電渦流傳感器的原理以及實際應用

一、 概述

我公司#1、#2小汽輪機TSI（汽輪機監視系統）使用美國本特立.內華達公司生產的3500 電渦流傳感器系統，本系統為我公司#1、#2小機TSI系統提供準確可靠的監測數據。

在#1、#2小機TSI系統中主要使用了本特立.內華達公司的3500 XL 8 mm 電渦流傳感器，這種電渦流傳感器提供最大80 mils (2 mm)線性范圍和200 mV/mil的輸出。它在大多數機械監測應用中用于徑向振動、軸向位移、轉速和相位的測量。

二、 工作原理

電渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，我公司主要使用高頻反射式電渦流傳感器，下面將對其工作原理作以闡述：

電渦流傳感器是基于電磁感應原理而工作的，但又完全不同于電磁感應，并且在實際測量中要避免電磁感應對其的干擾。電渦流的形成：現假設有一線圈中的鐵心是由整塊鐵磁材料制成的，此鐵心可以看成是由許多與磁通相垂直的閉合細絲所組成，因而形成了許多閉合的回路。當給線圈通入交變的電流時，由于通過鐵心的磁通是隨著電流做周期性變化的，所以在這些閉合回路中必有感應電動勢產生。在此電動勢的作用下，形成了許多旋渦形的電流，這種電流就稱為電渦流。電渦流傳感器的工作原理如下圖所示：

當線圈中通過高頻電流i時，線圈周圍產生高頻磁場，該磁場作用于金屬體，但由于趨膚效應，不能透過具有一定厚度的金屬體，而僅作用于金屬表面的薄層內。在交變磁場的作用下金屬表面產生了感應電流Ie，即為渦流。感應電流也產生一個交變磁場并反作用于線圈上，其方向與線圈原磁場方向相反。這兩個磁場相互疊加，就改變了原來線圈的阻抗Z，Z的變化僅與金屬導體的電阻率ρ、導磁率u、激勵電磁強度i、頻率f、線圈的幾何形狀r以及線圈與金屬導體之間的距離有關。線圈的阻抗可以用如下的函數式表示：Z=F(ρ 、u、i、f、d）。當被測對象的材料一定時，ρ、u為常數，儀表中的i、f、d也為定值，于是Z就成為距離d的單值函數。

三、 實際應用

電渦流傳感器以其測量線性范圍大，靈敏度高，結構簡單，抗干擾能力強，不受油污等介質的影響，特別是非接觸測量等優點，而得到了廣泛的應用。在火電廠中主要應用在以下幾個監測項目：

1、轉子轉速：在機組運行期間，連續監視轉子的轉速，當轉速高于給定值時發出報警信號或停機信號。其工作原理：根據電渦流傳感器的工作原理可知，趨近式電渦流探頭和運行的轉子齒輪之間會產生一個周期性變化的脈沖量，測出這個周期性變化的脈沖量，即可實現對轉子轉速的監測。

2、轉子零轉速：零轉速是機組在一種低于最小旋轉速度下運轉的指示，這是為了防止機組在停車期間轉軸的重力彎曲。工作原理和轉子轉速工作原理相同。

3、偏心：轉子的偏心是其受熱應力彎曲的一種指示，它是在齒輪機構盤車時觀測到的，它為轉子不對中提供可靠、準確的監測數據。渦流探頭可以連續監測偏心度的峰-峰值，此值和鍵相脈沖同步。其工作原理：偏心探頭安裝在汽輪機前軸承箱內軸頸處，其核心部分是一個電感線圈。當大軸旋轉時，如果有偏心度，則軸與電感線圈的距離出現周期性的變化，使電感線圈的電感量產生周期性的變化，測出這個電感量的變化值，就可以測出軸的偏心度。

4、鍵相：鍵相是描述轉子在某一瞬間所在位置的一個物理量，鍵相探頭和偏心探頭一起監測大軸的偏心度，能夠準確反應出大軸發生偏心的具體相位角。其工作原理：鍵相測量就是通過在被測軸上設置一個凹槽或凸槽，稱為鍵相標記。當這個凹槽或凸槽轉到探頭位置時，相當于探頭與被測面之間距離發生改變，傳感器會產生一個脈沖信號，軸每轉一圈就會產生一個脈沖信號，產生的時刻表明了軸在每轉周期中的位置。因此通過將脈沖信號與軸的振動信號進行比較，就可以確定振動的相位角。

