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摘 要：电涡流传感器具有灵敏度高，线性度高，结构简单，线性测量范围宽，非接触测量，可在油气水等恶劣环境下连续工作特点，实现信息远距离传输控制优势，广泛应用于工业生产等领域位移、偏心、转速等物理量在线检测，为精密诊断技术提供全息动态特性，对电涡流传感器研究具有重要意义。目前对涡流传感器研究集中于电磁学模型机理，测量精度提高等方面。本文简述涡流传感器工作原理，进口涡流传感器技术性能指标，论述涡流传感器在汽轮发电机组上测量参数，确定方法，针对传感器安装出现问题提出预防措施。
关键词：涡流传感器 安装调试 注意问题 工作原理
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（b）-0046-03
Analysis of Problems in Installation and Debugging of Eddy Current Sensor
ZOU Shengfu
（Nanyang Vocational College， Nanyang， Henan Province， 474500 China）
Abstract： Eddy current sensor has high sensitivity， high linearity， simple structure， wide range of linear measurement， non-contact measurement， and can work continuously in harsh environment such as oil， gas and water. It is widely used in on-line detection of displacement， eccentricity and rotational speed in industrial production. At present， the research on eddy current sensor focuses on the mechanism of electromagnetism model and the improvement of measurement accuracy. This paper briefly describes the working principle of eddy current sensor， the technical performance index of imported eddy current sensor， discusses the measurement parameters of eddy current sensor on turbine generator set， determines the method， and puts forward preventive measures for the problems of sensor installation.
Key Words： Eddy current sensor; Installation and commissioning; Attention; Working principle
当今高科技信息时代，通信计算机被誉为现代信息领域支柱。传感器技术是信息技术的敲门砖，随着社会的发展，人们对自动化技术等日益重视。传感器受到多方关注，近几年国家不断推进经济社會和谐发展，传感器因其自身特点在很多领域得到广泛应用。通过传感器才能进行监测控制自动化，传感器技术水平对测控系统质量产生直接影响。传感器技术发展水平决定国家工业化水平，在国防工业中需要大量传感器，用于不同环境下现场数据测量，随着人们对测控要求提高，传感器向智能化等方向发展。TSI汽轮机监测保护仪表在汽轮机组安全运行中发挥重要作用，TSI汽轮机监测保护仪表中涡流传感器是其中核心元件，由于国产涡流传感器制造技术较为落后，国产TSI汽轮机监测保护仪表用于监测中小型汽轮机组部分参数，大型汽轮机组由于进口传感器备件紧缺采用国产产品代替，美国本特利等公司成套TSI汽轮机监测保护仪表使用在大型汽轮机组。涡流传感器安装非常重要，涡流传感器未严格按技术要求安装，影响TSI汽轮机监测保护仪表作用发挥。本文针对本特利公司7200系列和爱普公司RMS-700系列涡流传感器安装调试问题提出解决方法。
