電渦流傳感器的應用

　　電渦流傳感器的應用
　　
　　目錄
　　
　　前言2
　　
　　*章綜述2
　　
　　*節系統簡介2
　　
　　為何采用電渦流位移傳感器2
　　
　　系統組成2
　　
　　與美國本特利（BN）公司產品兼容2
　　
　　第二節系統的工作原理2
　　
　　第三節產品說明2
　　
　　探頭2
　　
　　延伸電纜2
　　
　　前置器2
　　
　　產品出廠標記2
　　
　　標準配套附件2
　　
　　相關資料2
　　
　　第四節被測體尺寸與材料的影響2
　　
　　被測體尺寸的影響2
　　
　　被測體表面加工狀況的影響2
　　
　　被測體材料的影響2
　　
　　被測體表面殘磁效應的影響2
　　
　　被測體表面鍍層的影響2
　　
　　第二章使用說明2
　　
　　*節驗收與保存2
　　
　　出廠包裝2
　　
　　到貨驗收2
　　
　　貯存2
　　
　　第二節傳感器的典型應用2
　　
　　軸的徑向振動測量2
　　
　　軸向位移測量2
　　
　　鑒相器測量2
　　
　　轉速測量2
　　
　　第三節探頭的安裝2
　　
　　安裝探頭時，您應注意以下幾個問題：2
　　
　　各探頭間的距離2
　　
　　探頭頭部與安裝面的距離2
　　
　　探頭安裝支架選擇2
　　
　　探頭安裝間隙2
　　
　　探頭所帶電纜的安裝2
　　
　　電纜接頭的密封與絕緣2
　　
　　探頭的抗腐蝕性2
　　
　　探頭的高壓環境2
　　
　　探頭安裝的一般步驟2
　　
　　第四節延伸電纜的安裝2
　　
　　延伸電纜轉接頭的密封與絕緣2
　　
　　鋪設延伸電纜管道2
　　
　　延伸電纜安裝的一般步驟2
　　
　　第五節前置器的安裝2
　　
　　第六節系統連接2
　　
　　第三章校準與維修2
　　
　　*節校準2
　　
　　什么情況下應該對傳感器進行重新校準？2
　　
　　校準裝置與設備2
　　
　　校準步驟2
　　
　　第二節故障維修2
　　
　　初步檢查步驟2
　　
　　附錄A型號命名與選型說明2
　　
　　*節探頭型號、規格2
　　
　　第二節前置器型號、規格2
　　
　　第三節延伸電纜型號、規格2
　　
　　附錄B技術規范2
　　
　　*節技術要求2
　　
　　傳感器安全可靠性能2
　　
　　技術指標2
　　
　　系統指標2
　　
　　探頭指標2
　　
　　前置器指標2
　　
　　延伸電纜指標2
　　
　　外觀2
　　
　　第二節技術指標測試方法2
　　
　　測試設備2
　　
　　除有特殊要求外均按下列環境要求作試驗2
　　
　　傳感器測試2
　　
　　前言
　　
　　本手冊適用于對電子儀表以及對設備監測有實踐經驗的工程技術人員。您可以通過本手冊，了解由美國普林斯頓科技有限公司提供技術，上海航振儀器調試總裝的HZ891XL系列電渦流位移傳感器系統的工作原理、系統組成、產品性能，并獲得傳感器安裝、維修方面的有關建議。
　　
　　本手冊*章綜合介紹了傳感器的*性能、各部分組成結構以及傳感器系統的基本工作原理和影響傳感器系統工作的一些因素。第二章介紹了對傳感器系統進行驗收的一般程序，以及對傳感器系統zui常見的三種使用方式和系統進行安裝時應注意的問題提出了一些建議。第三章介紹了傳感器系統的重新校準以及故障檢查和維修的方法。另外附錄A提供了傳感器系統的型號命名和選型說明，附錄B提供了傳感器系統的技術規范。
　　
　　本手冊中有關傳感器的型號規格的規定以及傳感器的詳細技術規范是依據美國石油部標準API670提出的。本手冊提出的一些安裝傳感器系統方面的建議，主要參照API670標準以及經驗所得，可作您參考之用。
　　
　　若有不詳之處，敬請來電來函。