5、振動：電渦流探頭主要監視主軸相對于軸承座的相對振動。其工作原理：電渦流探頭的線圈和被測金屬體之間距離的變化，可以變換為線圈的等效電感、等效阻抗和品質因素三個電參數的變化，再配以相應的前置放大器，可進一步把這三個電參數變換成電壓信號，即可實現對振動的測量。振動產生主要有以下幾個原因：

（1） 由于機組運行中中心不正而引起振動。機組運行中若真空下降，將使排汽溫度升高，后軸承上抬，因而破壞機組中心引起的振動。

（2） 由于轉子質量不平衡而引起振動。

（3） 由于轉子發生彈性彎曲而引起振動。

（4） 由于軸承油膜不穩定而引起振動。

（5） 由于汽輪機內部發生摩擦而引起振動。

（6） 由于水沖擊而引起振動。

（7） 汽輪機在達到臨界轉速時發生振動。

6、軸向位移：軸向位移是指機組內部轉子沿軸心方向，相對于推力軸承二者之間的間隙而言。通過對軸向位移的測量，可以指示旋轉部件與固定部件之間的軸向間隙或相對瞬時的軸向變化。它的工作原理與振動測量原理相同，但是需要說明一點，軸向位移的測量經常與軸向振動搞混。軸向振動是指傳感器探頭表面與被測體沿軸向之間距離的快速變動，用峰峰值表示，它與平均間隙無關。

7、脹差：機組在運行時轉子受熱要發生膨脹，因為轉子受推力軸承的限制，所以只能沿軸向往低壓側伸長。由于轉子體積小，而且直接受蒸汽的沖擊，因此升溫和熱膨脹比較快，而汽缸的體積較大，升溫和熱膨脹相對要慢一些。當轉子和汽缸的熱膨脹還沒有達到穩定之前，它們之間存在的熱膨脹值簡稱脹差。關于脹差方向的規定：在機組啟動或增負荷時，是一個蒸汽對金屬的加熱過程，轉子升溫快于汽缸，大于汽缸的膨脹值稱為正脹差。在停機或減負荷時，是一個降溫過程，轉子降溫快于汽缸，所以轉子收縮的快，也就是轉子的軸向膨脹值小于汽缸的膨脹，稱為負脹差。

四、 電渦流傳感器的安裝

1、 安裝注意事項

（1） 探頭的安裝間隙。

（2） 探頭頭部與安裝面的安全間距。

（3） 電纜轉接頭的密封與絕緣。

（4） 探頭抗腐蝕性。

（5） 各探頭間的最小間距。

（6） 探頭安裝支架的牢固性。

（7） 探頭所帶電纜、延伸電纜的安裝。

（8） 探頭的高溫高壓環境。

2、影響傳感器特性的因素：

（1） 被測體表面平整度對傳感器的影響

不規則的被測體表面，會給實際測量帶來附加誤差，因此被測體表面應該平整光滑，不應存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。

（2） 被測體表面磁效應對傳感器的影響

電渦流效應主要集中在被測體表面，如果由于加工過程中形成殘磁效應，以及淬火不均勻、硬度不均勻、結晶結構不均勻等都會影響傳感器特性。

（3） 被測體表面鍍層對傳感器的影響

被測體表面的鍍層對傳感器的影響相當于改變了被測體材料，視其鍍層的材料、厚薄，傳感器的靈敏度會略有變化。

（4） 被測體表面尺寸對傳感器的影響

由于探頭線圈產生的磁場范圍是一定的，而被測體表面形成的渦流也是一定的。這樣就對被測體表面大小有一定要求。通常，當被測體表面為平面時，以正對探頭中心線的點為中心，被測面直徑應大于探頭頭部直徑的1.5倍以上。當被測體為圓軸且探頭中心線與軸心線正交時，一般要求被測軸直徑為探頭頭部直徑的3倍以上，否則傳感器的靈敏度會下降，被測體表面越小，靈敏度下降越多。實驗測試，當被測體表面大小與探頭頭部直徑相同，其靈敏度會下降到72%左右。被測體的厚度也會影響測量結果。被測體中電渦流場作用的深度由頻率、材料導電率、導磁率決定。因此如果被測體太薄，將會造成電渦流作用不夠，使傳感器靈敏度下降。

3、傳感器的安裝要求

（1） 對工作溫度的要求

一般渦流傳感器的最高允許溫度≤180ºC，實際上如果工作溫度過高，不僅傳感器的靈敏度會顯著降低，還會造成傳感器的損壞，因此測量汽輪機高、中、低轉軸振動時，傳感器必須安裝在軸瓦內，只有特制的高溫渦流傳感器才允許安裝在汽封附近。

