第八章 机械量检测及仪表

第八章机械量检测及仪表机械量检测仪表是用来对尺寸、位移、力、重量、转矩、速度和振动等参数进行测量的仪表。检测机械量的传感器大多数是把这些参数变换成电量，再用电测仪表进行测量。火电厂的汽轮机组是一种高速旋转的大型设备，为了保障机组运行的经济性，其转动部分（如转子、叶片、主轴）与静止部分（如汽缸、喷嘴和隔板、汽封）之间的间隙都设计的很小。在机组启动、运行和停止过程中，动、静部分相对膨胀、收缩量较大。如果发生动静部分摩擦、碰击，就有可能产生汽轮机的轴封磨损、叶片断裂，甚至整机损坏的事故。此外，当汽轮机调速系统发生故障，以及主轴发生弯曲时，机组将产生超速及过大的振动。为了保证机组的安全运行，汽轮机上应装设转速、轴向位移、热膨胀、振动及大轴弯曲等机械参数的测量仪表和装置。这些仪表通常可称为汽轮机保护仪表或机械参数测量仪表。第一节位移测量测量位移的传感器种类很多，工作原理各不相同。目前火电厂中测量位移常使用的传感器有电涡流式传感器和线性变化差动变压器式传感器。一、电涡流式传感器电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。下面主要介绍应用广泛的高频反射式电涡流传感器。1.组成电涡流传感器由探头、延伸电缆、前置器三部分组成，如上图所示。探头的外形如图所示。它的外形与普通螺栓十分相似，头部有扁平的感应线圈，把它固定在不锈钢螺栓一端，感应线圈的引线从螺栓的另一端与高频电缆相连。(a)外形(b)结构示意1-头部线圈；2-固定螺帽；3-高频电缆电涡流传感器2、工作原理电涡流式传感器是在涡流效应的基础上建立起来的。0)()(222112111ILjRIMjUIMjILjR根据基尔霍夫定律，由图可列出下列方程式对上述方程联立求解，可得1221111)(ILjRMjMjILjRU1222222221222222221ILRMLLjLRMRR12121ILLjRR1IZ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。3.测量电路调幅式测量方法调幅式测量原理示意谐振曲线波形图我国大型汽轮机上使用的公司的系列和美国公司的7200系列汽轮机监视保护装置中，都采用了电涡流传感器。对于系列的高频涡流位移传感器，当线性测量范围为时，灵敏度为,测量范围为时，灵敏度为；测量范围为时，灵敏度为。0.5mm16/Vmm1.0mm8/Vmm2.0mm4/VmmPhilips700RMSBently涡流传感器的特性曲线二、电感式位移测量装置电感式传感器种类很多，根据转换原理不同，可分为自感式和互感式两种；根据结构型式不同，可分为气隙型和螺管型两种。下图所示的位移测量装置采用了变气隙互感式原理，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。位移传感器结构示意1—被测物体的凸缘；2—电感位移发信器；3—调整装置；4—显示仪表；5—磁饱和稳压器线性变化差动变压器也采用了螺管型互感式原理，是美国7200系列中线性位移传感器，可用于测量汽轮机的热膨胀、相对热膨胀和轴向位移，也可用于汽阀调节的行程机构中。线性差动变压器线性差动变压器的输出()LVDTBently由此可见，线性变化差动变压器的输出电动势之差正比于被位移量。其比例常数取决于原绕组端电压、电感、耦合系数、绕组匝数、气隙导磁率、磁通面积及绕组尺寸等。公式中负号表示感应电动势方向与原电压方向相反。三、位移测量应用举例1.汽轮机轴向位移的测量为了监视汽轮机推力轴承的工作状况，一般在推力瓦上装有温度测点（回油温度计），再有，在转子凸缘处装上型铁芯或高频涡流位移检测装置，以测取运行中的实际轴向位移量。