　　
　　*章綜述
　　
　　*節系統簡介
　　
　　為何采用電渦流位移傳感器
　　
　　●電渦流位移傳感器可以準確測量被測體（必須是金屬導體）與探頭端面的相對位置。
　　
　　●電渦流位移傳感器長期工作可靠性好、靈敏度高、抗*力強、非接觸測量、響應速度快、不受油水等介質的影響，常被用于對大型旋轉機械的軸位移、軸振動、軸轉速等參數進行長期實時監測，可以分析出設備的工作狀況和故障原因，有效地對設備進行保護及進行預測性維修。
　　
　　●從轉子動力學、軸承學的理論上分析，大型旋轉機械的運行狀態主要取決于其核心——轉軸，而電渦流位移傳感器能直接測量轉軸的各種運行狀態，測量結果可靠、可信。過去，對于機械的振動測量采用加速度傳感器或速度傳感器，通過測量機殼振動，間接地測量轉軸振動，測量結果的可信度不高。
　　
　　系統組成
　　
　　系統主要包括前置器、延伸電纜（用戶可以根據需要選擇）、探頭和附件。
　　
　　與美國本特利（BN）公司產品兼容
　　
　　HZ891XL系列電渦流位移傳感器的各項性能指標相當或接近美國本特利（BN）公司3300、3300XL系列產品水平，可直接替換BN公司3300、3300XL、7200系列產品。
　　
　　第二節系統的工作原理
　　
　　圖1-2電渦流作用原理圖
　　
　　圖1-3傳感器原理框圖
　　
　　圖1-4傳感器輸出特性曲線
　　
　　傳感器系統的工作機理是電渦流效應。當接通傳感器系統電源時，在前置器內會產生一個高頻電流信號，該信號通過電纜送到探頭的頭部，在頭部周圍產生交變磁場H1。如果在磁場H1的范圍內沒有金屬導體材料接近，則發射到這一范圍內的能量都會全部釋放；反之，如果有金屬導體材料接近探頭頭部，則交變磁場H1將在導體的表面產生電渦流場，該電渦流場也會產生一個方向與H1相反的交變磁場H2。由于H2的反作用，就會改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位，即改變了線圈的有效阻抗。這種變化既與電渦流效應有關，又與靜磁學效應有關，即與金屬導體的電導率、磁導率、幾何形狀、線圈幾何參數、激勵電流頻率以及線圈到金屬導體的距離等參數有關。假定金屬導體是均質的，其性能是線性和各向同性的，則線圈——金屬導體系統的物理性質通常可由金屬導體的磁導率μ、電導率σ、尺寸因子r，線圈與金屬導體距離δ，線圈激勵電流強度I和頻率ω等參數來描述。因此線圈的阻抗可用函數Z=F（μ,σ,r,I,ω）來表示。
　　
　　如果控制μ、σ、r、δ、I、ω恒定不變，那么阻抗Z就成為距離δ的單值函數，由麥克斯韋爾公式，可以求得此函數為一非線性函數，其曲線為“S”形曲線，在一定范圍內可以近似為一線性函數。
　　
　　在實際應用中，通常是將線圈密封在探頭中，線圈阻抗的變化通過封裝在前置器中的電子線路的處理轉換成電壓或電流輸出。這個電子線路并不是直接測量線圈的阻抗，而是采用并聯諧振法，見圖1-3，即在前置器中將一個固定電容和探頭線圈Lx并聯與晶體管T一起構成一個振蕩器，振蕩器的振蕩幅度Ux與線圈阻抗成比例，因此振蕩器的振蕩幅度Ux會隨探頭與被測間距δ改變。Ux經檢波濾波，放大，非線性修正后輸出電壓Uo，Uo與δ的關系曲線如圖1-4所示，可以看出該曲線呈“S”形，即在線性區中點δ0處（對應輸出電壓U0）線性，其斜率（即靈敏度）較大，在線性區兩端，斜率（靈敏度）逐漸下降，線性變差。（δ1，U1）——線性起點，（δ2，U2）——線性末點。
　　
　　第三節產品說明
　　
　　探頭
　　
　　探頭對正被測體表面，它能地探測出被測體表面相對于探頭端面間隙的變化。通常探頭由線圈、頭部、殼體、高頻電纜、高頻接頭組成，其典型結構見圖1-5所示。
