电涡流传感器的原理以及实际应用

一、 概述

我公司#1、#2小汽轮机TSI（汽轮机监视系统）使用美国本特立.内华达公司生产的3500  电涡流传感器系统，本系统为我公司#1、#2小机TSI系统提供准确可靠的监测数据。

在#1、#2小机TSI系统中主要使用了本特立.内华达公司的3500 XL 8 mm 电涡流传感器，这种电涡流传感器提供最大80 mils (2 mm)线性范围和200 mV/mil的输出。它在大多数机械监测应用中用于径向振动、轴向位移、转速和相位的测量。

二、 工作原理

电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，我公司主要使用高频反射式电涡流传感器，下面将对其工作原理作以阐述：

电涡流传感器是基于电磁感应原理而工作的，但又完全不同于电磁感应，并且在实际测量中要避免电磁感应对其的干扰。电涡流的形成：现假设有一线圈中的铁心是由整块铁磁材料制成的，此铁心可以看成是由许多与磁通相垂直的闭合细丝所组成，因而形成了许多闭合的回路。当给线圈通入交变的电流时，由于通过铁心的磁通是随着电流做周期性变化的，所以在这些闭合回路中必有感应电动势产生。在此电动势的作用下，形成了许多旋涡形的电流，这种电流就称为电涡流。电涡流传感器的工作原理如下图所示：

当线圈中通过高频电流i时，线圈周围产生高频磁场，该磁场作用于金属体，但由于趋肤效应，不能透过具有一定厚度的金属体，而仅作用于金属表面的薄层内。在交变磁场的作用下金属表面产生了感应电流Ie，即为涡流。感应电流也产生一个交变磁场并反作用于线圈上，其方向与线圈原磁场方向相反。这两个磁场相互叠加，就改变了原来线圈的阻抗Z，Z的变化仅与金属导体的电阻率ρ、导磁率u、激励电磁强度i、频率f、线圈的几何形状r以及线圈与金属导体之间的距离有关。线圈的阻抗可以用如下的函数式表示：Z=F(ρ 、u、i、f、d）。当被测对象的材料一定时，ρ、u为常数，仪表中的i、f、d也为定值，于是Z就成为距离d的单值函数。

三、 实际应用

电涡流传感器以其测量线性范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，不受油污等介质的影响，特别是非接触测量等优点，而得到了广泛的应用。在火电厂中主要应用在以下几个监测项目：

1、转子转速：在机组运行期间，连续监视转子的转速，当转速高于给定值时发出报警信号或停机信号。其工作原理：根据电涡流传感器的工作原理可知，趋近式电涡流探头和运行的转子齿轮之间会产生一个周期性变化的脉冲量，测出这个周期性变化的脉冲量，即可实现对转子转速的监测。

2、转子零转速：零转速是机组在一种低于最小旋转速度下运转的指示，这是为了防止机组在停车期间转轴的重力弯曲。工作原理和转子转速工作原理相同。

3、偏心：转子的偏心是其受热应力弯曲的一种指示，它是在齿轮机构盘车时观测到的，它为转子不对中提供可靠、准确的监测数据。涡流探头可以连续监测偏心度的峰-峰值，此值和键相脉冲同步。其工作原理：偏心探头安装在汽轮机前轴承箱内轴颈处，其核心部分是一个电感线圈。当大轴旋转时，如果有偏心度，则轴与电感线圈的距离出现周期性的变化，使电感线圈的电感量产生周期性的变化，测出这个电感量的变化值，就可以测出轴的偏心度。

4、键相：键相是描述转子在某一瞬间所在位置的一个物理量，键相探头和偏心探头一起监测大轴的偏心度，能够准确反应出大轴发生偏心的具体相位角。其工作原理：键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸槽，称为键相标记。当这个凹槽或凸槽转到探头位置时，相当于探头与被测面之间距离发生改变，传感器会产生一个脉冲信号，轴每转一圈就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过将脉冲信号与轴的振动信号进行比较，就可以确定振动的相位角。

