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I1
金属导体H2d
I2(μ,σ)
图1-2电涡流作用原理图
T
有关,又与静磁学效应有关,即与金属导体的电导率、
磁导率、几何形状、线圈几何参数、激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。
假定金属导体
C1C
LX
2UX
检波滤波
UO
放大线性修正
是均质的,其性能是线性和各向同性的,则线圈——金属导体系统的物理性质通常可由金属导体的磁导率μ、电导率σ、尺寸因子r,线圈与金属导体距离δ,线圈激励电流强度I和频率ω等参数来描述。
因此线圈的阻抗可用函数Z=F(μ,σ,r,I,ω)来表示。
如果控制μ、σ、r、δ、I、ω恒定不变,那么阻抗Z就成为距离δ的单值函数,由麦克斯韦尔公式,可以求得此函数为一非线性函数,其曲线为“S”形曲线,在一定范围内可以近似为一线性函数。
在实际应用中,通常是将线圈密封在探头中,线圈阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路的处理转换成电压或电流输出。
这个电子线路并不是直接测
δ被测金属导体
图1-3传感器原理框图
UO
U2
U0
U1
0δ1δ0δ2δ
探头
被测金属导体
图1-4传感器输出特性曲线
C12
量线圈的阻抗,而是采用并联谐振法,见图1-3,即在前置器中将一个固定电容C0=C和
C1+C2
探头线圈Lx并联与晶体管T一起构成一个振荡器,振荡器的振荡幅度Ux与线圈阻抗成比例,因
此振荡器的振荡幅度Ux会随探头与被测间距δ改变。
Ux经检波滤波,放大,非线性怱正后输
出电压Uo,Uo与δ的关系曲线如图1-4所示,可以看出该曲线呈“S”形,即在线性区中点δ0
处(对应输出电压U0)线性最好,其斜率(即灵敏度)较大,在线性区两端,斜率(灵敏度)逐渐
下降,线性变差。
(δ1,U1)——线性起点,(δ2,U2)——线性末点
第三章产品说明
探头对正被测体表面,它能精确地探测出被测体表面相对于探头端面间隙的变化。
通常探头由线圈、头部、壳体、高频电杳、高频接头组成,其典型结构见图1-5所示。
线圈头部壳体
锁紧螺母
铠装(可选)
高频电缆高频接
锁口加强无螺纹部分螺纹部分扳手平面
线圈是探头的核心,它是整个传感器系统的敏感元件,线圈的物理尺寸和电气参数决定
传感器系统的线性量程以及探头的电气参数稳定性。
探头头部采用耐高低温的PPS工程塑料,通过“二次注塑”工艺将线圈密封其中。
这项技
术增强了探头头部的强度和密封性,在恶劣环境中可以保护头部线圈能可靠工作。
头部直径取决于其内部线圈直径,由于线圈直径决定传感器系统的基本性能——线性量程,因此我们通常用头部直径来分类和表征各型号探头,一般情况传感器系统的线性量程大致是探头头部直径的1/2~1/4。
我们为JX20系列设计了φ5、φ8、φ11、φ25、φ50五种直径的头部,也可生产其它规格的头部体。
探头壳体用于支撑探头头部,并作为探头安装时的装夹结构。
壳体采用不怵钢制成,一般上面刻有标准螺纹,并备有锁紧螺母。
为了能适合不同的应用和安装场合,探头壳体具有不同的型式和不同的螺纹及尺寸规格。
高频电杳是用于联接探头头部到前置器(有时中间带有延伸电杳转接),这种电杳是用氟塑料绝缘的射频同轴电杳,通常电杳长度有0.5m、1m、5m、9m四种选择,当选择0.5m和1m时必须用延伸电杳以保证系统的总的电杳长度为5m或9m,至于选择5m还是9m应该是考虑能满足将前置器安装在设备机组的同一侧来决定。
