电涡流传感器的工作原理及常见故障处理
马万恩
纳雍发电总厂
摘要：本文通过对纳雍发电总厂电涡流传感器的研究，提高大家对电涡流传感器的认识，例举一些电涡流传感器常见故障及处理方法，目的使机组更加安全稳定的运行。 关键词：汽轮机监控保护系统；电涡流传感器；转速；轴向位移、胀差；键相。
汽轮机安全监视及保护系统（Turbine Supercisory Instrumentation简称TSI 系统）是汽轮机最重要的监测保护系统之一。汽轮机一旦发生故障，不仅是机械本身的损坏，还可能殃及周围环境的所有设备，甚至危机人身安全。为了确保汽轮机的安全运行，在汽轮机上必须安装各类型的检测、保护装置，对各种重要的热工参数、振动、位移等进行连续监视和保护，以便在机械严重受损之前预警事故先兆，并在事故将近实属发生时停运系统，保护汽轮机本体设备。
TSI系统可连续监测汽轮发电机组转子和汽缸的机械工作参数，并在机组出现参数超越报警或危险值时提供报警和停机保护信号。同时，TSI 装置通过通讯方式向TDM 提供机组运行数据，用于TDM 进行故障诊断；使用硬接线方式将TSI 采集数据送入DEH 系统供运行人员进行监视。
纳雍发电总厂共有8台300MW 的机组，其中一厂的4台机组的汽轮机监控保护系统（TSI ）采用的是美国本特利3500系统，而二厂4台机组所采用的是德国申克系统，现也改为了美国本特利3500系统。
一、 TSI系统的组成及电涡流传感器的工作原理
TSI 系统由传感器系统、现场连线（延长电缆、前置器）、监测系统三部分 组成。常用四种类型传感器：分别是涡流式位移传感器、传统速度传感器、速度计（Velomitor ）速度传感器、加速度传感器。
电涡流位移传感器工作原理：如图1所示
图1
当对探头顶部的电感线圈施加上高频电流并与已导体表面靠近时，由于趋肤效应，电感线圈产生的高频电场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅作用于表面的薄层内，而金属表面感应的涡流产生的电磁场又反作用于线圈上，改变了电感的大小，其变化程度取决于线圈的外形尺寸以及线圈与金属面之间的距离，金属的导电率以及高频信号的频率等。而金属电导率、探头线圈尺寸、高频电流的参数已定，则金属表面的感应涡流就只取决于线圈与金属表面的距离，而与金属厚度和电阻率的变化无关。由于高频线圈磁力线的作用，使导电物体表面产生电涡流，从而使线圈的电感量减小，线圈特性的这个变化被转换成为直流电压信号输出。当探头与被测对象之间的间隙距离最小时，振幅最小，电涡流最大；当探头与被测对象间的间隙距离最大时，振幅最大，电涡流最小。
前置器主要是将一种物理量转化成另一种物理量。在前置器系统中，将机械能转化为电能。主要有以下两个基本功能：
1、通过振荡器电路生成无线电频率（RF ）信号；
2、通过解调器电路从RF 信号中提取有用的数据。
传统的速度传感器（Velocity transducer)工作原理：如图2所示
图2
线圈与磁体之间的相对运动在线圈内产生感应电流，感应电流的幅值与线圈和磁体之间的相对运动的速度成正比。速度传感器测量的是绝对振动，其惯性参考系为线轴/线圈组件。
监测系统由框架构成，框架中由电源模件、各种监测卡件及用于通讯的总线。
二、电涡流传感器现场安装需注意的问题及处理方法
本文就安装中容易忽略的问题进行阐述，对具体安装方法不再说明。
1、转速探头无法读取转速。
转速探头较为常见的分为磁阻式和电涡流两类，但不管是哪类探头，安装距离一般为距齿端1.0 mm 左右。特别应该注意的是超速探头的安装，由于超速探头的安装位置处于汽轮机#4瓦至#5瓦之间，比较特殊，不易用塞尺对探头的安装间隙进行有效测量，所以安装时先将探头对准齿轮抵死，但不要用力过大，然后再用千分表测量，将探头回出1.0 mm即可。
2、轴向位移、差胀传感器的安装。
轴向位移测的是推力轴承相对汽缸的轴向位移，在机组运行过程中，使动静部件之间保持一定的轴向间隙, 避免汽轮机内部转动部件和静止部件之间发生摩擦和碰撞。在安装轴向位移和差胀传感器前，首先要把大轴推到零位或者知道推力间隙时多少，然后按要求安装，在安装探头的过程中严禁移动大轴。
3、键相传感器的安装。
键相测量是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸槽，称键相标记。
当这个凹槽