5、振动：电涡流探头主要监视主轴相对于轴承座的相对振动。其工作原理：电涡流探头的线圈和被测金属体之间距离的变化，可以变换为线圈的等效电感、等效阻抗和品质因素三个电参数的变化，再配以相应的前置放大器，可进一步把这三个电参数变换成电压信号，即可实现对振动的测量。振动产生主要有以下几个原因：

（1）  由于机组运行中中心不正而引起振动。机组运行中若真空下降，将使排汽温度升高，后轴承上抬，因而破坏机组中心引起的振动。

（2）  由于转子质量不平衡而引起振动。

（3）  由于转子发生弹性弯曲而引起振动。

（4）  由于轴承油膜不稳定而引起振动。

（5）  由于汽轮机内部发生摩擦而引起振动。

（6）  由于水冲击而引起振动。

（7）  汽轮机在达到临界转速时发生振动。

6、轴向位移：轴向位移是指机组内部转子沿轴心方向，相对于推力轴承二者之间的间隙而言。通过对轴向位移的测量，可以指示旋转部件与固定部件之间的轴向间隙或相对瞬时的轴向变化。它的工作原理与振动测量原理相同，但是需要说明一点，轴向位移的测量经常与轴向振动搞混。轴向振动是指传感器探头表面与被测体沿轴向之间距离的快速变动，用峰峰值表示，它与平均间隙无关。

7、胀差：机组在运行时转子受热要发生膨胀，因为转子受推力轴承的限制，所以只能沿轴向往低压侧伸长。由于转子体积小，而且直接受蒸汽的冲击，因此升温和热膨胀比较快，而汽缸的体积较大，升温和热膨胀相对要慢一些。当转子和汽缸的热膨胀还没有达到稳定之前，它们之间存在的热膨胀值简称胀差。关于胀差方向的规定：在机组启动或增负荷时，是一个蒸汽对金属的加热过程，转子升温快于汽缸，大于汽缸的膨胀值称为正胀差。在停机或减负荷时，是一个降温过程，转子降温快于汽缸，所以转子收缩的快，也就是转子的轴向膨胀值小于汽缸的膨胀，称为负胀差。

四、 电涡流传感器的安装

1、 安装注意事项

（1）  探头的安装间隙。

（2）  探头头部与安装面的安全间距。

（3）  电缆转接头的密封与绝缘。

（4）  探头抗腐蚀性。

（5）  各探头间的最小间距。

（6）  探头安装支架的牢固性。

（7）  探头所带电缆、延伸电缆的安装。

（8）  探头的高温高压环境。

2、影响传感器特性的因素：

（1）  被测体表面平整度对传感器的影响

不规则的被测体表面，会给实际测量带来附加误差，因此被测体表面应该平整光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。

（2）  被测体表面磁效应对传感器的影响

电涡流效应主要集中在被测体表面，如果由于加工过程中形成残磁效应，以及淬火不均匀、硬度不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。

（3）  被测体表面镀层对传感器的影响

被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的材料、厚薄，传感器的灵敏度会略有变化。

（4）  被测体表面尺寸对传感器的影响

由于探头线圈产生的磁场范围是一定的，而被测体表面形成的涡流也是一定的。这样就对被测体表面大小有一定要求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上。当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上，否则传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。实验测试，当被测体表面大小与探头头部直径相同，其灵敏度会下降到72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使传感器灵敏度下降。

3、传感器的安装要求

（1）  对工作温度的要求

一般涡流传感器的最高允许温度≤180ºC，实际上如果工作温度过高，不仅传感器的灵敏度会显著降低，还会造成传感器的损坏，因此测量汽轮机高、中、低转轴振动时，传感器必须安装在轴瓦内，只有特制的高温涡流传感器才允许安装在汽封附近。