根据探头的应用场合和安装环境,探头所带电杳可以配有不怵钢软管铠装(可选择),以保护电杳不易被损坏,对于现场安装探头电杳无管道布置的情况,应该选择铠装。
探头电杳接头是符合美国军用规范MIL-C-39012的高频同轴接头。
探头整体各部件通过机械变形联接,在恶劣环境中可以保证探头的稳定性和可靠性。
延伸电杳
作为系统的一个组成部分,延伸电杳(如图1-6所示)用来联接和延长探头与前置器之间的距离,您可以对延伸电杳长度和是否需要带铠装进行选择(详见附录A),选择延伸电杳的长度应该使延伸电杳长度加探头电杳长度与配套前置器所要求的长度一致(5m或9m),铠装选择的情况同探头电杳。
转接头铠装(可选)同轴电缆同轴接头
标记
电缆长度"
A"
图1-6延伸电杳
采用延伸电杳的目的是为了减短探头所带电杳长度,对于用螺纹安装探头时,需转动探头,过长的电杳不便使电杳随探头转动,容易扭断电杳,这种情形在探头安装部分有进一步说明。
延伸电杳的两端接头不同,带阳螺纹的接头(转接头)与探头联接,带阴螺纹的接头与前置器联接。
前置器
前置器是一个电子信号处理器。
一方面前置器为探头线圈提供高频交流电流;
另一方面,前置器感受探头前面由于金属导体靠近引起探头参数的变化,经过前置器的处理,产生随探头端面与被测金属导体间隙线性变化的输出电压或电流信号。
JX20系列前置器统一一种安装尺寸,提供两种输出方式:
前置器如图1-7所示。
●外形尺寸:
80mm×
60mm×
45mm。
●安装尺寸:
51mm×
51mm,采用四个M3×
40GB29-76螺栓安装(作为产品附件提供)
●电压输出:
供电电源Ut:
-20Vdc~-26Vdc,输出电压极限:
-0.7V~(Ut-1)V,线性范围输出起始电压:
-2V~-18V。
●电流输出:
+18Vdc~+30Vdc,输出电流:
4~20mA。
●探头插座是与探头和延伸电杳接头同一系列的高频插座,电源、输出端子是标准的重载隔离型三端接线端子。
●前置器外壳是用铝铸造而成,表面已进行喷塑处理。
为了屏蔽外界干扰,在前置器内部已将壳体与信号公共端(信号地)联接;
在底板和安装孔处都加装了工程塑料绝缘,这样可以保证在安装前置器时,使前置器壳体与大地隔离(即所谓“浮地”)。
●将工程塑料底板扳开,可以对前置器进行校准(校准的详细介绍见第三章),除非需要进行传感器系统重新校准或前置器出现故障,一般不要打开底板。
45
25
51
60
80
图1-7前置器
前置器的实用设计:
●前置器的结构使高频插座内凹,不易损坏高频插座。
●三端接线端子镶嵌固定,直接与内部电路连接,确保连接可靠性。
●前置器的容错性:
电源端、公共端(信号地)、输出端任意接线错误不会损坏前置器,电源极性错误保护,输出短路保护。
●前置器的核心是电子线路板,除个别校准用的元件外,其它元件均用环氧树脂胶灌封,这样可以提高前置器的抗振、防潮性能。
前置器在出厂校准后,各校准元件也用硅胶密封,用户自行校准后,也应这样做。
第四章电涡流位移传感器的典型应用
电涡流位移传感器系统以其独特的优点,广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业,对汽轮机、水轮机、发电机、鼓风机、压缩机、齿轮箱等大型旋转机械的轴的径向振动、轴向位移、鉴相器、轴转速、胀差、偏心、油膜厚度等进行在线测量和安全保护,以及转子动力学研究和零件尺寸检验等方面。
图2-1列举了传感器的一些典型应用示意。