或凸槽转到探头位置时，相当于探头与被测面间距突变，传感器会产生一个脉冲信号，轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过对脉冲计数，可以测量轴的转速；通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。
在进行键相探头安装的时候，需要注意以下两个问题：
①检查轴承上用于键相测量的凹槽或凸槽是否与测量安装孔对齐，如果已经对齐安装孔，这是就需要对轴承进行盘车，将轴承用于键相测量的凹槽或凸槽移开，避免造成安装调试错误。
②安装探头时最好用手将探头拧到底，直至拧不动，这时接上前置器量取探头电压，再将探头往回退，直至电压显示为-10V DC 为止。这么做的目的就是因为键相探头的安装底座较厚，如果在安装过程中直接按-10V DC 进行调试，那么探头前端还在安装底座内，还没有超出安装底座，在机组运行后就不能进行正常的测量，就会导致TDM 不能进行正常的数据采集。给机组的稳定运行造成一定的影响。之所以会显示为-10V DC，是因为探头前端线圈周围的金属物质对探头测量造成了影响，产生误差。所以建议先将探头拧到底再往回退就是为了消除安装底座对探头测量的影响。
三、在机组运行中电涡流传感器出现的问题及解决方法
1、现场环境变化造成信号异常及处理办法
传感器主要包括部分有:各种涡流监测探头和速度式探头、延长电缆和前置器及信号线。而引起信号异常一般有下例几种情况：
①周围环境影响，导致信号异常，延伸电缆、前置器等随着时间的推移，原先紧固的接头和接线，可能会因气候、氧化、周围环境等因素而引起松动造成接触不良、杂质、油污，使信号出现波动。检查将接头部分拧紧或杂质清理干净，信号就能恢复正常。此外回路电缆的老化也是一个不容忽视的问题。漏汽也会造成探头和电缆的损坏，抗干扰差而导致误动，必须按要求更换电缆。 ②信号线不是所要求的屏蔽电缆，这样就有可能造成信号之间的干扰。这种现象比较常发生在转速信号上，转速信号偏差大。必须按要求更换电缆。 ③外部磁场变化也会对探头产生影响，产生异动，必须消除外部磁场
产生的影响。较为常见的是汽轮机厂靠发电机侧振动信号故障，振动信号波动较大，并反复出现，原因是瓦轴承接地电刷接触不好，导致固定在轴承座上的支架带电。探头受到了强信号的干扰，导致信号失真。
为有效减少系统的异常发生，建议在安装、检修、运行、维护中，注意满足以下要求：安装或检修后，要有可靠措施以确保延伸电缆的固定与走向不会出现损伤电缆的可能，信号要远离强磁场和高温区。有延长线的在接头部分一定要衔接好，并用热缩套管密封好。安装前置放大器的金属盒应选择在较小振动并便于检修的位置，盒体要可靠接地。前置放大器应安装于金属盒中，接口和接线应检查紧固。
2、监测系统机柜中信号异常及处理办法
①接地不规范，干扰信号串入。监测系统对接地有严格要求，不正确的接地方式或者未接地直接影响系统的抗干扰能力。屏蔽线原则上在机柜侧接地，并尽量靠近框架处破开屏蔽层，使露出屏蔽层的接线尽可能的短。与其他系统连接时，应清晰其接地情况并保证单点接地。同时电缆屏蔽层在运行过程磨损，导致两点或多点接地，或者连接电缆屏蔽层未接地的话，也将会引起信号跳变。
②背板老化接触不良。电源模块通过背板向各卡件提供电源，现场信号和卡件输出通过背板输入输出。背板经过长时间运行，由于温度、氧化、粉尘影响容易出现老化、接触不良，造成信号异常。建议：对监测系统机柜进行改造，取消背板，电源模块和测量卡件通过一个ROCK 框架固定，卡件背面针脚通过一个特制的转接头把针脚引出，这样电源、现场信号和卡件输出就直接焊接在了卡件背面的针脚上，取消背板这个中间环节。
③电源不稳定。监测系统的供电采用双电源供电，系统配置两路可靠的电源冗余供电（切换时间应不大于5ms ，保证装置不会初始化），和至少两块电源模块实现装置电源间的无隙切换。
四、结束语
电涡流传感器性能可靠、稳定运行是机组安全稳定运行的基础。为进一步提高电涡流传感器运行的可靠性，就必须加强现场探头的维护，定期对干扰源进行清理，同时为保证系统的安全稳定运行，合理的逻辑和可靠的回路环境是基础，
及时的检修和维护是保证。定期对探头进行校验（成套进行）、定期对监测系统信号检查历史趋势（一旦发现异常，应及时检查处理，并记录保存以便以后参考）、机组检修完进行连锁保护试验（保护试验应一一试验确认）都是必须的。
参考文献：上海GE 公司《3500安装与维护》；国防科技大学出版社《传感器原理设计与应用》