（2）  对被测体的要求

为防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出，安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间。若在测试过程中某一部位需要同时安装两个或以上传感器，为避免交叉干扰，两个传感器之间应保持一定的距离。另外，被测体表面积应为探头直径3倍以上，表面不应有伤痕、小孔和缝隙，不允许表面电镀。被测体材料应与探头、前置器标定的材料一致。

（3）  对探头支架的要求

探头通过支架固定在轴承座上，支架应有足够的刚度以提高其自振频率，避免或减小被测体振动时支架的受激自振。

（4）  对初始间隙的要求

电涡流传感器应在一定的间隙电压（传感器顶部与被测物体之间间隙，在仪表上指示一般是电压）值下，其读数才有较好的线性度，所以在安装传感器时必须调整好合适的初始间隙。

转子旋转和机组带负荷后，转子相对于传感器将发生位移。如果把传感器装在轴承顶部，其间隙将减少；如装在轴承水平方向，其间隙取决于转子旋转方向；当转向一定时，其间隙取决于安装在右侧还是左侧。为了获得合适的工作间隙值，在安装时应估算转子从静态到转动状态机组带负荷后轴颈位移值和位移方向，以便在调整初始间隙时给予考虑。根据现场经验，转子从静态到工作转速，轴颈抬高大约为轴瓦间隙的1/2；水平方向位移与轴瓦形式、轴瓦两侧间隙和机组滑销系统工作状态有关，一般位移值为0.05-0.20mm。

在调整传感器初始间隙时，除了要考虑上述这些因素外，还要考虑最大振动值和转子原始晃摆值。传感器初始间隙应大于转轴可能发生的最大振幅和转轴原始晃摆值的1/2。

3、安装步骤

（1）  探头插入安装孔之前，应保证孔内无杂物，探头能自由转动而不会与导线缠绕。

（2）  为避免擦伤探头端部或监视表面，可用非金属测隙规测定探头的间隙。

（3）  也可用连接探头导线到延伸电缆及前置器的电汽方法整定探头间隙。

当探头间隙调整合适后，旋紧防松螺母。此时应注意，过分旋紧会使螺纹损坏。探头被固定后，探头的导线也应牢固。延伸电缆的长度应于前置器所需的长度一致。任意的加长或缩短均会导致测量误差。

前置器应置于铸铝的盒子内，以免机械损坏及污染。不允许盒子上附有多余的电缆，在不改变探头到前置器电缆长度的前提下，允许在同一个盒内装有多个前置器，以降低安装成本，简化从前置器到监视器的电缆布线。采用适当的隔离和屏蔽接地，将信号所受的干扰降至最低限度。

4、延伸电缆的安装

延伸电缆作为连接探头和前置器的中间部分，是涡流传感器的一个重要组成部分，所以延伸电缆的安装应保证在使用过程中不易受损坏，应避免延伸电缆的高温环境。探头与延伸电缆的连接处应锁紧，接头用热缩管包裹好，这样可以避免接地并防止接头松动。在盘放延伸电缆时应避免盘放半径过小而折坏电缆线。一般要求延伸电缆盘放直径不得小于55mm.

5、前置器的安装

前置器是整个传感器系统的信号处理部分，要求将其安装在远离高温环境的地方，其周围环境应无明显的蒸汽和水珠、无腐蚀性的汽体、干燥、振动小、前置器周围的环境温度与室温相差不大的地方。安装时前置器壳体金属部分不要同机壳或大地接触。安装时必须避免有其他干扰信号影响测量电路。

6、转速、零转速、偏心、键相传感器安装间隙的锁定

这四种传感器均可采用塞尺测量安装间隙的方法进行安装。在探头端面和被测面之间塞入设定安装间隙厚度的塞尺，这四种传感器的安装间隙约为1.3mm左右。当探头端面和被测面压紧塞尺时，紧固探头即可。

7、轴振动传感器安装间隙的锁定

将探头、延伸电缆、前置器连接起来，并给传感器系统接上电源，用精度较高的万用表监测前置器的输出电压，同时调整探头与被测面的间隙，当前置器的输出电压大约在10-11vDC之间时，拧紧探头的两个紧固螺母固定探头即可。