振动测量轴位移测量轴心轨迹测量
键槽或键
键相测量转子动平衡径向运动分析表面不平度测量
非导体
导体
转速测量非导电材料厚度测量金属元件合格检验
图2-1典型应用示意
传感器有四种最常见的使用方式,即轴的径向振动测量、轴向位移测量、鉴相器信号测量以及转速测量。
轴的径向振动测量
测量轴的径向振动时,每个测点应安装两个传感器探头,两个探头分安装在轴承两边的同一平面上相隔90°
(±
5°
)。
由于轴承盖一般是水平剖分的,因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45°
,定义为X探头(水平方向)和Y探头(垂直方向)。
通常从原动机端看,X探头应该在垂直中心线的右侧,Y探头应该在垂直中心线的左侧。
如图2-2所示。
理论上,只要安装位置可行,两个探头可安装在轴承圆周的任何位置,保证其90°
)的间隔,都能够准确测量轴的径向振动。
Y方向探头X方向探头
90°
±
被测轴
图2-2轴的径向振动测量
探头的安装位置应尽量靠近轴承,如图2-3所示,否则由于轴的挠度,得到的测量值将包
含附加误差。
探头安装位置与轴承的最大距离见表2-1。
表2-1轴的径向振动探头安装位置与轴承的最大距离
测量轴承直径最大距离
0~76mm25mm
76~508mm76mm
>
508mm152mm
※API670标准规定,轴的径向振动探头的安装位置与轴承的距离要在76mm之内
探头中心线应与轴心线正交,探头监测的表面(正
安装支架
φD探头
对探头中心线的两边1.5倍探头直径宽度的轴的整个圆周面,见图2-3)应无刻划痕迹或其它任何不连续的表面(如油孔或键槽等),且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀,表面粗糙度应在0.4μm~0.8μm之间。
除非特别说明,通常将轴的径向振动测量探头安装在传感器的线性范围中点,对应的前置器输出电压为中点电压(线性范围中点间隙值和中点电压值可以从校准数据单或校准曲线中查到,一般电压输出传感器线性中点电压为-10V左右,电流输出传感器线性中点电流为12mA)。
特别是对于大轴承机器,其最大轴承
轴承座紧固螺母
轴
承
测量面(宽度>
1.5D)最大152mm
图2-3轴的径向振动测量时探头的安装
间隙接近传感器线性工作范围时(建议选用线性工作范围更宽的传感器)。
但是对于卧式机器,在机器启动时,轴会抬高0.25mm左右,因而在停机时安装垂直方向探头,应将安装间隙(冷态间隙)调整到传感器的线性范围中点偏大0.25mm左右,对应的前置器输出电压可从校准数据单或校准曲线中查到。
各探头头部间的安装距离应不小于最小安装距离。
为防止两探头间的相邻干扰,对于不同规格的探头和不同的安装方法要求其间的距离也有所不同,详细说明请见第三节。
轴向位移测量
测量轴的轴向位移时,测量面应该与轴是一个整体,这个测量面是以探头中心线为中心,宽度为1.5倍探头头部直径的圆环(在停机时,探头只对正了这个圆环一部分,机器启动后,整个圆环都会成为被测面),整个被测面应该满足第一章第四节被测体尺寸与材料的影响关于被测面的要求。
探头安装位置距离止推法杭盘不应超过305mm(API670标准推荐值),如图2-4所示,否则测得的结果不仅包括轴向位置的变化,而且包括胀差在内的变化,不能真实地反映轴向位移量。
测量面宽度1.5D
止推法兰盘
安装间隙
安装架紧固螺母
最大305mm最大305mm
图2-4轴向位移测量