汽轮发电机正常运行时，轴向位移量为0.381～2.159mm；超过以上范围，且在0.254～2.268mm范围之内，则必须减负荷运行；最后若超出0.254～2.268mm范围，则应停机跳闸保护。xKxxlSWWkLUE2000002x300MW2.机组热膨胀的测量测量缸胀或差胀的传感器可以用型铁芯传感器、高频涡流传感器或线性变化差动变压器。机组高、中、低压缸缸（差）胀示意1-推力轴承-转子死点；2—差胀装置；3—内汽缸死点；4—外汽缸死点；5—支持轴承；6—缸胀装置；HP—高压汽缸；IP—中压汽缸；LP-1、2—低压汽缸1和低压汽缸2第二节振动测量振动是经常发生的一种物理现象。机械振动在很多情况下总是有害的，它使机器的零部件加快失效，破坏机器的正常工作，降低设备的使用寿命，甚至导致机器部件损坏而产生事故。在火电厂中，汽轮机由于转轴失稳、转子动平衡欠佳及转系中心不准，在运行中会产生不同程度的振动。振动过大，会加速轴封的磨损，转动部件的疲劳强度下降，调速系统不稳定，甚至引起重大事故。因此，在汽轮机启停和运行中，对轴承和大轴的振动必须严格进行监视。用来表述振动状态的参数有：振动的位移、振动的速度、振动的加速度、振动的频率、振动的烈度和振动的频谱。若振动复合波形中最简谐振动为正弦波，则它们的关系如下：()sin()xtXt)cos()cos()(tVtXtv)sin()sin()(2tAtXta式中——振动角频率；——振动相位角；、、——分别为振动的位移量、振动速度幅值和振动加速度幅值。XVA国际标准中规定用振动烈度作为描述振动状态的特征量，并规定在机器的重要位置上（例如轴承和地脚固定处等）所测得的振动速度的最大有效值，作为机器的振动烈度。如果测得随时间变化的振动速度后，则由下式可计算出振动速度的有效值式中T——计算时所取的某一时间间隔。目前我国汽轮机还采用振动的幅值大小作为评价振动强弱的参数，例如机组，其轴颈处正常振幅应小于，最大也不应超过。)(tvrmsvTrmsttvTv02d)(1300MW76m127m一、磁电式传感器振动系统模型磁电式传感器结构示意1—质量块；2—弹簧；1—引线；2—壳体；3—线圈；4—磁钢3—阻尼器；4—被测振体5—芯轴；6—阻尼杯；7—弹簧片磁电式传感器的结构如上图所示。传感器的磁钢4与壳体2固定在一起。芯轴5穿过磁钢的中心孔，并由左右两片柔软的圆形弹簧片7支承在壳体上。芯轴的一端固定着一个线圈3；另一端固定一个圆筒形铜杯（阻尼杯6）。当振动频率远远高于传感器的固有频率时，线圈接近静止不动，而磁钢则跟随振动体一起振动。这样，线圈与磁钢之间就有相对运动，其相对运动的速度等于物体的振动速度。线圈以相对速度切割磁力线，传感器就有正比于振动速度的电势信号输出。根据电磁感应原理，线圈3中感应电动势为0()tdxdxEWBLWBLVdtdt0cosEWBLXt由于磁电式传感器的输出电动势与振动速度成正比，故也称为速度传感器。可以看出，这种速度传感器的输出信号不仅与被测振幅有关，还与其振动频率有关。若利用积分放大器对电势进行积分，得到：取其最大值（峰值），则为这样，积分放大器的输出只与振动的幅值成正比，而与振动的频率无关了。tWBLXttXWBLtvWBLtEtttsindcosdd0000000maxdWBLXtEt二、机组振动监测系统振动监测系统通常具有下列测振内容：（1）采用复合式振动传感器测取主轴的绝对振动量。国家或公司正常值（μm）报警值（μm）紧急停机值（μm）ISO轴相对振动≤80≥165≥250ISO轴绝对振动≤100≥200≥300国产300MW机组50～6090～110130～160美国西屋公司≥125≥254美国GE公司≤100≥127≥178日本三菱公司≤50≥125≥200日本日立公司≤76≥125≥152轴振动评价标准参考表（2）由振动量及转速工况确定安全、报警、停机的区域，以指导机组的实时工况操作。