1 涡流传感器工作原理
涡流传感器由高频电缆及前置放大器组成，传感器通过高频电缆与放大器连接。工作原理基于麦克斯韦电磁场理论，前置器向传感器线圈提供2MHz高频电流信号，高频磁场穿过被测金属物体表面感应产生环形电涡流，高频磁场影响改变传感器线圈阻抗及互感等参数。参数变化与被测金属材料，传感器线圈平面距离有关[1]。被测金属物体材料确定，金属物体被测面位移量为传感器线圈阻抗单值函数。
通过前置器检测波电路将金属物体被测面位移量变化转化为电压信号。涡流传感器工作中被测金属物体平面产生电涡流为同心圆环，被测金属物体为平面，涡流作用圆环直径大于传感器线圈直径3倍。涡流传感器输出电压信号U与传感器端面至被测面距离关系为系统响应特性，表示关系曲线为系统响应特性曲线。D0，d1，d2为涡流传感器线性量程中点，上下限，U0，U1，U2为线性量程中点上下限对应输出电压信号。影响传感器测量精度因素包括被测材料厚度，几何尺寸，电磁径跳等。涡流传感器工作产生磁效应，被测材料只能是金属，被测金属材料为导电材料，涡流传感器灵敏度高。材料导电导磁时，由于涡流效应存在相互抵消，作用结果使传感器领密度下降，涡流传感器检测导电材料灵敏度高。 2 涡流传感器安装要求
传感器安装需要按规定要求操作，安装一般要求包括支架刚度满足测量要求，支架自振频率大于汽轮机组转速10倍;被测金属物体表面光洁，防止机械径跳产生测量误差;支架端面距离传感器测量端面大于直径1倍;传感器安装距离较近，轴心线距离大于传感器直径3倍;传感器通过穿孔安装，在沿传感器轴线45°椎体内被测金属物体外，不应有其他金属物体。
传感器中选与金属物体被测平面垂直度控制在艾普公司规定范围内。测量轴振动传感器安装，传感器轴线距被测轴距径端面距离L满足规定限制条件。直径大于传感器直径4倍。测量轴向位移，以轴推理盘为被测平面。为防止引起测量误差，轴被测圆盘平面距轴推理盘距离不大于300mm;径向测量传感器安装考虑机械径向跳动量，传感器水平安装考虑轴旋转偏移量;传感器通过延长套管安装，必须固定延长套管[3]。轴被测圆盘尺寸应满足爱普公司规定条件。安装传感器应考虑线性量程满足被测对象工作位移范围。
仪表显示量程与被测对象工作位移范围一致，本特利公司允许传感器在同系列转换，如3300系列ψ8mm传感器测量系统传感器，规格确定后可以互换。不能与ψ11mm传感器测量系统前置器互换。PR6423传感器在测量精度低参数时，延长电缆可以互换。PR6424传感器测量胀差时，延长电缆必须与供货型号成套使用。应保证传感器测量系统单点接地，屏蔽层集中在监视保护系统机柜处。
传感器安装前对测量系统校验，检查传感器线路电阻，在维护时作为判断传感器是否损坏依据。防止传感器碰撞，安装前检查延长线缆是否有损坏现象。安装调整间隙时使传感器电缆旋转;安装后前置器电缆套装在金属保护管内安装牢固。将传感器及前置器加上标签。前置器安装在防尘处，电缆接头干燥，防止接触不良现象发生。电缆接头采用耐油胶带密封，采用本特利公司专用密封材料，不能用电工胶带密封。电缆与延长电缆接头置于机器缸体外。使用环境温度下不应超过传感器规定工作温度。
3 涡流传感器测量安装
安装传感器测量系统前要了解涡流传感器技术性能指标，PR6423，PR6426传感器与不同型号前置器组合有多种量程段可选[4]。涡流传感器为非接触测量，适用于测量机械位移量变化，电力系统传感器用于测量汽轮机转速，偏心，轴向位移等参数。传感器安装是安装间隙调整，满足安装一般要求条件外，必须在常温下安装。保证安装零位与被测对象一致，安装间隙在线性量程中点。
3.1 转速测量及传感器安装
转速是汽轮机组重要运行参数，通过检测测速齿轮发出脉冲信号测量汽轮机组转速。涡流传感器可以估算理想状态下测量转子频率，设测速齿轮数为Z，转子每转频率为f，检测齿轮齿顶齿底输出电压信号峰值为Vp-p，理想状态下f=Z/60·n，最差状态下V=Vp-p·F/√F2+f2，f=Z/60·n·A+B/2A，A为齿轮齿较小者，B为齿轮斥候较大者。理想状态是测速齿轮为小齿轮;最差状态是不对称齿轮。理想状态下转子每转频率f为转子转速n的Z/60倍，测速齿轮采用齿轮Z为60小齿轮，公式变为n=f，有利于数据处理。