（2） 對被測體的要求

為防止電渦流產生的磁場影響儀器的正常輸出，安裝時傳感器頭部四周必須留有一定范圍的非導電介質空間。若在測試過程中某一部位需要同時安裝兩個或以上傳感器，為避免交叉干擾，兩個傳感器之間應保持一定的距離。另外，被測體表面積應為探頭直徑3倍以上，表面不應有傷痕、小孔和縫隙，不允許表面電鍍。被測體材料應與探頭、前置器標定的材料一致。

（3） 對探頭支架的要求

探頭通過支架固定在軸承座上，支架應有足夠的剛度以提高其自振頻率，避免或減小被測體振動時支架的受激自振。

（4） 對初始間隙的要求

電渦流傳感器應在一定的間隙電壓（傳感器頂部與被測物體之間間隙，在儀表上指示一般是電壓）值下，其讀數才有較好的線性度，所以在安裝傳感器時必須調整好合適的初始間隙。

轉子旋轉和機組帶負荷后，轉子相對于傳感器將發生位移。如果把傳感器裝在軸承頂部，其間隙將減少；如裝在軸承水平方向，其間隙取決于轉子旋轉方向；當轉向一定時，其間隙取決于安裝在右側還是左側。為了獲得合適的工作間隙值，在安裝時應估算轉子從靜態到轉動狀態機組帶負荷后軸頸位移值和位移方向，以便在調整初始間隙時給予考慮。根據現場經驗，轉子從靜態到工作轉速，軸頸抬高大約為軸瓦間隙的1/2；水平方向位移與軸瓦形式、軸瓦兩側間隙和機組滑銷系統工作狀態有關，一般位移值為0.05-0.20mm。

在調整傳感器初始間隙時，除了要考慮上述這些因素外，還要考慮最大振動值和轉子原始晃擺值。傳感器初始間隙應大于轉軸可能發生的最大振幅和轉軸原始晃擺值的1/2。

3、安裝步驟

（1） 探頭插入安裝孔之前，應保證孔內無雜物，探頭能自由轉動而不會與導線纏繞。

（2） 為避免擦傷探頭端部或監視表面，可用非金屬測隙規測定探頭的間隙。

（3） 也可用連接探頭導線到延伸電纜及前置器的電汽方法整定探頭間隙。

當探頭間隙調整合適后，旋緊防松螺母。此時應注意，過分旋緊會使螺紋損壞。探頭被固定后，探頭的導線也應牢固。延伸電纜的長度應于前置器所需的長度一致。任意的加長或縮短均會導致測量誤差。

前置器應置于鑄鋁的盒子內，以免機械損壞及污染。不允許盒子上附有多余的電纜，在不改變探頭到前置器電纜長度的前提下，允許在同一個盒內裝有多個前置器，以降低安裝成本，簡化從前置器到監視器的電纜布線。采用適當的隔離和屏蔽接地，將信號所受的干擾降至最低限度。

4、延伸電纜的安裝

延伸電纜作為連接探頭和前置器的中間部分，是渦流傳感器的一個重要組成部分，所以延伸電纜的安裝應保證在使用過程中不易受損壞，應避免延伸電纜的高溫環境。探頭與延伸電纜的連接處應鎖緊，接頭用熱縮管包裹好，這樣可以避免接地并防止接頭松動。在盤放延伸電纜時應避免盤放半徑過小而折壞電纜線。一般要求延伸電纜盤放直徑不得小于55mm.

5、前置器的安裝

前置器是整個傳感器系統的信號處理部分，要求將其安裝在遠離高溫環境的地方，其周圍環境應無明顯的蒸汽和水珠、無腐蝕性的汽體、干燥、振動小、前置器周圍的環境溫度與室溫相差不大的地方。安裝時前置器殼體金屬部分不要同機殼或大地接觸。安裝時必須避免有其他干擾信號影響測量電路。

6、轉速、零轉速、偏心、鍵相傳感器安裝間隙的鎖定

這四種傳感器均可采用塞尺測量安裝間隙的方法進行安裝。在探頭端面和被測面之間塞入設定安裝間隙厚度的塞尺，這四種傳感器的安裝間隙約為1.3mm左右。當探頭端面和被測面壓緊塞尺時，緊固探頭即可。

