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1、第十章第十章 机械量检测及仪表机械量检测及仪表 机械量检测仪表是用来对尺寸、位移、力、重量、转矩、机械量检测仪表是用来对尺寸、位移、力、重量、转矩、速度和振动等参数进行测量的仪表。检测机械量的传感器大速度和振动等参数进行测量的仪表。检测机械量的传感器大多数是把这些参数变换成电量，再用电测仪表进行测量。多数是把这些参数变换成电量，再用电测仪表进行测量。火电厂的汽轮机组是一种高速旋转的大型火电厂的汽轮机组是一种高速旋转的大型设备，为了保障机组运行的经济性，其转动部设备，为了保障机组运行的经济性，其转动部分（如转子、叶片、主轴）与静止部分（如汽分（如转子、叶片、主轴）与静止部分（如汽缸、喷嘴和隔板、
2、汽封）之间的间隙都设计的缸、喷嘴和隔板、汽封）之间的间隙都设计的很小。在机组启动、运行和停止过程中，动、很小。在机组启动、运行和停止过程中，动、静部分相对膨胀、收缩量较大。如果发生动静静部分相对膨胀、收缩量较大。如果发生动静部分摩擦、碰击，就有可能产生汽轮机的轴封部分摩擦、碰击，就有可能产生汽轮机的轴封磨损、叶片断裂，甚至整机损坏的事故。此外，磨损、叶片断裂，甚至整机损坏的事故。此外，当汽轮机调速系统发生故障，以及主轴发生弯当汽轮机调速系统发生故障，以及主轴发生弯曲时，机组将产生超速及过大的振动。为了保曲时，机组将产生超速及过大的振动。为了保证机组的安全运行，汽轮机上应装设转速、轴证机组的安全
3、运行，汽轮机上应装设转速、轴向位移、热膨胀、振动及大轴弯曲等机械参数向位移、热膨胀、振动及大轴弯曲等机械参数的测量仪表和装置。这些仪表通常可称为汽轮的测量仪表和装置。这些仪表通常可称为汽轮机保护仪表或机械参数测量仪表。机保护仪表或机械参数测量仪表。第一节第一节 位移测量位移测量 测量位移的传感器种类很多，工作原理各不相同。测量位移的传感器种类很多，工作原理各不相同。目前火电厂中测量位移常使用的传感器有电涡流式传目前火电厂中测量位移常使用的传感器有电涡流式传感器和线性变化差动变压器式传感器。感器和线性变化差动变压器式传感器。一、电涡流式传感器一、电涡流式传感器 电涡流式传感器可分为高频反射式和低
4、频透射式电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。下面主要介绍应用广泛的高频反射式电涡流传两类。下面主要介绍应用广泛的高频反射式电涡流传感器。感器。1.1.组成组成 电涡流传感器由探头、延伸电缆、前置器三部分组成，电涡流传感器由探头、延伸电缆、前置器三部分组成，如上图所示。探头的外形如图所示。它的外形与普通螺如上图所示。探头的外形如图所示。它的外形与普通螺栓十分相似，头部有扁平的感应线圈，把它固定在不锈栓十分相似，头部有扁平的感应线圈，把它固定在不锈钢螺栓一端，感应线圈的引线从螺栓的另一端与高频电钢螺栓一端，感应线圈的引线从螺栓的另一端与高频电缆相连。缆相连。(a)外形外形 (b)结构示
5、意结构示意1-头部线圈；头部线圈；2-固定螺帽；固定螺帽；3-高频电缆高频电缆电涡流传感器电涡流传感器2、工作原理工作原理电涡流式传感器是在涡流效应的基础上建立起来的。电涡流式传感器是在涡流效应的基础上建立起来的。0)()(222112111ILjRIMjUIMjILjR根据基尔霍夫定律，由图可列根据基尔霍夫定律，由图可列出下列方程式出下列方程式对上述方程联立求解，可得对上述方程联立求解，可得 1221111)(ILjRMjMjILjRU1222222221222222221ILRMLLjLRMRR12121ILLjRR1I Z调幅式测量原理示意调幅式测量原理示意 谐振曲线波形图谐振曲线波形图
