1、第八章 機(jī)械量檢測及儀表,機(jī)械量檢測儀表是用來對(duì)尺寸、位移、力、重量、轉(zhuǎn)矩、速度和振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行測量的儀表。檢測機(jī)械量的傳感器大多數(shù)是把這些參數(shù)變換成電量，再用電測儀表進(jìn)行測量。 火電廠的汽輪機(jī)組是一種高速旋轉(zhuǎn)的大型設(shè)備，為了保障機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分（如轉(zhuǎn)子、葉片、主軸）與靜止部分（如汽缸、噴嘴和隔板、汽封）之間的間隙都設(shè)計(jì)的很小。在機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行和停止過程中，動(dòng)、靜部分相對(duì)膨脹、收縮量較大。如果發(fā)生動(dòng)靜部分摩擦、碰擊，就有可能產(chǎn)生汽輪機(jī)的軸封磨損、葉片斷裂，甚至整機(jī)損壞的事故。此外，當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障，以及主軸發(fā)生彎曲時(shí)，機(jī)組將產(chǎn)生超速及過大的振動(dòng)。為了保證機(jī)組的安全運(yùn)行，汽輪

2、機(jī)上應(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)速、軸向位移、熱膨脹、振動(dòng)及大軸彎曲等機(jī)械參數(shù)的測量儀表和裝置。這些儀表通?？煞Q為汽輪機(jī)保護(hù)儀表或機(jī)械參數(shù)測量儀表。,第一節(jié) 位移測量,測量位移的傳感器種類很多，工作原理各不相同。目前火電廠中測量位移常使用的傳感器有電渦流式傳感器和線性變化差動(dòng)變壓器式傳感器。 一、電渦流式傳感器 電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。下面主要介紹應(yīng)用廣泛的高頻反射式電渦流傳感器。 1.組成,電渦流傳感器由探頭、延伸電纜、前置器三部分組成，如上圖所示。探頭的外形如圖所示。它的外形與普通螺栓十分相似，頭部有扁平的感應(yīng)線圈，把它固定在不銹鋼螺栓一端，感應(yīng)線圈的引線從螺栓的另一端與高頻電纜相連。

3、,(a) 外形 (b) 結(jié)構(gòu)示意 1-頭部線圈；2-固定螺帽；3-高頻電纜 電渦流傳感器,2、 工作原理 電渦流式傳感器是在渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的。,根據(jù)基爾霍夫定律，由圖可列出下列方程式,對(duì)上述方程聯(lián)立求解，可得,進(jìn)一步分析可知，線圈電感的改變程度與線圈的幾何形狀、尺寸、激磁電流強(qiáng)度i和頻率f、金屬導(dǎo)體材料的電阻率和磁導(dǎo)率以及線圈與金屬之間的距離d等多個(gè)因素有關(guān)。對(duì)于具體的傳感器，線圈的形狀與尺寸，i和f均是確定的，對(duì)確定的被測金屬，和也是定值，因此線圈的電感L將只隨線圈與金屬導(dǎo)體間的距離d改變，兩者間具有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。 3. 測量電路 調(diào)幅式測量方法,調(diào)幅式測量原理示意 諧振曲線波形圖

4、,我國大型汽輪機(jī)上使用的 公司的 系列和美國 公司的7200系列汽輪機(jī)監(jiān)視保護(hù)裝置中，都采用了電渦流傳感器。 對(duì)于系列的高頻渦流位移傳感器，當(dāng)線性測量范圍為 時(shí)，靈敏度為 , 測量范圍為 時(shí)，靈敏度為 ； 測量范圍為 時(shí)，靈敏度為 。,渦流傳感器的 特性曲線,二、電感式位移測量裝置 電感式傳感器種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式不同，可分為氣隙型和螺管型兩種。 下圖所示的位移測量裝置采用了變氣隙互感式原理，從結(jié)構(gòu)上可看成由電感式位移傳感器和位移指示儀表組成。,位移傳感器結(jié)構(gòu)示意 1被測物體的凸緣；2電感位移發(fā)信器；3調(diào)整裝置；4顯示儀表；5磁飽和穩(wěn)壓器,線性變化

5、差動(dòng)變壓器 也采用了螺管型互感式原理，是美國 7200系列中線性位移傳感器，可用于測量汽輪機(jī)的熱膨脹、相對(duì)熱膨脹和軸向位移，也可用于汽閥調(diào)節(jié)的行程機(jī)構(gòu)中。,線性差動(dòng)變壓器 線性差動(dòng)變壓器的輸出,由此可見，線性變化差動(dòng)變壓器的輸出電動(dòng)勢之差正比于被位移量 。其比例常數(shù)取決于原繞組端電壓、電感、耦合系數(shù)、繞組匝數(shù)、氣隙導(dǎo)磁率、磁通面積及繞組尺寸等。公式中負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢方向與原電壓方向相反。 三、位移測量應(yīng)用舉例 1. 汽輪機(jī)軸向位移的測量 為了監(jiān)視汽輪機(jī)推力軸承的工作狀況，一般在推力瓦上裝有溫度測點(diǎn)（回油溫度計(jì)），再有，在轉(zhuǎn)子凸緣處裝上 型鐵芯或高頻渦流位移檢測裝置，以測取運(yùn)行中的實(shí)際軸向位移

