電渦流傳感器原理以及在熱控設(shè)備中的應(yīng)用

更新時(shí)間：2024-12-27

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1、什么是電渦流效應(yīng)？

電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，且呈閉合回路，類似于水渦流形狀，故稱之為電渦流也叫做電渦流效應(yīng)，其實(shí)是電磁感應(yīng)原理的延伸。

注意：電渦流傳感器要求被測(cè)體必須是導(dǎo)體。

傳感器探頭里有小型線圈，由控制器控制產(chǎn)生震蕩電磁場(chǎng)，當(dāng)接近被測(cè)體時(shí)，被測(cè)體表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而產(chǎn)生反向的電磁場(chǎng)。這時(shí)電渦流傳感器根據(jù)反向電磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)判斷與被測(cè)體之間的距離。

2、電渦流傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)

電渦流傳感器主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。

1—電渦流線圈；2—探頭殼體；3—?dú)んw上的位置調(diào)節(jié)螺紋；4—印制線路板；5—夾持螺母 6—電源指示燈；7—閾值指示燈；8—輸出屏蔽電纜線；9—電纜插頭

按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況,傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類,但從基本工作原理上來(lái)說(shuō)仍是相似的，使用中常見(jiàn)的即為高頻反射式，重點(diǎn)以此為基礎(chǔ)介紹。

傳感器線圈由高頻信號(hào)激勵(lì)，使它產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)φi，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，在磁場(chǎng)作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場(chǎng)相交鏈的電渦流ie，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)φe阻礙外磁場(chǎng)的變化。從能量角度來(lái)看，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當(dāng)被測(cè)體與傳感器間的距離d改變時(shí)，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是電渦流傳感器的基本原理。

3、電渦流傳感器在熱控設(shè)備中的應(yīng)用

3.1、軸向位移測(cè)量

對(duì)于許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械，包括蒸汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、水輪機(jī)、離心式和軸流式壓縮機(jī)、離心泵等，軸向位移是一個(gè)十分重要的信號(hào)，過(guò)大的軸向位移將會(huì)引起過(guò)大的機(jī)構(gòu)損壞。軸向位移的測(cè)量，可以指示旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的軸向間隙或相對(duì)瞬時(shí)的位移變化，用以防止機(jī)器的破壞。

軸向位移是指機(jī)器內(nèi)部轉(zhuǎn)子沿軸心方向，相對(duì)于止推軸承二者之間的間隙而言。有些機(jī)械故障，也可通過(guò)軸向位移的探測(cè)，進(jìn)行判別：1、止推軸承的磨損與失效；2、平衡活塞的磨損與失效；3、止推法蘭的松動(dòng)；4、聯(lián)軸節(jié)的鎖住等。

軸向位移（軸向間隙）的測(cè)量，經(jīng)常與軸向振動(dòng)弄混。軸向振動(dòng)是指?jìng)鞲衅魈筋^表面與被測(cè)體，沿軸向之間距離的快速變動(dòng)，這是一種軸的振動(dòng)，用峰峰值表示。它與平均間隙無(wú)關(guān)。有些故障可以導(dǎo)致軸向振動(dòng)。例如壓縮機(jī)的踹振和不對(duì)中即是。

3.2、振動(dòng)測(cè)量

測(cè)量徑向振動(dòng)，可以由它看到軸承的工作狀態(tài)，還可以看到轉(zhuǎn)子的不平衡，不對(duì)中等機(jī)械故障?？梢蕴峁?duì)于下列關(guān)鍵或基礎(chǔ)機(jī)械進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)所需要的信息：1、工業(yè)透平，蒸汽/燃汽；2、壓縮機(jī)，空氣/特殊用途氣體，徑向/軸向；3、膨脹機(jī)；4、動(dòng)力發(fā)電透平，蒸汽/燃汽/水利；5、電動(dòng)馬達(dá)、發(fā)電機(jī) ；6、勵(lì)磁機(jī)；7、齒輪箱；8、泵；9、風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)；10、往復(fù)式機(jī)械。

振動(dòng)測(cè)量同樣可以用于對(duì)一般性的小型機(jī)械進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)?？蔀槿缦赂鞣N機(jī)械故障的早期判別提供了重要信息：