测速齿轮数Z=60，涡流传感器输出电压信号与齿轮材质有关。传感器安装间隙影响频率响应值，安装间隙减小频率响应值增大。振动调动较大测速齿轮，本特利公司认为测得速度信号幅值是振动信号2倍。采用3300系列￠ 8mm传感器测量转速，测速齿轮顶圆安装间隙控制在1.1～1.3mm。艾普公司规定测速齿轮采用模数≥1，采用齿间≥1.5mm，齿宽≥4mm齿轮，采用PR6423传感器测量转速，与测速齿轮顶圆安装间隙控制在1.3～1.5，不测量间隙电压。
3.2 键相测量及传感器安装
采用PR9376传感器测量转速，距测齿轮顶圆安装间隙小于1.5mm，安装间隙用塞尺测量。注意PR9376传感器安装标记，保证通过安装标记垂直于轴线直线平行于测速齿轮轴线。安装传感器考虑测速齿轮径向跳动。键相测量目的是确定转子相位，为测量参数提供基准信号。传感器测量转子上键槽检测负脉冲信号，推荐键槽加工尺寸为宽7.6mm，键槽长度根据转子膨胀长度确定。
传感器测量转子上键块，检测正脉冲信号。键块尺寸采用宽7.6mm，长度根据转子膨胀长度确定。采用本特利公司3300系列￠8mm涡流传感器测量键相，传感器安装间隙控制在1.1～1.3mm。采用艾普公司PR6423涡流传感器测量键相，输出电压调至-12VDc，采用PR9376磁敏半导体传感器测量键相，安装间隙控制在1.1～1.3mm。安装调整需测量输出间隙电压，用塞尺复查安装间隙是否符合要求。应注意调整传感器安装间隙，必须对准键槽块确定安装间隙。传感器安装在轴的端头，考虑径向跳动量。
3.3 偏心、轴振动测量及传感器安装
轴偏心表示转子弯曲程度，是汽轮机组启停重要检测参数，机组盘车下检测转子偏心量峰值，转子转速升至一定值，不检测转子偏心。轴振动测量对防止转子动静分径向碰磨非常重要。采用两个传感器相互90°±5°家教安装在轴承座，测量轴与轴承座振動量峰值。传感器安装分为与垂直方向呈45°夹角，传感器呈垂直水平方向安装。通常以前者为宜。艾普公司采用传感器与垂直方向呈45°夹角方式安装。
相互垂直安装测量系统输出电压信号分直交流分量，汽轮机组运行中检测轴振动峰值对机组安全非常重要，采用本特利3300系列￠传感器测量轴偏心，推荐零位输出电压为-8VDc～-9VDc，传感器安装零位输出电压调至-9VDc～-10VDc，采用艾普公司PR6423传感器测量偏心振动，零位输出电压调至-12VDc。安装测量电压后用塞尺复查安装间隙是否符合要求，或采用其他方法确定安装间隙。如通过延长套管安装在轴承座，使传感器与转子轴线不能垂直相交于虚假零位输出电压，退出至合适位置，以间隙电压为零位输出电压。
3.4 轴向位移测量及传感器安装
汽轮机组轴向位移测量目的是防止转子轴向碰磨，传感器采用轴向安装，间隙调整需在常温下进行。零位需与汽轮机组转子一致。采用计算机采集数据，可以任意数据设定为测量系统零位，安装零位输出电压可略有变动，以本特利公司轴向位移传感器零位输出电压为准。汽轮机组轴向位移量程为-2～2mm，无法测量转子推理盘位移，轴向位移被测圆盘距推理盘距离在300mm内。
本特利公司3300系列￠11mm涡流传感器用于轴向位移测量。3300系列￠11mm涡流传感器安装间隙为2.5mm，720系列￠11mm涡流传感器零位输出电压调至-11.6±0.2VDc;传感器安装间隙控制在2.55mm，安装零位与转子轴向位移零位误差，通过调整轴向位移监视器3300/20内部短接块在±0.0635mm～±0.381mm内调整。PR6425涡流传感器用于测量轴向位移，传感器输出电压调至-12VDc，安装间隙控制在3.0mm，传感器安装间隙与轴向位移零位误差，可通过监视器SDM010/S1ZERO电位器在量程±2.5%内调整。
参考文献
[1] 楼阳逸.基于GMR传感器的电涡流位移检测系统[D].杭州：杭州电子科技大学，2018.
[2] 牛薇.基于电涡流原理的转速传感器的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.
[3] 史冠强.TSI系统现场校验、安装调试及故障排查[J].黑龙江科技信息，2016（7）：43-44.
[4] 缪水宝.汽轮机轴向位移、胀差传感器的安装探讨以及异常问题分析归纳[J].东方汽轮机， 2019（3）：60-68.