6、量。 汽輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，軸向位移量為0.3812.159mm；超過以上范圍，且在0.2542.268 mm范圍之內(nèi)，則必須減負(fù)荷運(yùn)行；最后若超出0.2542.268 mm范圍，則應(yīng)停機(jī)跳閘保護(hù)。,2.機(jī)組熱膨脹的測量 測量缸脹或差脹的傳感器可以用 型鐵芯傳感器、高頻渦流傳感器或線性變化差動(dòng)變壓器。,機(jī)組高、中、低壓缸缸（差）脹示意 1-推力軸承-轉(zhuǎn)子死點(diǎn)；2差脹裝置；3內(nèi)汽缸死點(diǎn)；4外汽缸死點(diǎn)；5支持軸承；6缸脹裝置；HP 高壓汽缸；IP中壓汽缸； LP-1、2低壓汽缸1和低壓汽缸2,第二節(jié) 振動(dòng)測量,振動(dòng)是經(jīng)常發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。機(jī)械振動(dòng)在很多情況下總是有害的，它使機(jī)器的零部件加快失效，

7、破壞機(jī)器的正常工作，降低設(shè)備的使用壽命，甚至導(dǎo)致機(jī)器部件損壞而產(chǎn)生事故。 在火電廠中，汽輪機(jī)由于轉(zhuǎn)軸失穩(wěn)、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡欠佳及轉(zhuǎn)系中心不準(zhǔn)，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)。振動(dòng)過大，會(huì)加速軸封的磨損，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的疲勞強(qiáng)度下降，調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至引起重大事故。因此，在汽輪機(jī)啟停和運(yùn)行中，對(duì)軸承和大軸的振動(dòng)必須嚴(yán)格進(jìn)行監(jiān)視。,用來表述振動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)有：振動(dòng)的位移、振動(dòng)的速度、振動(dòng)的加速度、振動(dòng)的頻率、振動(dòng)的烈度和振動(dòng)的頻譜。若振動(dòng)復(fù)合波形中最簡諧振動(dòng)為正弦波，則它們的關(guān)系如下：,式中 振動(dòng)角頻率； 振動(dòng)相位角； 、 、 分別為振動(dòng)的位移量、振動(dòng)速度幅值和振動(dòng)加速度幅值。,國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定用振動(dòng)烈度作為描述

8、振動(dòng)狀態(tài)的特征量，并規(guī)定在機(jī)器的重要位置上（例如軸承和地腳固定處等）所測得的振動(dòng)速度的最大有效值，作為機(jī)器的振動(dòng)烈度。 如果測得隨時(shí)間變化的振動(dòng)速度 后，則由下式可計(jì)算出振動(dòng)速度的有效值 式中 T 計(jì)算時(shí)所取的某一時(shí)間間隔。 目前我國汽輪機(jī)還采用振動(dòng)的幅值大小作為評(píng)價(jià)振動(dòng)強(qiáng)弱的參數(shù)，例如 機(jī)組，其軸頸處正常振幅應(yīng)小于 ，最大也不應(yīng)超過 。,一、磁電式傳感器,振動(dòng)系統(tǒng)模型 磁電式傳感器結(jié)構(gòu)示意 1質(zhì)量塊；2彈簧； 1引線；2殼體；3線圈；4磁鋼 3阻尼器；4被測振體 5芯軸；6阻尼杯；7彈簧片,磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)如上圖所示。傳感器的磁鋼4與殼體2固定在一起。芯軸5穿過磁鋼的中心孔，并由左右兩片柔

9、軟的圓形彈簧片7支承在殼體上。芯軸的一端固定著一個(gè)線圈3；另一端固定一個(gè)圓筒形銅杯（阻尼杯6）。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率時(shí)，線圈接近靜止不動(dòng)，而磁鋼則跟隨振動(dòng)體一起振動(dòng)。這樣，線圈與磁鋼之間就有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度等于物體的振動(dòng)速度。線圈以相對(duì)速度切割磁力線，傳感器就有正比于振動(dòng)速度的電勢信號(hào)輸出。 根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈3中感應(yīng)電動(dòng)勢為,由于磁電式傳感器的輸出電動(dòng)勢與振動(dòng)速度成正比，故也稱為速度傳感器?？梢钥闯?，這種速度傳感器的輸出信號(hào)不僅與被測振幅有關(guān)，還與其振動(dòng)頻率有關(guān)。 若利用積分放大器對(duì)電勢進(jìn)行積分，得到： 取其最大值（峰值），則為 這樣，積分放大器的輸出只與振動(dòng)的幅

