电涡流式传感器测汽轮机转速

赵慧娴

【文章摘要】

电涡流测速传感器是一种非接触测量工具，能够准确测量被测体与探头端面之间静态和动态的相对位移变化量，利用该电涡流效应制成的高精度传感器称为电涡流测速传感器。利用电涡流转速传感器可以进行汽轮机零转速测量、涡轮增压器转速测量等。

【关键词】

电涡流式传感器；转速测量；磁场；非接触性测量

0 引言

汽轮机转子转速的测量是火电厂正常运行的重要保障也是工业领域和科研的重点研究对象。汽轮机的启动时转子由静止状态逐步加速至额定转速，负荷由零逐步增至额定值或某预定值，停止相反，为保证转速不超出额定值需要对其进行无间断的测量。在发生并网和接带负荷时，转速会随着电网频率的变化而改变，一般不需要监视。当汽轮机遇到突发事故，外界负荷发生变化，汽轮机产生自调节性能，转速发生很大变化，尤其是在甩负荷时转速最大，往往引起超速，会发生严重事故。这种情况下，转速测量需要重点监视和控制，给转子超速保护提供信号，以确保汽轮机始终在额定转速左右运行。连续可靠的汽轮机发电机组转子转速测量可以使电频率和电压稳定，保证用电质量，也可以确保发电机组并列安全运行。汽轮机转速可利用电涡流式转速传感器进行检测。

1 电涡流式传感器的工作原理

由法拉第电磁感应定律可知，将块状金属置于变化的磁场中，或者将其放入磁场做磁力线切割运动时，旋涡状感应电流将在导体内产生出来，此电流即称之为电涡流，这种现象即是电涡流效应。电涡流感应器就是利用电涡流感应器效应制成的一种电磁传感器，其最大特点是进行非接触的测量。

图1为电涡流式传感器的原理图，该图由传感器线圈和被测导体组成线圈一导体系统。

图一解释了电涡流传感器的作用原理，这是一个系统的导体系统，由传感器线圈和被测导体组成。由法拉第电磁感应定律可知，当正弦交变电流I1通过感应线圈时，正弦交变磁场H1就会在线圈周围空间产生，感应电涡流I2就会在置于此磁场中的金属导体中产生，从而使得新的交变磁场H2从I2中产生。

由楞次定律原理可知，原磁场H1将受到H2作用的反抗，磁场H2使得涡流消耗部分能量，导致等效阻抗在传感器线圈中发生变化。所以，被测金属导体的电涡流效应将完全决定线圈阻抗的变化。电涡流效应将与磁导率、线圈几何形状、几何参数、被测的电阻率、线圈中激磁电流频率f、线圈与导体的距离x等众多因素有关。因此，可以得出等效阻抗Z的函数关系式为

Z=F（p，u，r，f，x），

其中r为被测体与线圈的尺寸因子系数，它受传感器线圈受电涡流影响。

假设保证其中大部分参数稳定不变，只使其中一个参数做出改变，这样传感器的线圈阻抗z与此参数的单值函数就会相应形成。接下来，改变传感器的配用电路测出阻抗z，即可测量该参数的非电量，这个基本的工作原理简要解释了电涡流传感器的基本工作流程。

2 电涡流式转速传感器的工作原理

如图所示为汽轮机转速测量图。在汽轮机的轴上装一个小孔测速盘，将一个涡流式测速传感器安装在测速盘的直径方向上。特别需要指出的是，要保留合适的间隙置于传感器探头和测速盘凸头之间，以避免误差和造成探头受损。当驱动测速盘时，脉冲信号从测速盘上的小孔测速传感器发出，此刻汽轮机转子的转速与信号出现频率呈正比關系，利用数字式频率表的形式，就可以感知传感器中发出的脉冲信号并进行测量计算，并将所得结果进行相应的换算，计算出汽轮机转子的转速。在这里我们假设在测速盘上出现f个小孔，采样时间的单位我们定义为S，那么在时间t内，我们检测到了m个周期信号，最后将转子速度定义为n，便可由下面公式求出结果：

根据以上公式我们可以看出，处于测量结果换算的便利，我们设计测量盘含有i=60个齿，那么每分钟使转子转一周，就会有60个脉冲从测速探头发出，对应的是1HZ，转子的转速值即为频率表所测频率。

（a）光线被遮住，接收器无信号 （b）光线未被遮住，接收器有信号光电式速度传感器原理图

（a）光线被遮住，接收器无信号 （b）光线未被遮住，接收器有信号

光电式速度传感器原理图

3 电涡流转速传感器的使用条件

3.1 电涡流传感器的工作温度不宜过高，以180℃为界限，如果温度≥180℃，传感器的灵敏度大幅降低，传感器本身会也有所损坏。所以只有特质的高温涡流传感器才允许在汽封附近工作，普通传感器则应安装在轴瓦内。

3.2 被测体表面积应大于以探头直径3倍为直径的圆面积，电涡流传感器的传感器头部周围应留有一定的非导电介质空间，如需安装两个或两个以上传感器则各传感器之间也应保持一定距离，以防产生交叉干扰影响正常测量。被测体表面不允许电镀，要保持光滑平整，没有伤痕和缝隙。

3.3 探头支架应有足够的刚度足以抵抗被测体振动时产生的自振。

3.4 被测体表面与传感器之间的间隙在仪表盘上的电压称之为间隙电压，二者之间的间隙称之为初始间隙，调整好初始间隙，在一定间隙电压值下才会形成较好的线性度。

4 结束语

旋转机械装置转速测量可以保证整个系统安全稳定运行，是重要的运行参数。电涡流测速传感器在速度分析测量中，特别是对非接触的转动信号，能连续准确地采集到振动、转动等轨迹运动的多种参数。目前电涡流测速传感器主要用于研究测定高速旋转的机械和往复式运动的机械的运动轨迹数据。电涡流传感器测量转速有可以同时响应零转速和高转速，抗干扰能力强，非接触测量，永不磨损等优势，是其他传感器无法比拟的。

【参考文献】

[1]马东丽，赵辉；用于调频式电涡流传感器的高稳定性LC振荡电路[J]；计算机测量与控制；2004年03期

[2]何文辉；颜国正；郭旭东；一种新型电涡流传感器的理论分析[J]；上海交通大学学报；2006年03期