[5] 刘锐.油气管道变形检测涡流传感器研制[D].北京：机械科学研究总院，2015.
[6] 肖一鸣.火电厂TSI安装调试及常见故障诊断和处理[J].山东工业技术，2015（7）：190.
[7] 赵文科.浅谈电涡流传感器拆除安装及密封点处理方法[J].商品与质量，2019（37）：268.
关键词：涡流传感器 安装调试 注意问题 工作原理
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（b）-0046-03
Analysis of Problems in Installation and Debugging of Eddy Current Sensor
ZOU Shengfu
（Nanyang Vocational College， Nanyang， Henan Province， 474500 China）
Abstract： Eddy current sensor has high sensitivity， high linearity， simple structure， wide range of linear measurement， non-contact measurement， and can work continuously in harsh environment such as oil， gas and water. It is widely used in on-line detection of displacement， eccentricity and rotational speed in industrial production. At present， the research on eddy current sensor focuses on the mechanism of electromagnetism model and the improvement of measurement accuracy. This paper briefly describes the working principle of eddy current sensor， the technical performance index of imported eddy current sensor， discusses the measurement parameters of eddy current sensor on turbine generator set， determines the method， and puts forward preventive measures for the problems of sensor installation.
Key Words： Eddy current sensor; Installation and commissioning; Attention; Working principle
当今高科技信息时代，通信计算机被誉为现代信息领域支柱。传感器技术是信息技术的敲门砖，随着社会的发展，人们对自动化技术等日益重视。传感器受到多方关注，近几年国家不断推进经济社會和谐发展，传感器因其自身特点在很多领域得到广泛应用。通过传感器才能进行监测控制自动化，传感器技术水平对测控系统质量产生直接影响。传感器技术发展水平决定国家工业化水平，在国防工业中需要大量传感器，用于不同环境下现场数据测量，随着人们对测控要求提高，传感器向智能化等方向发展。TSI汽轮机监测保护仪表在汽轮机组安全运行中发挥重要作用，TSI汽轮机监测保护仪表中涡流传感器是其中核心元件，由于国产涡流传感器制造技术较为落后，国产TSI汽轮机监测保护仪表用于监测中小型汽轮机组部分参数，大型汽轮机组由于进口传感器备件紧缺采用国产产品代替，美国本特利等公司成套TSI汽轮机监测保护仪表使用在大型汽轮机组。涡流传感器安装非常重要，涡流传感器未严格按技术要求安装，影响TSI汽轮机监测保护仪表作用发挥。本文针对本特利公司7200系列和爱普公司RMS-700系列涡流传感器安装调试问题提出解决方法。
1 涡流传感器工作原理
