電渦流傳感器原理以及在熱控設(shè)備中的應(yīng)用

更新時間：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)過金屬導(dǎo)體時，金屬導(dǎo)體就會產(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，當(dāng)接近被測體時，被測體表面會產(chǎn)生感應(yīng)電流，而產(chǎn)生反向的電磁場。這時電渦流傳感器根據(jù)反向電磁場的強(qiáng)度來判斷與被測體之間的距離。

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說仍是相似的，使用中常見的即為高頻反射式，重點(diǎn)以此為基礎(chǔ)介紹。

傳感器線圈由高頻信號激勵，使它產(chǎn)生一個高頻交變磁場φi，當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈的電渦流ie，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場φe阻礙外磁場的變化。從能量角度來看，在被測導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時，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)被測體與傳感器間的距離d改變時，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、軸向位移測量

對于許多旋轉(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，軸向位移是一個十分重要的信號，過大的軸向位移將會引起過大的機(jī)構(gòu)損壞。軸向位移的測量，可以指示旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的軸向間隙或相對瞬時的位移變化，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，也可通過軸向位移的探測，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；4、聯(lián)軸節(jié)的鎖住等。

軸向位移（軸向間隙）的測量，經(jīng)常與軸向振動弄混。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，這是一種軸的振動，用峰峰值表示。它與平均間隙無關(guān)。有些故障可以導(dǎo)致軸向振動。例如壓縮機(jī)的踹振和不對中即是。

3.2、振動測量

測量徑向振動，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，不對中等機(jī)械故障?？梢蕴峁τ谙铝嘘P(guān)鍵或基礎(chǔ)機(jī)械進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測所需要的信息：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、動力發(fā)電透平，蒸汽/燃汽/水利；5、電動馬達(dá)、發(fā)電機(jī) ；6、勵磁機(jī)；7、齒輪箱；8、泵；9、風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)；10、往復(fù)式機(jī)械。

振動測量同樣可以用于對一般性的小型機(jī)械進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。可為如下各種機(jī)械故障的早期判別提供了重要信息：

1、軸的同步振動，油膜失穩(wěn)；

2、轉(zhuǎn)子摩擦，部件松動；

3、軸承套筒松動，壓縮機(jī)踹振；

4、滾動部件軸承失效，徑向預(yù)載，內(nèi)部/外部包括不對中；

5、軸承巴氏合金磨損，軸承間隙過大，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、電動馬達(dá)空氣間隙不勻，齒輪咬合問題；

9、透平葉片通道共振，葉輪通過現(xiàn)象。

3.3、偏心測量

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

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

2、偏心的測量，對于評價旋轉(zhuǎn)機(jī)械全面的機(jī)械狀態(tài)，是非常重要的。特別是對于裝有透平監(jiān)測儀表系統(tǒng)（TSI）的汽輪機(jī)，在啟動或停機(jī)過程中，偏心測量已成為不可少的測量項(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)常用來指示軸承的磨損，以及加載荷的大小。如由不對中導(dǎo)致的那種情況，它同時也用來決定軸的方位角，方位角可以說明轉(zhuǎn)子是否穩(wěn)定。

3.4、脹差測量

對于汽輪發(fā)電機(jī)組來說，在其啟動和停機(jī)時，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、臺座等）的相互接觸，導(dǎo)致機(jī)器的破壞。因此脹差的測量是非常重要的。

3.5、轉(zhuǎn)速測量

對于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言，都需要監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個重要指標(biāo)。而電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的性是其它任何傳感器測量沒法比的，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)。

電渦流傳感器測量齒輪轉(zhuǎn)速的應(yīng)用

分析：

轉(zhuǎn)速的測量實(shí)際上是對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期信號的頻率進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)速測量方法有多種,我們采用計數(shù)法進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量,即在一定時間間隔內(nèi),根據(jù)被測信號的周期數(shù)求轉(zhuǎn)速。在本系統(tǒng)中,測速圓盤上有i=6個突出的齒牙,轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周,電渦流傳感器將輸出6個周期信號。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的注意事項(xiàng)

4.1、對被測體的要求

為了防止電渦流產(chǎn)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(dǎo)電介質(zhì)空間，如果在某一部位要同時安裝兩個以上的傳感器，就必須考慮是否會產(chǎn)生交叉干擾，兩個探頭之間一定要保持規(guī)定的距離，被測體表面積應(yīng)為探頭直徑3倍以上，當(dāng)無法滿足3倍的要求時，可以適當(dāng)減小，但這是以犧牲靈敏度為代價的，一般是探頭直徑等于被測體表面積時，靈敏度降低至70%，所以當(dāng)靈敏度要求不高時可適當(dāng)縮小測量表面積。

4.2、對工作溫度的要求

一般進(jìn)口渦流傳感器最高溫度不大于180℃，而國產(chǎn)的只能達(dá)到120℃，并且這些數(shù)據(jù)來源于生產(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70℃時，電渦流傳感器的靈敏度會顯著降低，甚至?xí)斐蓚鞲衅鞯膿p壞。

4.3、對初始間隙的要求

　　各種型號電渦流傳感器，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必須調(diào)整好合適的初始間隙。

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