEdtE00)sin(tZzm)cos(tZdtdzm图所示是一种积分放大器的原理框图。Ui为速度传感器的输出电势，R1和C1组成了积分电路，经积分后的信号再进行放大，然后由V1检波。检出的脉动直流信号由R2、C2组成的滤波器滤波成平滑的直流，最后送到指示表，指示出振动的幅值。积分放大器的工作原理图二、电涡流式振动传感器用电涡流传感器测汽轮机主轴振动的安装示意图。传感器通过支架固定在机体上，并尽可能靠近轴承座。传感器上加交流电源时，由于电涡流的作用，传感器线圈的等效阻抗、等效电感会随它与主轴之间距离而改变。电涡流传感器安装图1-主轴；2-传感器；3、4-支架；5-机体第三节转速的测量测量转速的方法有很多种，常用的有离心式、测速发电机式、磁阻式、磁敏式和电涡流式等。一、磁阻式测速方法磁阻式测速传感器由测速齿轮和磁阻传感器组成，如图所示。在被测轴上安装一个由导磁材料制成的齿轮，正对齿顶方向或在齿侧安装一个磁阻传感器。该传感器由永久磁钢和感应线圈构成。磁阻式测速传感器示意图1-感应线圈；2-软铁磁轭；3-永久磁钢；4-支架当汽轮机轴带动测速齿轮转动时，每当齿轮的一个齿的顶部转到磁阻传感器的位置时，磁路的气隙最小，磁阻最小，磁通最大。齿顶通过后齿槽转到传感器位置，这时磁路的气隙变得最大，磁阻最大，磁通变为最小。每经过一个齿，磁通就变化一次。磁通的交变使线圈产生交变的感应电动势，其值为式中W——线圈的匝数；Φ——穿过线圈的磁通。因为对确定的传感器，W为定值，dΦ/dt将只决定于轴的转速，所以E与转速有对应关系。传感器线圈产生的交流感应电动势的频率为式中Z——齿轮的齿数；n——转速。如齿轮做成z=60，则f=n，即交流信号的频率就等于被测的转速。VdtdWE81060nzf二、磁敏式测速传感器当长方形半导体薄片（即霍尔片）受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会出现霍尔效应产生霍尔电势，还会出现半导体电阻率增大的现象，即所处的磁场越强，半导体片的电阻率越大，电阻也越大，这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应可制成磁阻器件，又称为磁敏电阻。当测速齿轮随主轴旋转，某一个齿的顶部接近传感器时，由于磁场的变化，两个磁敏电阻R1和R2的阻值均发生变化，一个增大，另一个减小。使电桥失去平衡，输出电压信号；当该齿离开传感器时，磁场向反方向改变，两磁敏电阻向反方向变化，电桥向反方向不平衡，输出极性相反的电压信号。每当一个齿经过传感器一次，桥路输出电压信号就变化一次。此交变的输出电压经触发电路5和快速推挽直流放大器，变成一个边缘很陡的脉冲信号。该脉冲信号的频率为60nzf磁敏式转速测量装置示意（a）结构；（b）电气线路1-测速齿轮；2-传感器；3-磁敏电阻；4-稳压器；5-触发电路；6-放大电路三、电涡流法测转速电涡流法测转速的原理与测位移、振动情况相同。用电涡流传感器测转速，要在被测转动轴上开一条或几条槽，或在轴上安装一个有齿的圆盘，并在紧靠它的位置安装电涡流传感器。每当轴上的一根槽或圆盘上的一个齿通过电涡流传感器一次，传感器的涡流作用就变化一次，使传感器线圈的有效阻抗、有效电感随之变化一次。随着轴的转动，传感器线圈的有效阻抗、有效电感将会作周期性变化，经过测量电路的处理，最终输出周期性变化的脉冲信号，其频率为式中Z——糟数或齿数。当制成z=60时，f=n，电脉冲信号的频率就等于轴的转速。60nzf