电涡流传感器的工作原理及常见故障处理
马万恩
纳雍发电总厂
摘要：本文通过对纳雍发电总厂电涡流传感器的研究，提高大家对电涡流传感器的认识，例举一些电涡流传感器常见故障及处理方法，目的使机组更加安全稳定的运行。 关键词：汽轮机监控保护系统；电涡流传感器；转速；轴向位移、胀差；键相。
汽轮机安全监视及保护系统（Turbine Supercisory Instrumentation简称TSI 系统）是汽轮机最重要的监测保护系统之一。汽轮机一旦发生故障，不仅是机械本身的损坏，还可能殃及周围环境的所有设备，甚至危机人身安全。为了确保汽轮机的安全运行，在汽轮机上必须安装各类型的检测、保护装置，对各种重要的热工参数、振动、位移等进行连续监视和保护，以便在机械严重受损之前预警事故先兆，并在事故将近实属发生时停运系统，保护汽轮机本体设备。
TSI系统可连续监测汽轮发电机组转子和汽缸的机械工作参数，并在机组出现参数超越报警或危险值时提供报警和停机保护信号。同时，TSI 装置通过通讯方式向TDM 提供机组运行数据，用于TDM 进行故障诊断；使用硬接线方式将TSI 采集数据送入DEH 系统供运行人员进行监视。
纳雍发电总厂共有8台300MW 的机组，其中一厂的4台机组的汽轮机监控保护系统（TSI ）采用的是美国本特利3500系统，而二厂4台机组所采用的是德国申克系统，现也改为了美国本特利3500系统。
一、 TSI系统的组成及电涡流传感器的工作原理
TSI 系统由传感器系统、现场连线（延长电缆、前置器）、监测系统三部分 组成。常用四种类型传感器：分别是涡流式位移传感器、传统速度传感器、速度计（Velomitor ）速度传感器、加速度传感器。
电涡流位移传感器工作原理：如图1所示
图1
当对探头顶部的电感线圈施加上高频电流并与已导体表面靠近时，由于趋肤效应，电感线圈产生的高频电场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅作用于表面的薄层内，而金属表面感应的涡流产生的电磁场又反作用于线圈上，改变了电感的大小，其变化程度取决于线圈的外形尺寸以及线圈与金属面之间的距离，金属的导电率以及高频信号的频率等。而金属电导率、探头线圈尺寸、高频电流的参数已定，则金属表面的感应涡流就只取决于线圈与金属表面的距离，而与金属厚度和电阻率的变化无关。由于高频线圈磁力线的作用，使导电物体表面产生电涡流，从而使线圈的电感量减小，线圈特性的这个变化被转换成为直流电压信号输出。当探头与被测对象之间的间隙距离最小时，振幅最小，电涡流最大；当探头与被测对象间的间隙距离最大时，振幅最大，电涡流最小。
前置器主要是将一种物理量转化成另一种物理量。在前置器系统中，将机械能转化为电能。主要有以下两个基本功能：
1、通过振荡器电路生成无线电频率（RF ）信号；
2、通过解调器电路从RF 信号中提取有用的数据。
传统的速度传感器（Velocity transducer)工作原理：如图2所示
图2
线圈与磁体之间的相对运动在线圈内产生感应电流，感应电流的幅值与线圈和磁体之间的相对运动的速度成正比。速度传感器测量的是绝对振动，其惯性参考系为线轴/线圈组件。
监测系统由框架构成，框架中由电源模件、各种监测卡件及用于通讯的总线。
二、电涡流传感器现场安装需注意的问题及处理方法
本文就安装中容易忽略的问题进行阐述，对具体安装方法不再说明。
1、转速探头无法读取转速。
转速探头较为常见的分为磁阻式和电涡流两类，但不管是哪类探头，安装距离一般为距齿端1.0 mm 左右。特别应该注意的是超速探头的安装，由于超速探头的安装位置处于汽轮机#4瓦至#5瓦之间，比较特殊，不易用塞尺对探头的安装间隙进行有效测量，所以安装时先将探头对准齿轮抵死，但不要用力过大，然后再用千分表测量，将探头回出1.0 mm即可。
2、轴向位移、差胀传感器的安装。
轴向位移测的是推力轴承相对汽缸的轴向位移，在机组运行过程中，使动静部件之间保持一定的轴向间隙, 避免汽轮机内部转动部件和静止部件之间发生摩擦和碰撞。在安装轴向位移和差胀传感器前，首先要把大轴推到零位或者知道推力间隙时多少，然后按要求安装，在安装探头的过程中严禁移动大轴。
3、键相传感器的安装。
键相测量是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸槽，称键相标记。
当这个凹槽