　　
　　圖1-5探頭典型結構
　　
　　線圈是探頭的核心，它是整個傳感器系統的敏感元件，線圈的物理尺寸和電氣參數決定傳感器系統的線性量程以及探頭的電氣參數穩定性。
　　
　　探頭頭部采用耐高低溫的PPS工程塑料，通過“二次注塑”工藝將線圈密封其中。這項技術增強了探頭頭部的強度和密封性，在惡劣環境中可以保護頭部線圈能可靠工作。頭部直徑取決于其內部線圈直徑，由于線圈直徑決定傳感器系統的基本性能——線性量程，因此我們通常用頭部直徑來分類和表征各型號探頭，一般情況傳感器系統的線性量程大致是探頭頭部直徑的1/2～1/4。我們為HZ891XL系列設計了φ5、φ8、φ11、φ25、φ50五種直徑的頭部（見附錄A），也可生產其它規格的頭部體。
　　
　　探頭殼體用于支撐探頭頭部，并作為探頭安裝時的裝夾結構。殼體采用不銹鋼制成，一般上面刻有標準螺紋，并備有鎖緊螺母。為了能適合不同的應用和安裝場合，探頭殼體具有不同的型式和不同的螺紋及尺寸規格（見附錄A）。
　　
　　高頻電纜是用于聯接探頭頭部到前置器（有時中間帶有延伸電纜轉接），這種電纜是用氟塑料絕緣的射頻同軸電纜，通常電纜長度有0.5m、1m、5m、9m四種選擇（見附錄A），當選擇0.5m和1m時必須用延伸電纜以保證系統的總的電纜長度為5m或9m，至于選擇5m還是9m應該是考慮能滿足將前置器安裝在設備機組的同一側來決定。根據探頭的應用場合和安裝環境，探頭所帶電纜可以配有不銹鋼軟管鎧裝（可選擇），以保護電纜不易被損壞，對于現場安裝探頭電纜無管道布置的情況，應該選擇鎧裝。
　　
　　HZ891XL探頭、延伸電纜和前置器都帶有防腐蝕的符合美國軍用規范MIL-C-39012的鍍金銅接頭。這些接頭只需用手指緊固（接頭會自動“鎖住”），特殊的機械鎖緊裝置能防止連接松動。接頭在安裝或拆卸時不需要特殊的工具。。
　　
　　探頭整體各部件通過機械變形聯接，在惡劣環境中可以保證探頭的穩定性和可靠性。
　　
　　延伸電纜
　　
　　作為系統的一個組成部分，延伸電纜（如圖1-6所示）用來聯接和延長探頭與前置器之間的距離，您可以對延伸電纜長度和是否需要帶鎧裝進行選擇（詳見附錄A），選擇延伸電纜的長度應該使延伸電纜長度加探頭電纜長度與配套前置器所要求的長度一致（5m或9m），鎧裝選擇的情況同探頭電纜。
　　
　　圖1-6延伸電纜
　　
　　采用延伸電纜的目的是為了減短探頭所帶電纜長度，對于用螺紋安裝探頭時，需轉動探頭，過長的電纜不便使電纜隨探頭轉動，容易扭斷電纜，這種情形在探頭安裝部分有進一步說明。
　　
　　延伸電纜的兩端接頭不同，帶陽螺紋的接頭（轉接頭）與探頭聯接，帶陰螺紋的接頭與前置器聯接。
　　
　　前置器
　　
　　前置器是一個電子信號處理器。一方面前置器為探頭線圈提供高頻交流電流；另一方面，前置器感受探頭前面由于金屬導體靠近引起探頭參數的變化，經過前置器的處理，產生隨探頭端面與被測金屬導體間隙線性變化的輸出電壓或電流信號。
　　
　　HZ891XL系列前置器提供兩種安裝方式及兩種輸出方式：
　　
　　前置器及安裝方式如圖1-7所示。
　　
　　●外形尺寸：78mm×61mm×65mm（底板式安裝,與我公司HZ891,BN公司3300系列兼容）;
　　
　　90mm×35mm×70mm（導軌式安裝,與BN公司3300XL系列兼容）。
　　
　　●安裝尺寸：底板安裝，51mm×51mm，采用四個M4×12GB29-76螺栓安裝（產品附件）；
　　
　　導軌安裝，可以方便地安裝在標準35mm導軌上。
　　