1、軸的同步振動(dòng)，油膜失穩(wěn)；

2、轉(zhuǎn)子摩擦，部件松動(dòng)；

3、軸承套筒松動(dòng)，壓縮機(jī)踹振；

4、滾動(dòng)部件軸承失效，徑向預(yù)載，內(nèi)部/外部包括不對(duì)中；

5、軸承巴氏合金磨損，軸承間隙過(guò)大，徑向/軸向；

6、平衡（阻氣）活塞磨損/失效，聯(lián)軸器“鎖死"；

7、軸彎曲，軸裂紋；

8、電動(dòng)馬達(dá)空氣間隙不勻，齒輪咬合問(wèn)題；

9、透平葉片通道共振，葉輪通過(guò)現(xiàn)象。

3.3、偏心測(cè)量

偏心是在低轉(zhuǎn)速的情況下，電渦流傳感器系統(tǒng)可以對(duì)軸彎曲程度的測(cè)量，這種彎曲可由下列情況引起：

1、原有的機(jī)械彎曲 ·臨時(shí)溫升導(dǎo)致的彎曲 ·在靜止?fàn)顟B(tài)下，必然有些向下彎曲，有時(shí)也叫重力彎曲，外力造成的彎曲。

2、偏心的測(cè)量，對(duì)于評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)機(jī)械全面的機(jī)械狀態(tài)，是非常重要的。特別是對(duì)于裝有透平監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)（TSI）的汽輪機(jī)，在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中，偏心測(cè)量已成為不可少的測(cè)量項(xiàng)目。它使你能看到由于受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。轉(zhuǎn)子的偏心位置，也叫軸的徑向位置，它經(jīng)常用來(lái)指示軸承的磨損，以及加載荷的大小。如由不對(duì)中導(dǎo)致的那種情況，它同時(shí)也用來(lái)決定軸的方位角，方位角可以說(shuō)明轉(zhuǎn)子是否穩(wěn)定。

3.4、脹差測(cè)量

對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，在其啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，由于金屬材料的不同，熱膨脹系數(shù)的不同，以及散熱的不同，軸的熱膨脹可能超過(guò)殼體膨脹；有可能導(dǎo)致透平機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件（如機(jī)殼、噴嘴、臺(tái)座等）的相互接觸，導(dǎo)致機(jī)器的破壞。因此脹差的測(cè)量是非常重要的。

3.5、轉(zhuǎn)速測(cè)量

對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)。而電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的性是其它任何傳感器測(cè)量沒(méi)法比的，它既能響應(yīng)零轉(zhuǎn)速，也能響應(yīng)高轉(zhuǎn)速，抗干擾性能也非常強(qiáng)。

電渦流傳感器測(cè)量齒輪轉(zhuǎn)速的應(yīng)用

分析：

轉(zhuǎn)速的測(cè)量實(shí)際上是對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量。轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有多種,我們采用計(jì)數(shù)法進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量,即在一定時(shí)間間隔內(nèi),根據(jù)被測(cè)信號(hào)的周期數(shù)求轉(zhuǎn)速。在本系統(tǒng)中,測(cè)速圓盤上有i=6個(gè)突出的齒牙,轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周,電渦流傳感器將輸出6個(gè)周期信號(hào)。假設(shè)單位為s,齒輪數(shù)為N,f為頻率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n單位為r/min,

可由下式求:

n=(f/N)*60

4、使用電渦流傳感器時(shí)的注意事項(xiàng)

4.1、對(duì)被測(cè)體的要求

為了防止電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響儀器的正常輸出安裝時(shí)傳感器頭部四周必須留有一定范圍的非導(dǎo)電介質(zhì)空間，如果在某一部位要同時(shí)安裝兩個(gè)以上的傳感器，就必須考慮是否會(huì)產(chǎn)生交叉干擾，兩個(gè)探頭之間一定要保持規(guī)定的距離，被測(cè)體表面積應(yīng)為探頭直徑3倍以上，當(dāng)無(wú)法滿足3倍的要求時(shí)，可以適當(dāng)減小，但這是以犧牲靈敏度為代價(jià)的，一般是探頭直徑等于被測(cè)體表面積時(shí)，靈敏度降低至70%，所以當(dāng)靈敏度要求不高時(shí)可適當(dāng)縮小測(cè)量表面積。

4.2、對(duì)工作溫度的要求

一般進(jìn)口渦流傳感器最高溫度不大于180℃，而國(guó)產(chǎn)的只能達(dá)到120℃，并且這些數(shù)據(jù)來(lái)源于生產(chǎn)廠家，其中有很大的不可靠性，據(jù)相關(guān)的各種資料分析，實(shí)際上，工作溫度超過(guò)70℃時(shí)，電渦流傳感器的靈敏度會(huì)顯著降低，甚至?xí)斐蓚鞲衅鞯膿p壞。

4.3、對(duì)初始間隙的要求

　　各種型號(hào)電渦流傳感器，都在一定的間隙電壓值下，它的讀數(shù)才有較好的線性度，所以在安裝傳感器時(shí)必須調(diào)整好合適的初始間隙。

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