通常采用两套传感器对推力轴承端同时进行监测,这样即使有一套传感器损坏失效,也可以通过另一套传感器有效地对轴的轴向位移进行监测。
这两个探头可以设置在轴的同一个
端面,也可以是两个不同端面进行监测,但这两个端面应在止推法杭盘305mm以内;
安装方向
可以相同,也可以不同。
一般将这两套传感器的测量结果通过“与”的逻辑关系控制机器,安装方向不同时,其逻辑关系要先“非”再“与”。
在停机时安装传感器探头,由于轴通常都会移向工作推力的反方向,因而探头的安装间隙应该偏大,原则是保证:
当机器启动后,轴处于其轴向窜动量的中心位置时,传感器应工作在其线性工作范围的中点。
鉴相器测量
鉴相器测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键,称着鉴相标记。
当这个凹槽或凸键转到探头安装位置时,相当于探头与被测面间距突变,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。
同时通过对脉冲计数,可以测量轴的转速;
通过将脉冲与轴的振动信号比较,可以确定振动的相位角,用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。
凹槽或凸键要足够大,以使得产生的脉冲峰峰值不小于5V(API670标准要求不小于7V)。
一般若采用φ8探头,则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm(推荐采用2.5mm以上)、长度应大于10mm。
凹槽或凸键应平行于轴中心线,其长度尽量长,以防止当轴产生轴向窜动时,探头还能对着凹槽或凸键。
为了避免由于轴向位移引起探头与被测面之间的间隙变化过大,应将鉴相器探头安装在轴的径向,而不是轴向位置。
应尽可能地将键相器探头安装在机组的驱动部分上,这样即使机组的驱动部分与载荷脱离,传感器仍会有键相信号输出。
当机组具有不同的转速时,通常需要有多套鉴相器对其进行监测,从而可以为机组的各部分提供有效的鉴相信号。
鉴相标记可以是凹槽,也可以是凸键,如图2-5所示,API670标准要求用凹槽的型式。
当标记是凹槽时,
键相器探头
安装架
凸键
凹槽
电压安装电压
0V
5V
(最小)
-24V
安装探头要对着轴的完整部分调整初始安装间隙,而不能对着凹槽来调整初始安装间隙。
而当标记是凸键时,
图2-5键相器测量
探头一定要对着凸起顶部表面调整初始安装间隙,不能对着轴的其它完整表面进行调整。
否则当轴转动时,可能会造成凸键与探头碰撞,剪断探头。
为了便于快速判断鉴相信号的位置,应该对鉴相器探头安装位置在机器外壳上做上标志,对于鉴相标记的角度位置应该在轴的露出部分做上标志。
转速测量
鉴相器可以测量机器的转速,但是鉴相器只能产生每转一个脉冲的信号,用它作为转速测量的精度不高。
专门的转速测量一般都是在轴的测量圆周上设置多个凹槽或凸键标记,或者直接利用轴上的齿轮,使探头能每转产生多个脉冲。
®
标记的数量或者齿轮的齿数,就是传感器每转产生的脉冲数量,数量越大,测量越精确。
但是当转速较高时,由于传感器的频率响应限制,标记的数量或者齿轮的齿数不能太多,一般要求脉冲的频率不能超过10kHz。
用计数器对脉冲计数时,如果每秒钟计数N个,标记的数量或者齿轮的齿数为K个,则转速V按下式计算:
=
60⨯N
V
K
r/min(每分钟转数)
第五章校准与维护
本章主要说明何时该对传感器系统进行校准,以及发生故障时,如何对传感器系统进行维怱。
什么情况下应该对传感器进行重新校准?
