電渦流傳感器原理以及在熱控設備中的應用

更新時間：2024-12-27

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1、什么是電渦流效應？

電感線圈產生的磁力線經過金屬導體時，金屬導體就會產生感應電流，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，其實是電磁感應原理的延伸。

注意：電渦流傳感器要求被測體必須是導體。

傳感器探頭里有小型線圈，由控制器控制產生震蕩電磁場，當接近被測體時，被測體表面會產生感應電流，而產生反向的電磁場。這時電渦流傳感器根據反向電磁場的強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構

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成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導線繞在槽內。下圖為渦流傳感器的結構原理，它采取將導線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內，形成線圈的結構方式。

1—電渦流線圈；2—探頭殼體；3—殼體上的位置調節螺紋；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

按照電渦流在導體內的貫穿情況,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，重點以此為基礎介紹。

傳感器線圈由高頻信號激勵，使它產生一個高頻交變磁場φi，當被測導體靠近線圈時，在磁場作用范圍的導體表層，產生了與此磁場相交鏈的電渦流ie，而此電渦流又將產生一交變磁場φe阻礙外磁場的變化。從能量角度來看，在被測導體內存在著電渦流損耗（當頻率較高時，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均發生變化，于是把位移量轉換成電量。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備中的應用

3.1、軸向位移測量

對于許多旋轉機械，包括蒸汽輪機、燃汽輪機、水輪機、離心式和軸流式壓縮機、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構損壞。軸向位移的測量，可以指示旋轉部件與固定部件之間的軸向間隙或相對瞬時的位移變化，用以防止機器的破壞。

軸向位移是指機器內部轉子沿軸心方向，相對于止推軸承二者之間的間隙而言。有些機械故障，也可通過軸向位移的探測，進行判別：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、聯軸節的鎖住等。

軸向位移（軸向間隙）的測量，經常與軸向振動弄混。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。有些故障可以導致軸向振動。例如壓縮機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，還可以看到轉子的不平衡，不對中等機械故障。可以提供對于下列關鍵或基礎機械進行機械狀態監測所需要的信息：1、工業透平，蒸汽/燃汽；2、壓縮機，空氣/特殊用途氣體，徑向/軸向；3、膨脹機；4、動力發電透平，蒸汽/燃汽/水利；5、電動馬達、發電機；6、勵磁機；7、齒輪箱；8、泵；9、風扇、風機；10、往復式機械。

振動測量同樣可以用于對一般性的小型機械進行連續監測。可為如下各種機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；

2、轉子摩擦，部件松動；

3、軸承套筒松動，壓縮機踹振；

4、滾動部件軸承失效，徑向預載，內部/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，聯軸器“鎖死"；

7、軸彎曲，軸裂紋；

8、電動馬達空氣間隙不勻，齒輪咬合問題；

9、透平葉片通道共振，葉輪通過現象。

3.3、偏心測量

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

1、原有的機械彎曲 ·臨時溫升導致的彎曲 ·在靜止狀態下，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，對于評價旋轉機械全面的機械狀態，是非常重要的。特別是對于裝有透平監測儀表系統（TSI）的汽輪機，在啟動或停機過程中，偏心測量已成為不可少的測量項目。它使你能看到由于受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。轉子的偏心位置，也叫軸的徑向位置，它經常用來指示軸承的磨損，以及加載荷的大小。如由不對中導致的那種情況，它同時也用來決定軸的方位角，方位角可以說明轉子是否穩定。

3.4、脹差測量

對于汽輪發電機組來說，在其啟動和停機時，由于金屬材料的不同，熱膨脹系數的不同，以及散熱的不同，軸的熱膨脹可能超過殼體膨脹；有可能導致透平機的旋轉部件和靜止部件（如機殼、噴嘴、臺座等）的相互接觸，導致機器的破壞。因此脹差的測量是非常重要的。

3.5、轉速測量

對于所有旋轉機械而言，都需要監測旋轉機械軸的轉速，轉速是衡量機器正常運轉的一個重要指標。而電渦流傳感器測量轉速的性是其它任何傳感器測量沒法比的，它既能響應零轉速，也能響應高轉速，抗干擾性能也非常強。

電渦流傳感器測量齒輪轉速的應用

分析：

轉速的測量實際上是對轉子旋轉引起的周期信號的頻率進行測量。轉速測量方法有多種,我們采用計數法進行轉速測量,即在一定時間間隔內,根據被測信號的周期數求轉速。在本系統中,測速圓盤上有i=6個突出的齒牙,轉子每轉一周,電渦流傳感器將輸出6個周期信號。假設單位為s,齒輪數為N,f為頻率，轉子轉速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

4.1、對被測體的要求

為了防止電渦流產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電介質空間，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生交叉干擾，兩個探頭之間一定要保持規定的距離，被測體表面積應為探頭直徑3倍以上，當無法滿足3倍的要求時，可以適當減小，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%，所以當靈敏度要求不高時可適當縮小測量表面積。

4.2、對工作溫度的要求

一般進口渦流傳感器最高溫度不大于180℃，而國產的只能達到120℃，并且這些數據來源于生產廠家，其中有很大的不可靠性，據相關的各種資料分析，實際上，工作溫度超過70℃時，電渦流傳感器的靈敏度會顯著降低，甚至會造成傳感器的損壞。

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，它的讀數才有較好的線性度，所以在安裝傳感器時必須調整好合適的初始間隙。

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