　　●電壓輸出：供電電源Ut：-20Vdc～-26Vdc，輸出電壓極限：-0.7V～（Ut+1）V，線性范圍輸出起始電壓：-2V～-18V；
　　
　　供電電源Ut：±12V～±15V，輸出0V～+5V、+1V～+5V、-5V～+5V、0V～+10V、+2V～+10V、-10V～+10V。
　　
　　●電流輸出：供電電源Ut：+18Vdc～+30Vdc，輸出電流：4～20mA。
　　
　　●接線方式：采用SpringLoc端子，有自動緊固的功能，不需要安裝工具即可接線，由于不需要螺栓固定，不會發生松動，。
　　
　　●前置器外殼是用鋁鑄造而成，為了屏蔽外界干擾，在前置器內部已將殼體與信號公共端（信號地）聯接；安裝底板和導軌卡座均為工程絕緣塑料，這樣可以保證在安裝前置器時，使前置器殼體與大地隔離（即所謂“浮地”）。
　　
　　●將前置器反面的標簽撕下，打開蓋板,可以對前置器進行校準（校準的詳細介紹見第三章），除非需要進行傳感器系統重新校準或前置器出現故障，一般不要打開蓋板。
　　
　　●
　　
　　圖1-7前置器
　　
　　前置器的實用設計：
　　
　　●前置器的結構使高頻插座內凹，不易損壞高頻插座。
　　
　　●三端SpringLoc端子鑲嵌固定，直接與內部電路連接，確保連接可靠性。
　　
　　●前置器的容錯性：電源端、公共端（信號地）、輸出端任意接線錯誤不會損壞前置器，電源極性錯誤保護，輸出短路保護。
　　
　　●前置器的核心是電子線路板，除個別校準用的元件外，其它元件均用環氧樹脂膠灌封，這樣可以提高前置器的抗振、防潮性能。前置器在出廠校準后，各校準元件也用硅膠密封，用戶自行校準后，也應這樣做。關于校準的詳細介紹見第三章。
　　
　　產品出廠標記
　　
　　●前置器的型號和編號貼在前置器殼體表面。
　　
　　●探頭及延伸電纜的型號和編號也分別并封在電纜上靠近高頻接頭處的一段透明熱縮套管里。
　　
　　您可以根據出廠校驗單上所標明的各型號和編號，對照產品上的標簽，按出廠校準的情況進行系統配套，這樣在出廠后一年內使用此傳感器系統時可以不再校準。但是，一般要求在傳感器使用前都應進行校準檢查，尤其是當使用條件與出廠校準條件不同時，如被測體材料與出廠校準單注明校準材料牌號不同。
　　
　　標準配套附件
　　
　　●每個標準安裝探頭配2個螺母（六角薄螺母GB6173-86，材料1Cr18Ni9Ti，螺紋規格與探頭螺紋規格一致）、2個墊片（GB97-76，規格與探頭螺紋配套）、2個彈簧墊圈（GB93-76，規格與探頭螺紋配套），每個反裝探頭配1個螺母、1個墊圈、1個彈簧墊圈，無螺紋探頭一般無配套零件。
　　
　　●每個探頭配熱縮套管：規格φ8，透明，長200mm（用于編號及保護轉接頭）。
　　
　　●每個前置器配安裝面板及導軌底座。
　　
　　●以上附件均可單獨供貨。
　　
　　相關資料
　　
　　●產品合格證及出廠校驗單
　　
　　●使用手冊（本手冊）
　　
　　●裝箱單
　　
　　第四節被測體尺寸與材料的影響
　　
　　在系統的工作原理部分，介紹了被測金屬導體的磁導率μ、電導率σ、尺寸因子r對測量也有影響，因此除了探頭、延伸電纜、前置器決定傳感器系統的性能外，嚴格地講被測體也是傳感器系統的一部分，即被測體的性能參數也會影響整個傳感器系統的性能。
　　
　　被測體尺寸的影響
　　
　　圖1-8被測體中電渦流效應范圍
　　
　　探頭線圈產生的磁場范圍是一定的，在被測體表面形成的渦流場也是一定的，如圖1-8所示的渦流區效應范圍，幾何尺寸可按下列公式計算：
　　
　　C=0.86ras
　　
　　ri=0.52ras
　　
　　ra=1.39ras