●传感器长期不使用达一年以上;
●传感器连续使用两年;
●被测体材料与出厂校准材料不符;
●排除故障后。
校准装置与设备
●位移校准器
●千分尺
●数字万用表
※以上工具、设备,本公司均可提供。
●直流稳压电源
●电烙铁
●电阻箱
转接头
V
数字万用表
COM
高频接头
+
直流稳压电源
-
螺旋千分尺
探头
试件位移校准器
校准步骤
图3-1位移校准
●选择与被测体材料相同的试件,按图3-1所示安装好。
●装好探头、千分尺(量程应大于传感器量程20%)。
●将直流稳压电源的供电电压调到传感器系统所需电压范围。
●分别将稳压电源、数字万用表、探头接到前置器上
●旋转千分尺调节钮,使探头与试件平面紧贴,再将探头头部与试件间距调到传感器线
性起始距离。
●打开电源,旋转千分尺调节钮,以十分之一量程为间隔,记录传感器输出电压或电流值。
●计算传感器平均灵敏度,平均灵敏度的定义、计算方法和标准
♦如果平均灵敏度超差,应先断开供电电源,再将传感器的底盖板打开,可以见到未被灌封的调节元件,各调节元件用硅胶密封。
灵敏度调节电阻位置如图3-2所示,去掉硅胶,用电烙铁焊下灵敏度调节电阻,用电阻箱代替。
接通电源,调节电阻箱,依照上述步骤重新测量数据,并计算出平均灵敏度,直到平均灵敏度达到要求时为止。
然后测出电阻箱的阻值,用1/4W、±
50ppm/℃的金属膜电阻代替电阻箱,焊接牢固并用硅胶密封。
♦如果传感器线性起始点输出电压或电流,不符合标准特性方程(见附录B)或二次仪表的要求,可以调整零位调节电阻(其位置如图3-2所示)。
♦如果传感器平均灵敏度和零位输出调节不到标准值或要求值,或者传感器其它指标,如非线性度等指标超差,则请联络本公司或本公司各地销售服务代理,由专业技术人员进行调节。
♦盖上盖板。
零位调节电阻
灵敏度调节电阻
高频三端接
插座线端子
图3-2前置器底部调节元件位置
第六章技术规范
系统指标
●线性量程、线性范围、线性中点、非线性误差、最小被测面
探头直径线性量程
(mm)
线性范围
线性中点
非线性误差
最小被测面(mm)
φ510.25~1.250.75±
1%φ15
φ820.25~2.251.25±
1%φ20
φ1141.0~5.03.0±
1%φ30
φ25121.5~13.57.5±
1.5%φ50
φ50252.5~27.515±
2%φ100
※非线性误差指实际输出值与理论值(按标准特性方程计算)最大误值。
●标准特性方程(在线性范围内,标准输入输出特性曲线所满足的方程)
直径φ5φ8φ11φ25φ50
输出
负电压
U=-8×
d
U=
4~20mA
I=16×
I=
-8×
dU=-4×
d+2U=-0.8×
d-0.8U=-0.4×
d-1
8×
d+2I=4×
dI=1.33×
d+2I=0.64×
d+2.4
(U-前置器输出电压,单位V;
I-前置器输出电流,单位mA;
d-探头距试件距离,单位mm)
●平均灵敏度(线性范围内输出变化除线性范围)
负电压8V/mm8V/mm4V/mm0.8V/mm0.4V/mm
4~20mA16mA/mm8mA/mm4mA/mm1.33mA/mm0.64mA/mm
平均灵敏度误差:
≤±
5%
●纹波(测量间隙恒定时最大输出噪声峰峰值)
20mV
15mV
30μA
25μA
0.2
0.1
-0.1
-0.2
-24
-22
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0.0
0.51.01.52.02.53.03.5
位移d(mm)
标准输入输出特性曲线方程为:
U=-8×
图B-1典型的φ8探头配套电压输出前置器
的传感器输入输出特性曲线(20℃)
●分辩力
探头直径
(μm)
φ5φ8φ11φ25φ50
负电压0.10.10.21.02.0
4~20mA0.10.10.21.02.0
●相邻干扰
(探头之间通过电磁场耦合,会使传感器系统输出两探头工作频率之差的干扰信号。
两相邻探头不产生相邻干扰的最小探头中心间距见表)
探头直径两平行探头两垂直探头
(测物体为圆形)
两垂直探头
(被测物体为方形)
φ5403523
φ8403523
φ11807040
φ2515012080
φ50200180150
●长期稳定性
φ5
φ8
φ11
φ25
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