电涡流传感器原理以及在热控设备中的应用

更新时间：2024-12-27

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1、什么是电涡流效应？

电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，且呈闭合回路，类似于水涡流形状，故称之为电涡流也叫做电涡流效应，其实是电磁感应原理的延伸。

注意：电涡流传感器要求被测体必须是导体。

传感器探头里有小型线圈，由控制器控制产生震荡电磁场，当接近被测体时，被测体表面会产生感应电流，而产生反向的电磁场。这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。

2、电涡流传感器的工作原理与结构

电涡流传感器主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。

1—电涡流线圈；2—探头壳体；3—壳体上的位置调节螺纹；4—印制线路板；5—夹持螺母 6—电源指示灯；7—阈值指示灯；8—输出屏蔽电缆线；9—电缆插头

按照电涡流在导体内的贯穿情况,传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,但从基本工作原理上来说仍是相似的，使用中常见的即为高频反射式，重点以此为基础介绍。

传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场φi，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场φe阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。

3、电涡流传感器在热控设备中的应用

3.1、轴向位移测量

对于许多旋转机械，包括蒸汽轮机、燃汽轮机、水轮机、离心式和轴流式压缩机、离心泵等，轴向位移是一个十分重要的信号，过大的轴向位移将会引起过大的机构损坏。轴向位移的测量，可以指示旋转部件与固定部件之间的轴向间隙或相对瞬时的位移变化，用以防止机器的破坏。

轴向位移是指机器内部转子沿轴心方向，相对于止推轴承二者之间的间隙而言。有些机械故障，也可通过轴向位移的探测，进行判别：1、止推轴承的磨损与失效；2、平衡活塞的磨损与失效；3、止推法兰的松动；4、联轴节的锁住等。

轴向位移（轴向间隙）的测量，经常与轴向振动弄混。轴向振动是指传感器探头表面与被测体，沿轴向之间距离的快速变动，这是一种轴的振动，用峰峰值表示。它与平均间隙无关。有些故障可以导致轴向振动。例如压缩机的踹振和不对中即是。

3.2、振动测量

测量径向振动，可以由它看到轴承的工作状态，还可以看到转子的不平衡，不对中等机械故障。可以提供对于下列关键或基础机械进行机械状态监测所需要的信息：1、工业透平，蒸汽/燃汽；2、压缩机，空气/特殊用途气体，径向/轴向；3、膨胀机；4、动力发电透平，蒸汽/燃汽/水利；5、电动马达、发电机；6、励磁机；7、齿轮箱；8、泵；9、风扇、风机；10、往复式机械。

振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。可为如下各种机械故障的早期判别提供了重要信息：

1、轴的同步振动，油膜失稳；

2、转子摩擦，部件松动；

3、轴承套筒松动，压缩机踹振；

4、滚动部件轴承失效，径向预载，内部/外部包括不对中；

5、轴承巴氏合金磨损，轴承间隙过大，径向/轴向；

6、平衡（阻气）活塞磨损/失效，联轴器“锁死"；

7、轴弯曲，轴裂纹；

8、电动马达空气间隙不匀，齿轮咬合问题；

9、透平叶片通道共振，叶轮通过现象。

3.3、偏心测量

偏心是在低转速的情况下，电涡流传感器系统可以对轴弯曲程度的测量，这种弯曲可由下列情况引起：

1、原有的机械弯曲 ·临时温升导致的弯曲 ·在静止状态下，必然有些向下弯曲，有时也叫重力弯曲，外力造成的弯曲。

2、偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。特别是对于装有透平监测仪表系统（TSI）的汽轮机，在启动或停机过程中，偏心测量已成为不可少的测量项目。它使你能看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置，也叫轴的径向位置，它经常用来指示轴承的磨损，以及加载荷的大小。如由不对中导致的那种情况，它同时也用来决定轴的方位角，方位角可以说明转子是否稳定。

3.4、胀差测量

对于汽轮发电机组来说，在其启动和停机时，由于金属材料的不同，热膨胀系数的不同，以及散热的不同，轴的热膨胀可能超过壳体膨胀；有可能导致透平机的旋转部件和静止部件（如机壳、喷嘴、台座等）的相互接触，导致机器的破坏。因此胀差的测量是非常重要的。

3.5、转速测量

对于所有旋转机械而言，都需要监测旋转机械轴的转速，转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。而电涡流传感器测量转速的性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速，抗干扰性能也非常强。

电涡流传感器测量齿轮转速的应用

分析：

转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期信号的频率进行测量。转速测量方法有多种,我们采用计数法进行转速测量,即在一定时间间隔内,根据被测信号的周期数求转速。在本系统中,测速圆盘上有i=6个突出的齿牙,转子每转一周,电涡流传感器将输出6个周期信号。假设单位为s,齿轮数为N,f为频率，转子转速n单位为r/min,

可由下式求:

n=(f/N)*60

4、使用电涡流传感器时的注意事项

4.1、对被测体的要求

为了防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间，如果在某一部位要同时安装两个以上的传感器，就必须考虑是否会产生交叉干扰，两个探头之间一定要保持规定的距离，被测体表面积应为探头直径3倍以上，当无法满足3倍的要求时，可以适当减小，但这是以牺牲灵敏度为代价的，一般是探头直径等于被测体表面积时，灵敏度降低至70%，所以当灵敏度要求不高时可适当缩小测量表面积。

4.2、对工作温度的要求

一般进口涡流传感器最高温度不大于180℃，而国产的只能达到120℃，并且这些数据来源于生产厂家，其中有很大的不可靠性，据相关的各种资料分析，实际上，工作温度超过70℃时，电涡流传感器的灵敏度会显著降低，甚至会造成传感器的损坏。

4.3、对初始间隙的要求

　　各种型号电涡流传感器，都在一定的间隙电压值下，它的读数才有较好的线性度，所以在安装传感器时必须调整好合适的初始间隙。

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