涡流传感器由高频电缆及前置放大器组成，传感器通过高频电缆与放大器连接。工作原理基于麦克斯韦电磁场理论，前置器向传感器线圈提供2MHz高频电流信号，高频磁场穿过被测金属物体表面感应产生环形电涡流，高频磁场影响改变传感器线圈阻抗及互感等参数。参数变化与被测金属材料，传感器线圈平面距离有关[1]。被测金属物体材料确定，金属物体被测面位移量为传感器线圈阻抗单值函数。
通过前置器检测波电路将金属物体被测面位移量变化转化为电压信号。涡流传感器工作中被测金属物体平面产生电涡流为同心圆环，被测金属物体为平面，涡流作用圆环直径大于传感器线圈直径3倍。涡流传感器输出电压信号U与传感器端面至被测面距离关系为系统响应特性，表示关系曲线为系统响应特性曲线。D0，d1，d2为涡流传感器线性量程中点，上下限，U0，U1，U2为线性量程中点上下限对应输出电压信号。影响传感器测量精度因素包括被测材料厚度，几何尺寸，电磁径跳等。涡流传感器工作产生磁效应，被测材料只能是金属，被测金属材料为导电材料，涡流传感器灵敏度高。材料导电导磁时，由于涡流效应存在相互抵消，作用结果使传感器领密度下降，涡流传感器检测导电材料灵敏度高。 2 涡流传感器安装要求
传感器安装需要按规定要求操作，安装一般要求包括支架刚度满足测量要求，支架自振频率大于汽轮机组转速10倍;被测金属物体表面光洁，防止机械径跳产生测量误差;支架端面距离传感器测量端面大于直径1倍;传感器安装距离较近，轴心线距离大于传感器直径3倍;传感器通过穿孔安装，在沿传感器轴线45°椎体内被测金属物体外，不应有其他金属物体。
传感器中选与金属物体被测平面垂直度控制在艾普公司规定范围内。测量轴振动传感器安装，传感器轴线距被测轴距径端面距离L满足规定限制条件。直径大于传感器直径4倍。测量轴向位移，以轴推理盘为被测平面。为防止引起测量误差，轴被测圆盘平面距轴推理盘距离不大于300mm;径向测量传感器安装考虑机械径向跳动量，传感器水平安装考虑轴旋转偏移量;传感器通过延长套管安装，必须固定延长套管[3]。轴被测圆盘尺寸应满足爱普公司规定条件。安装传感器应考虑线性量程满足被测对象工作位移范围。
仪表显示量程与被测对象工作位移范围一致，本特利公司允许传感器在同系列转换，如3300系列ψ8mm传感器测量系统传感器，规格确定后可以互换。不能与ψ11mm传感器测量系统前置器互换。PR6423传感器在测量精度低参数时，延长电缆可以互换。PR6424传感器测量胀差时，延长电缆必须与供货型号成套使用。应保证传感器测量系统单点接地，屏蔽层集中在监视保护系统机柜处。
传感器安装前对测量系统校验，检查传感器线路电阻，在维护时作为判断传感器是否损坏依据。防止传感器碰撞，安装前检查延长线缆是否有损坏现象。安装调整间隙时使传感器电缆旋转;安装后前置器电缆套装在金属保护管内安装牢固。将传感器及前置器加上标签。前置器安装在防尘处，电缆接头干燥，防止接触不良现象发生。电缆接头采用耐油胶带密封，采用本特利公司专用密封材料，不能用电工胶带密封。电缆与延长电缆接头置于机器缸体外。使用环境温度下不应超过传感器规定工作温度。
3 涡流传感器测量安装
安装传感器测量系统前要了解涡流传感器技术性能指标，PR6423，PR6426传感器与不同型号前置器组合有多种量程段可选[4]。涡流传感器为非接触测量，适用于测量机械位移量变化，电力系统传感器用于测量汽轮机转速，偏心，轴向位移等参数。传感器安装是安装间隙调整，满足安装一般要求条件外，必须在常温下安装。保证安装零位与被测对象一致，安装间隙在线性量程中点。
3.1 转速测量及传感器安装
转速是汽轮机组重要运行参数，通过检测测速齿轮发出脉冲信号测量汽轮机组转速。涡流传感器可以估算理想状态下测量转子频率，设测速齿轮数为Z，转子每转频率为f，检测齿轮齿顶齿底输出电压信号峰值为Vp-p，理想状态下f=Z/60·n，最差状态下V=Vp-p·F/√F2+f2，f=Z/60·n·A+B/2A，A为齿轮齿较小者，B为齿轮斥候较大者。理想状态是测速齿轮为小齿轮;最差状态是不对称齿轮。理想状态下转子每转频率f为转子转速n的Z/60倍，测速齿轮采用齿轮Z为60小齿轮，公式变为n=f，有利于数据处理。
测速齿轮数Z=60，涡流传感器输出电压信号与齿轮材质有关。传感器安装间隙影响频率响应值，安装间隙减小频率响应值增大。振动调动较大测速齿轮，本特利公司认为测得速度信号幅值是振动信号2倍。采用3300系列￠ 8mm传感器测量转速，测速齿轮顶圆安装间隙控制在1.1～1.3mm。艾普公司规定测速齿轮采用模数≥1，采用齿间≥1.5mm，齿宽≥4mm齿轮，采用PR6423传感器测量转速，与测速齿轮顶圆安装间隙控制在1.3～1.5，不测量间隙电压。