采用振动位移和振动速度两种信号综合，可以及时防止机组动、静部分的摩擦。（3）采用矢量监视器测知转速与振动幅值及相角以指导机组启动或停止过程中的轴故障（如裂纹）或动平衡程度的征兆出现与否。（4）采用频谱仪对振动信号进行频谱分析，对振动频率、相位、振幅等参数作实时记录，通过对启停过程的分析，了解机组存在某种隐患缺陷。第三节转速测量转速是热力机械的一个重要参数。火电机组要维持电网的周波不变，就必须及时调节汽轮机的转速，使其维持在3000转/分。汽轮机高速旋转时，各转动部件会产生很大的离心力，这个离心力直接与材料承受的应力有关，而离心力与转速的平方成正比。在设计时，转动部件的强度裕量是有限的。运行时若转速超过额定值，就会发生严重损坏设备事故，甚至会造成飞车事故。特别在启动升速过程中，还会遇到临界转速的影响，使机组产生较大的振动，甚至发生共振而大大超过设计强度，故在启/停过程中也要求准确地测量转速，尽快越过各个临界值转速。一、转速传感器测量转速常用的有磁阻式、磁敏式和涡流式转速传感器。1.磁阻式转速传感器（a）开磁路磁阻式转速传感器（b）闭磁路磁阻式转速传感器磁阻式转速传感器1，9-永久磁铁；2-软铁；3-感应线圈；4-齿轮；5-转轴；6-内齿轮；7a，7b-外齿轮；8-线圈磁阻式转速传感器采用转速—脉冲变换电路，如图所示。传感器感应电压由二极管V削去负半周，送到V1进行放大，再由射极跟随器V2送入V3和V4组成的射极耦合触发器进行整形，得到方波输出信号。磁阻式转速—脉冲转换电路2.磁敏式转速传感器磁敏式转速传感器采用磁敏差分原理进行转速测量。传感器内装有一个小永久磁铁；在磁铁上装有两个相互串联的磁敏电阻。当软铁或钢等材料制成的测速齿轮接近传感器旋转时，传感器内部的磁场受到干扰，磁力线发生偏移，磁敏电阻的阻值发生变化，两个磁敏电阻R1、R2串联接成差动回路，与传感器电路中的两个定值电阻R3、R4组成一个惠斯登电桥。磁敏式转速测量装置示意(a)传感器示意图(b)磁敏式转速测量电路示意图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3.涡流式转速传感器采用电涡流传感器测速时，在旋转轴上开一条或数条槽，或者在轴上安装一块有轮齿的圆盘或圆板，在有槽的轴或有轮齿的圆板附近装一只电涡流传感器。当轴旋转时，由于槽或齿的存在，电涡流传感器将周期性地改变输出信号电压，此电压经过放大、整形变成脉冲信号，然后输入频率计指示出脉冲数，或者输入专门的脉冲计数电路指示频率值。此脉冲数（或频率值）与转速相对应。如有60个槽或齿，若频率计指示3000Hz，则转速为3000r/min，这时每分钟的转数就可直接读出。如果轴上无法安装齿形圆板或者不能开槽，那么也可利用轴上的凹凸部分来产生脉冲信号，例如轴上的键槽等。这种传感器的测量范围很宽，转速在1～10000范围内均可测量。二、转速监测器上述三种传感器都是把转速转换成与转速成比例的脉冲信号。要读出转速，还必须计算这些脉冲数。根据计算方法分为测频率法和测周期法，相应的监测仪器为数字转速监测器和零转速监测器。1.数字转速监测器放大整形电路主门电路计数器寄存显示单元晶体振荡器分频器门控、复原及寄存控制系统输入信号秒信号清零信号寄存信号JSS-2型数字显示式转速表的原理方框图2.零转速监测器零转速监测器用于连续监视机组的零转速状态。由于被测转速很低，如果还是采用上述的计数法测频率，则量化误差很大。为了提高低频测量的准确度，通常采用反测法，即先测出被测信号的周期Tx，再以周期的倒数来求得被测频率fx。测周期时，门控信号是整形后的被测信号，即门控时间为被测信号的周期Tx，而晶振信号经整形后直接输入门控电路，相当于被测信号。不难理解，计数器的记数值为N时，被测周期Tx为ccxNTfNT式中——晶体振荡器的振荡频率