8、轴位移的零位锁定

（1）  轴位移监测系统的测量原理：

   3500轴位移监测系统是利用涡流传感器的输出电压与其被测金属表面的垂直距离在一定范围内成正比的关系，将位移信号转换成电压信号送至监测器，从而实现监测和保护的目的。

（2）  轴位移传感器的零位锁定：

轴位移传感器零位锁定必须参考的因素 ：

a)   大轴推力瓦的间隙△值

b)   大轴所在位置（即大轴推力盘已靠在推力瓦的工作面或非工作面）

c)   位移监测器及传感器的校验数据

已知：△=0.36mm，轴位移监测器量程为±1.25mm，大轴推力盘靠在工作面。

轴位移以传感器的零位电压计算值锁定较为准确可靠。以11mm传感器为例，已知：△=0.36mm，大轴推力盘靠在工作面，轴位移监测器量程为±1.25mm，传感器灵敏度F=4.0V/mm，零位安装电压Vo=10.0V。则零位电压X的计算：

X=Vo-F×1/2×△=9.28V

最终零位锁定后，监测器应显示为-0.18mm。

注：若大轴推力盘靠在推力瓦的非工作面，则X应按下式计算：

 X=Vo+F×1/2×△=10.72V

最后，按照计算出的X 值安装锁定传感器，监测器显示应为0.18mm

（3）  现场安装调试中传感器零位锁定应注意的问题：

a)   未考虑推力瓦间隙，表计会产生1/2×△mm的测量误差。

b)   将1/2×△mm的推轴间隙调反，表计会产生△mm的测量误差。

五、电涡流传感器的常见故障及处理方法

1、常见故障：

（1）  电涡流探头损坏。

（2）  探头导线与延伸电缆的连接头松动。

（3）  延伸电缆与前置器的连接处松动。

（4）  前置器、延伸电缆故障。

（5）  延伸电缆接地。

（6）  探头导线与延伸电缆的连接头绝缘不好而接地。

2、 处理方法：

（1）  更换电涡流探头。

（2）  紧固探头导线与延伸电缆的连接头。

（3）  紧固延伸电缆与前置器的连接螺丝。

（4）  更换前置器、延伸电缆。

（5）  更换延伸电缆或将其破损接地部分用绝缘带包好。

（6）  将探头导线与延伸电缆的连接头用热缩管包裹好。

3、对常见故障处理方法的几点建议：

（1）  更换电涡流探头时应注意避免碰伤探头，不可将连接导线多次缠绕。

（2）  探头导线与延伸电缆的连接处为带有锁紧功能的锁头，在紧固时应避免用力过猛，以免损坏锁头。

（3）  紧固延伸电缆与前置器的连接螺丝不可用力过大，以免造成螺丝滑丝。

（4）  更换后的前置器应与探头、延伸电缆型号一致，应将前置器放在铸铝的盒子内，避免有其他干扰信号影响测量精度。

（5）  更换延伸电缆时应注意电缆的盘管直径不应太小，以免造成对电缆的损伤。一般规定盘管直径不得小于55mm。

（6）  在处理探头导线与延伸电缆的连接头时应用热缩管包裹，不要用电工胶带，这样油雾会溶解胶带上的沾性物而污染接头。在需打开探头导线与延伸电缆的连接头时，用刀片在接头金属处划开一小口即可，在此过程中当心将电缆划伤。

4、 处理常见故障时可能发生的危险点：

（1）  误碰其他运行设备，工作人员应相互监督。

（2）  运行中更换振动探头发生高温烫伤，应戴防护手套。

（3）  更换延伸电缆时由于盘管直径太小而损伤电缆，盘管直径不能小于55mm。

（4）  更换探头时碰伤探头，工作人员应采取相应防护措施。

（5）  由于温度过高造成对探头的损伤，探头的工作温度一般应小于180ºC，只有特制的高温涡流传感器才允许安装在汽封附近。