或凸槽转到探头位置时，相当于探头与被测面间距突变，传感器会产生一个脉冲信号，轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过对脉冲计数，可以测量轴的转速；通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。
在进行键相探头安装的时候，需要注意以下两个问题：
①检查轴承上用于键相测量的凹槽或凸槽是否与测量安装孔对齐，如果已经对齐安装孔，这是就需要对轴承进行盘车，将轴承用于键相测量的凹槽或凸槽移开，避免造成安装调试错误。
②安装探头时最好用手将探头拧到底，直至拧不动，这时接上前置器量取探头电压，再将探头往回退，直至电压显示为-10V DC 为止。这么做的目的就是因为键相探头的安装底座较厚，如果在安装过程中直接按-10V DC 进行调试，那么探头前端还在安装底座内，还没有超出安装底座，在机组运行后就不能进行正常的测量，就会导致TDM 不能进行正常的数据采集。给机组的稳定运行造成一定的影响。之所以会显示为-10V DC，是因为探头前端线圈周围的金属物质对探头测量造成了影响，产生误差。所以建议先将探头拧到底再往回退就是为了消除安装底座对探头测量的影响。
三、在机组运行中电涡流传感器出现的问题及解决方法
1、现场环境变化造成信号异常及处理办法
传感器主要包括部分有:各种涡流监测探头和速度式探头、延长电缆和前置器及信号线。而引起信号异常一般有下例几种情况：
①周围环境影响，导致信号异常，延伸电缆、前置器等随着时间的推移，原先紧固的接头和接线，可能会因气候、氧化、周围环境等因素而引起松动造成接触不良、杂质、油污，使信号出现波动。检查将接头部分拧紧或杂质清理干净，信号就能恢复正常。此外回路电缆的老化也是一个不容忽视的问题。漏汽也会造成探头和电缆的损坏，抗干扰差而导致误动，必须按要求更换电缆。 ②信号线不是所要求的屏蔽电缆，这样就有可能造成信号之间的干扰。这种现象比较常发生在转速信号上，转速信号偏差大。必须按要求更换电缆。 ③外部磁场变化也会对探头产生影响，产生异动，必须消除外部磁场
产生的影响。较为常见的是汽轮机厂靠发电机侧振动信号故障，振动信号波动较大，并反复出现，原因是瓦轴承接地电刷接触不好，导致固定在轴承座上的支架带电。探头受到了强信号的干扰，导致信号失真。
为有效减少系统的异常发生，建议在安装、检修、运行、维护中，注意满足以下要求：安装或检修后，要有可靠措施以确保延伸电缆的固定与走向不会出现损伤电缆的可能，信号要远离强磁场和高温区。有延长线的在接头部分一定要衔接好，并用热缩套管密封好。安装前置放大器的金属盒应选择在较小振动并便于检修的位置，盒体要可靠接地。前置放大器应安装于金属盒中，接口和接线应检查紧固。
2、监测系统机柜中信号异常及处理办法
①接地不规范，干扰信号串入。监测系统对接地有严格要求，不正确的接地方式或者未接地直接影响系统的抗干扰能力。屏蔽线原则上在机柜侧接地，并尽量靠近框架处破开屏蔽层，使露出屏蔽层的接线尽可能的短。与其他系统连接时，应清晰其接地情况并保证单点接地。同时电缆屏蔽层在运行过程磨损，导致两点或多点接地，或者连接电缆屏蔽层未接地的话，也将会引起信号跳变。
②背板老化接触不良。电源模块通过背板向各卡件提供电源，现场信号和卡件输出通过背板输入输出。背板经过长时间运行，由于温度、氧化、粉尘影响容易出现老化、接触不良，造成信号异常。建议：对监测系统机柜进行改造，取消背板，电源模块和测量卡件通过一个ROCK 框架固定，卡件背面针脚通过一个特制的转接头把针脚引出，这样电源、现场信号和卡件输出就直接焊接在了卡件背面的针脚上，取消背板这个中间环节。
③电源不稳定。监测系统的供电采用双电源供电，系统配置两路可靠的电源冗余供电（切换时间应不大于5ms ，保证装置不会初始化），和至少两块电源模块实现装置电源间的无隙切换。
四、结束语
电涡流传感器性能可靠、稳定运行是机组安全稳定运行的基础。为进一步提高电涡流传感器运行的可靠性，就必须加强现场探头的维护，定期对干扰源进行清理，同时为保证系统的安全稳定运行，合理的逻辑和可靠的回路环境是基础，
及时的检修和维护是保证。定期对探头进行校验（成套进行）、定期对监测系统信号检查历史趋势（一旦发现异常，应及时检查处理，并记录保存以便以后参考）、机组检修完进行连锁保护试验（保护试验应一一试验确认）都是必须的。
参考文献：上海GE 公司《3500安装与维护》；国防科技大学出版社《传感器原理设计与应用》