7、軸振動傳感器安裝間隙的鎖定

將探頭、延伸電纜、前置器連接起來，并給傳感器系統接上電源，用精度較高的萬用表監測前置器的輸出電壓，同時調整探頭與被測面的間隙，當前置器的輸出電壓大約在10-11vDC之間時，擰緊探頭的兩個緊固螺母固定探頭即可。

8、軸位移的零位鎖定

（1） 軸位移監測系統的測量原理：

3500軸位移監測系統是利用渦流傳感器的輸出電壓與其被測金屬表面的垂直距離在一定范圍內成正比的關系，將位移信號轉換成電壓信號送至監測器，從而實現監測和保護的目的。

（2） 軸位移傳感器的零位鎖定：

軸位移傳感器零位鎖定必須參考的因素 ：

a) 大軸推力瓦的間隙△值

b) 大軸所在位置（即大軸推力盤已靠在推力瓦的工作面或非工作面）

c) 位移監測器及傳感器的校驗數據

已知：△=0.36mm，軸位移監測器量程為±1.25mm，大軸推力盤靠在工作面。

軸位移以傳感器的零位電壓計算值鎖定較為準確可靠。以11mm傳感器為例，已知：△=0.36mm，大軸推力盤靠在工作面，軸位移監測器量程為±1.25mm，傳感器靈敏度F=4.0V/mm，零位安裝電壓Vo=10.0V。則零位電壓X的計算：

X=Vo-F×1/2×△=9.28V

最終零位鎖定后，監測器應顯示為-0.18mm。

注：若大軸推力盤靠在推力瓦的非工作面，則X應按下式計算：

X=Vo+F×1/2×△=10.72V

最后，按照計算出的X 值安裝鎖定傳感器，監測器顯示應為0.18mm

（3） 現場安裝調試中傳感器零位鎖定應注意的問題：

a) 未考慮推力瓦間隙，表計會產生1/2×△mm的測量誤差。

b) 將1/2×△mm的推軸間隙調反，表計會產生△mm的測量誤差。

五、電渦流傳感器的常見故障及處理方法

1、常見故障：

（1） 電渦流探頭損壞。

（2） 探頭導線與延伸電纜的連接頭松動。

（3） 延伸電纜與前置器的連接處松動。

（4） 前置器、延伸電纜故障。

（5） 延伸電纜接地。

（6） 探頭導線與延伸電纜的連接頭絕緣不好而接地。

2、 處理方法：

（1） 更換電渦流探頭。

（2） 緊固探頭導線與延伸電纜的連接頭。

（3） 緊固延伸電纜與前置器的連接螺絲。

（4） 更換前置器、延伸電纜。

（5） 更換延伸電纜或將其破損接地部分用絕緣帶包好。

（6） 將探頭導線與延伸電纜的連接頭用熱縮管包裹好。

3、對常見故障處理方法的幾點建議：

（1） 更換電渦流探頭時應注意避免碰傷探頭，不可將連接導線多次纏繞。

（2） 探頭導線與延伸電纜的連接處為帶有鎖緊功能的鎖頭，在緊固時應避免用力過猛，以免損壞鎖頭。

（3） 緊固延伸電纜與前置器的連接螺絲不可用力過大，以免造成螺絲滑絲。

（4） 更換后的前置器應與探頭、延伸電纜型號一致，應將前置器放在鑄鋁的盒子內，避免有其他干擾信號影響測量精度。

（5） 更換延伸電纜時應注意電纜的盤管直徑不應太小，以免造成對電纜的損傷。一般規定盤管直徑不得小于55mm。

（6） 在處理探頭導線與延伸電纜的連接頭時應用熱縮管包裹，不要用電工膠帶，這樣油霧會溶解膠帶上的沾性物而污染接頭。在需打開探頭導線與延伸電纜的連接頭時，用刀片在接頭金屬處劃開一小口即可，在此過程中當心將電纜劃傷。

4、 處理常見故障時可能發生的危險點：

（1） 誤碰其他運行設備，工作人員應相互監督。

（2） 運行中更換振動探頭發生高溫燙傷，應戴防護手套。

（3） 更換延伸電纜時由于盤管直徑太小而損傷電纜，盤管直徑不能小于55mm。

（4） 更換探頭時碰傷探頭，工作人員應采取相應防護措施。

（5） 由于溫度過高造成對探頭的損傷，探頭的工作溫度一般應小于180ºC，只有特制的高溫渦流傳感器才允許安裝在汽封附近。