6、 我国大型汽轮机上使用的 公司的系列和美国 公司的7200系列汽轮机监视保护装置中，都采用了电涡流传感器。对于系列的高频涡流位移传感器，当线性测量范围为 时，灵敏度为 ,测量范围为 时，灵敏度为 ；测量范围为 时，灵敏度为 。0.5mm16/V mm1.0mm8/V mm2.0mm4/V mmPhilips700RMSBently涡流传感器的涡流传感器的特性曲线特性曲线 二、二、电感式位移测量装置电感式位移测量装置 电感式传感器种类很多，根据转换原理不同，可电感式传感器种类很多，根据转换原理不同，可分为自感式和互感式两种；根据结构型式不同，可分分为自感式和互感式两种；根据结构型式不同，可分为气
7、隙型和螺管型两种。为气隙型和螺管型两种。下图所示的位移测量下图所示的位移测量装置采用了变气隙互感式原装置采用了变气隙互感式原理，从结构上可看成由电感式位移传感器和位移指示理，从结构上可看成由电感式位移传感器和位移指示仪表组成。仪表组成。位移传感器结构示意位移传感器结构示意1被测物体的凸缘；被测物体的凸缘；2电感位移发信器；电感位移发信器；3调整装置；调整装置；4显示仪表；显示仪表；5磁饱磁饱和稳压器和稳压器 线性变化差动变压器线性变化差动变压器 也采用了螺管型互感式原理，也采用了螺管型互感式原理，是美国是美国 72007200系列中线性位移传感器，可用于测量汽系列中线性位移传感器，可用于测量汽
8、轮机的热膨胀、相对热膨胀和轴向位移，也可用于汽阀轮机的热膨胀、相对热膨胀和轴向位移，也可用于汽阀调节的行程机构中。调节的行程机构中。线性差动变压器线性差动变压器 线性差动变压器的输出线性差动变压器的输出()LVDTBently 由此可见，线性变化差动变压器的输出电动势之差正比于被位由此可见，线性变化差动变压器的输出电动势之差正比于被位移量移量 。其比例常数取决于原绕组端电压、电感、耦合系。其比例常数取决于原绕组端电压、电感、耦合系数、绕组匝数、气隙导磁率、磁通面积及绕组尺寸等。公式中数、绕组匝数、气隙导磁率、磁通面积及绕组尺寸等。公式中负号表示感应电动势方向与原电压方向相反。负号表示感应电动势
9、方向与原电压方向相反。三、位移测量应用举例三、位移测量应用举例 1.1.汽轮机轴向位移的测量汽轮机轴向位移的测量 为了监视汽轮机推力轴承的工作状况，一般在推力瓦上装为了监视汽轮机推力轴承的工作状况，一般在推力瓦上装有温度测点（回油温度计），再有，在转子凸缘处装上有温度测点（回油温度计），再有，在转子凸缘处装上 型型铁芯或高频涡流位移检测装置，以测取运行中的实际轴向位移铁芯或高频涡流位移检测装置，以测取运行中的实际轴向位移量。量。汽轮发电机正常运行时，轴向位移量为汽轮发电机正常运行时，轴向位移量为0.3810.3812.159mm2.159mm；超过以上范围，且在；超过以上范围，且在0.2540
10、.2542.268 mm2.268 mm范围之内，则范围之内，则必须减负荷运行；最后若超出必须减负荷运行；最后若超出0.2540.2542.268 mm2.268 mm范围，则应停范围，则应停机跳闸保护。机跳闸保护。xKxxlSWWkLUE2000002x300MW2.机组热膨胀的测量 测量缸胀或差胀的传感器可以用 型铁芯传感器、高频涡流传感器或线性变化差动变压器。机组高、中、低压缸缸（差）胀示意机组高、中、低压缸缸（差）胀示意1-1-推力轴承推力轴承-转子死点；转子死点；2 2差胀装置；差胀装置；3 3内汽缸死点；内汽缸死点；4 4外汽外汽缸死点；缸死点；5 5支持轴承；支持轴承；6 6缸胀
11、装置；缸胀装置；HP HP 高压汽缸；高压汽缸；IPIP中中压汽缸；压汽缸；LP-1LP-1、2 2低压汽缸低压汽缸1 1和低压汽缸和低压汽缸2 2 第二节第二节 振动测量振动测量 振动是经常发生的一种物理现象。机械振动在很振动是经常发生的一种物理现象。机械振动在很多情况下总是有害的，它使机器的零部件加快失效，多情况下总是有害的，它使机器的零部件加快失效，破坏机器的正常工作，降低设备的使用寿命，甚至导破坏机器的正常工作，降低设备的使用寿命，甚至导致机器部件损坏而产生事故。致机器部件损坏而产生事故。在火电厂中，汽轮机由于转轴失稳、转子动平衡欠在火电厂中，汽轮机由于转轴失稳、转子动平衡欠佳及转系中