3.2 键相测量及传感器安装
采用PR9376传感器测量转速，距测齿轮顶圆安装间隙小于1.5mm，安装间隙用塞尺测量。注意PR9376传感器安装标记，保证通过安装标记垂直于轴线直线平行于测速齿轮轴线。安装传感器考虑测速齿轮径向跳动。键相测量目的是确定转子相位，为测量参数提供基准信号。传感器测量转子上键槽检测负脉冲信号，推荐键槽加工尺寸为宽7.6mm，键槽长度根据转子膨胀长度确定。
传感器测量转子上键块，检测正脉冲信号。键块尺寸采用宽7.6mm，长度根据转子膨胀长度确定。采用本特利公司3300系列￠8mm涡流传感器测量键相，传感器安装间隙控制在1.1～1.3mm。采用艾普公司PR6423涡流传感器测量键相，输出电压调至-12VDc，采用PR9376磁敏半导体传感器测量键相，安装间隙控制在1.1～1.3mm。安装调整需测量输出间隙电压，用塞尺复查安装间隙是否符合要求。应注意调整传感器安装间隙，必须对准键槽块确定安装间隙。传感器安装在轴的端头，考虑径向跳动量。
3.3 偏心、轴振动测量及传感器安装
轴偏心表示转子弯曲程度，是汽轮机组启停重要检测参数，机组盘车下检测转子偏心量峰值，转子转速升至一定值，不检测转子偏心。轴振动测量对防止转子动静分径向碰磨非常重要。采用两个传感器相互90°±5°家教安装在轴承座，测量轴与轴承座振動量峰值。传感器安装分为与垂直方向呈45°夹角，传感器呈垂直水平方向安装。通常以前者为宜。艾普公司采用传感器与垂直方向呈45°夹角方式安装。
相互垂直安装测量系统输出电压信号分直交流分量，汽轮机组运行中检测轴振动峰值对机组安全非常重要，采用本特利3300系列￠传感器测量轴偏心，推荐零位输出电压为-8VDc～-9VDc，传感器安装零位输出电压调至-9VDc～-10VDc，采用艾普公司PR6423传感器测量偏心振动，零位输出电压调至-12VDc。安装测量电压后用塞尺复查安装间隙是否符合要求，或采用其他方法确定安装间隙。如通过延长套管安装在轴承座，使传感器与转子轴线不能垂直相交于虚假零位输出电压，退出至合适位置，以间隙电压为零位输出电压。
3.4 轴向位移测量及传感器安装
汽轮机组轴向位移测量目的是防止转子轴向碰磨，传感器采用轴向安装，间隙调整需在常温下进行。零位需与汽轮机组转子一致。采用计算机采集数据，可以任意数据设定为测量系统零位，安装零位输出电压可略有变动，以本特利公司轴向位移传感器零位输出电压为准。汽轮机组轴向位移量程为-2～2mm，无法测量转子推理盘位移，轴向位移被测圆盘距推理盘距离在300mm内。
本特利公司3300系列￠11mm涡流传感器用于轴向位移测量。3300系列￠11mm涡流传感器安装间隙为2.5mm，720系列￠11mm涡流传感器零位输出电压调至-11.6±0.2VDc;传感器安装间隙控制在2.55mm，安装零位与转子轴向位移零位误差，通过调整轴向位移监视器3300/20内部短接块在±0.0635mm～±0.381mm内调整。PR6425涡流传感器用于测量轴向位移，传感器输出电压调至-12VDc，安装间隙控制在3.0mm，传感器安装间隙与轴向位移零位误差，可通过监视器SDM010/S1ZERO电位器在量程±2.5%内调整。
参考文献
[1] 楼阳逸.基于GMR传感器的电涡流位移检测系统[D].杭州：杭州电子科技大学，2018.
[2] 牛薇.基于电涡流原理的转速传感器的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.
[3] 史冠强.TSI系统现场校验、安装调试及故障排查[J].黑龙江科技信息，2016（7）：43-44.
[4] 缪水宝.汽轮机轴向位移、胀差传感器的安装探讨以及异常问题分析归纳[J].东方汽轮机， 2019（3）：60-68.
[5] 刘锐.油气管道变形检测涡流传感器研制[D].北京：机械科学研究总院，2015.
[6] 肖一鸣.火电厂TSI安装调试及常见故障诊断和处理[J].山东工业技术，2015（7）：190.
[7] 赵文科.浅谈电涡流传感器拆除安装及密封点处理方法[J].商品与质量，2019（37）：268.