12、心不准，在运行中会产生不同程度的振动。佳及转系中心不准，在运行中会产生不同程度的振动。振动过大，会加速轴封的磨损，转动部件的疲劳强度振动过大，会加速轴封的磨损，转动部件的疲劳强度下降，调速系统不稳定，甚至引起重大事故。因此，下降，调速系统不稳定，甚至引起重大事故。因此，在汽轮机启停和运行中，对轴承和大轴的振动必须严在汽轮机启停和运行中，对轴承和大轴的振动必须严格进行监视。格进行监视。用来表述振动状态的参数有：振动的位移、振动用来表述振动状态的参数有：振动的位移、振动的速度、振动的加速度、振动的频率、振动的烈度和的速度、振动的加速度、振动的频率、振动的烈度和振动的频谱。若振动复合波形中最简谐振动
13、为正弦波，振动的频谱。若振动复合波形中最简谐振动为正弦波，则它们的关系如下：则它们的关系如下：()sin()x tXt)cos()cos()(tVtXtv)sin()sin()(2tAtXta式中式中 振动角频率；振动角频率；振动相位角；振动相位角；、分别为振动的位移量、振动分别为振动的位移量、振动速度幅值和振动加速度幅值。速度幅值和振动加速度幅值。XVA 国际标准中规定用振动烈度作为描述振动状态的特征国际标准中规定用振动烈度作为描述振动状态的特征量，并规定在机器的重要位置上（例如轴承和地脚固量，并规定在机器的重要位置上（例如轴承和地脚固定处等）所测得的振动速度的最大有效值，作为机器定处等）所
14、测得的振动速度的最大有效值，作为机器的振动烈度。的振动烈度。如果测得随时间变化的振动速度如果测得随时间变化的振动速度 后，则由下式可计后，则由下式可计算出振动速度的有效值算出振动速度的有效值 式中式中 T T 计算时所取的某一时间间隔。计算时所取的某一时间间隔。目前我国汽轮机还采用振动的幅值大小作为评价目前我国汽轮机还采用振动的幅值大小作为评价振动强弱的参数，例如振动强弱的参数，例如 机组，其轴颈处正常振机组，其轴颈处正常振幅应小于幅应小于 ，最大也不应超过，最大也不应超过 。)(tvrmsvTrmsttvTv02d)(1300MW76 m127 m一、磁电式传感器一、磁电式传感器 振动系统模
15、型振动系统模型 磁电式传感器结构示意磁电式传感器结构示意1质量块；质量块；2弹簧；弹簧；1引线；引线；2壳体；壳体；3线圈；线圈；4磁钢磁钢3阻尼器；阻尼器；4被测振体被测振体 5芯轴；芯轴；6阻尼杯；阻尼杯；7弹簧片弹簧片 磁电式传感器的结构如上图所示。传感器的磁钢磁电式传感器的结构如上图所示。传感器的磁钢4 4与壳体与壳体2 2固定在一起。芯轴固定在一起。芯轴5 5穿过磁钢的中心孔，并由穿过磁钢的中心孔，并由左右两片柔软的圆形弹簧片左右两片柔软的圆形弹簧片7 7支承在壳体上。芯轴的一支承在壳体上。芯轴的一端固定着一个线圈端固定着一个线圈3 3；另一端固定一个圆筒形铜杯（阻；另一端固定一个圆
16、筒形铜杯（阻尼杯尼杯6 6）。当振动频率远远高于传感器的固有频率时，）。当振动频率远远高于传感器的固有频率时，线圈接近静止不动，而磁钢则跟随振动体一起振动。线圈接近静止不动，而磁钢则跟随振动体一起振动。这样，线圈与磁钢之间就有相对运动，其相对运动的这样，线圈与磁钢之间就有相对运动，其相对运动的速度等于物体的振动速度。线圈以相对速度切割磁力速度等于物体的振动速度。线圈以相对速度切割磁力线，传感器就有正比于振动速度的电势信号输出。线，传感器就有正比于振动速度的电势信号输出。根据电磁感应原理，线圈根据电磁感应原理，线圈3 3中感应电动势为中感应电动势为 0()tdxdxEWBLWBLVdtdt 0cosEWBL Xt 由于磁电式传感器的输出电动势与振动速度成正由于磁电式传感器的输出电动势与振动速度成正比，故也称为速度传感器。可以看出，这种速度传感比，故也称为速度传感器。可以看出，这种速度传感器的输出信号不仅与被测振幅有关，还与其振动频率器的输出信号不仅与被测振幅有关，还与其振动频率有关。有关。若利用积分放大器对电势进行积分，得到：若利用积分放大器对电势进行积分，得到：取其最大值（峰值），则为