10、值成正比，而與振動(dòng)的頻率無關(guān)了。,二、機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng) 振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)通常具有下列測振內(nèi)容： （1）采用復(fù)合式振動(dòng)傳感器測取主軸的絕對(duì)振動(dòng)量。,軸振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考表,（2）由振動(dòng)量及轉(zhuǎn)速工況確定安全、報(bào)警、停機(jī)的區(qū)域，以指導(dǎo)機(jī)組的實(shí)時(shí)工況操作。采用振動(dòng)位移和振動(dòng)速度兩種信號(hào)綜合，可以及時(shí)防止機(jī)組動(dòng)、靜部分的摩擦。 （3）采用矢量監(jiān)視器測知轉(zhuǎn)速與振動(dòng)幅值及相角以指導(dǎo)機(jī)組啟動(dòng)或停止過程中的軸故障（如裂紋）或動(dòng)平衡程度的征兆出現(xiàn)與否。 （4）采用頻譜儀對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，對(duì)振動(dòng)頻率、相位、振幅等參數(shù)作實(shí)時(shí)記錄，通過對(duì)啟停過程的分析，了解機(jī)組存在某種隱患缺陷。,第三節(jié) 轉(zhuǎn)速測量,轉(zhuǎn)速是熱力機(jī)械的一個(gè)

11、重要參數(shù)。火電機(jī)組要維持電網(wǎng)的周波不變，就必須及時(shí)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其維持在3000轉(zhuǎn)/分。汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，各轉(zhuǎn)動(dòng)部件會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，這個(gè)離心力直接與材料承受的應(yīng)力有關(guān)，而離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。在設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的強(qiáng)度裕量是有限的。運(yùn)行時(shí)若轉(zhuǎn)速超過額定值，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備事故，甚至?xí)斐娠w車事故。特別在啟動(dòng)升速過程中，還會(huì)遇到臨界轉(zhuǎn)速的影響，使機(jī)組產(chǎn)生較大的振動(dòng)，甚至發(fā)生共振而大大超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度，故在啟/停過程中也要求準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)速，盡快越過各個(gè)臨界值轉(zhuǎn)速。,一、轉(zhuǎn)速傳感器 測量轉(zhuǎn)速常用的有磁阻式、磁敏式和渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 。 1.磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器,（a）開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器

12、（b）閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 1，9-永久磁鐵；2-軟鐵；3-感應(yīng)線圈；4-齒輪；5-轉(zhuǎn)軸；6-內(nèi)齒輪；7a，7b-外齒輪；8-線圈,磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器采用轉(zhuǎn)速脈沖變換電路，如圖所示。傳感器感應(yīng)電壓由二極管V削去負(fù)半周，送到V1進(jìn)行放大，再由射極跟隨器V2送入V3和V4組成的射極耦合觸發(fā)器進(jìn)行整形，得到方波輸出信號(hào)。,磁阻式轉(zhuǎn)速脈沖轉(zhuǎn)換電路,2. 磁敏式轉(zhuǎn)速傳感器 磁敏式轉(zhuǎn)速傳感器采用磁敏差分原理進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量。傳感器內(nèi)裝有一個(gè)小永久磁鐵；在磁鐵上裝有兩個(gè)相互串聯(lián)的磁敏電阻。當(dāng)軟鐵或鋼等材料制成的測速齒輪接近傳感器旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器內(nèi)部的磁場受到干擾，磁力線發(fā)生偏移，磁敏電阻的阻值發(fā)

13、生變化，兩個(gè)磁敏電阻R1、R2串聯(lián)接成差動(dòng)回路，與傳感器電路中的兩個(gè)定值電阻R3、R4組成一個(gè)惠斯登電橋。,磁敏式轉(zhuǎn)速測量裝置示意 (a)傳感器示意圖 (b)磁敏式轉(zhuǎn)速測量電路示意圖 1-測速齒輪；2-傳感器；3-磁敏電阻；4-穩(wěn)壓器；5-觸發(fā)電路；6-放大電路,3. 渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 采用電渦流傳感器測速時(shí)，在旋轉(zhuǎn)軸上開一條或數(shù)條槽，或者在軸上安裝一塊有輪齒的圓盤或圓板，在有槽的軸或有輪齒的圓板附近裝一只電渦流傳感器。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于槽或齒的存在，電渦流傳感器將周期性地改變輸出信號(hào)電壓，此電壓經(jīng)過放大、整形變成脈沖信號(hào)，然后輸入頻率計(jì)指示出脈沖數(shù)，或者輸入專門的脈沖計(jì)數(shù)電路指示頻率值。此脈沖

14、數(shù)（或頻率值）與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)。如有60個(gè)槽或齒，若頻率計(jì)指示3000Hz，則轉(zhuǎn)速為3000r/min，這時(shí)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)就可直接讀出。如果軸上無法安裝齒形圓板或者不能開槽，那么也可利用軸上的凹凸部分來產(chǎn)生脈沖信號(hào)，例如軸上的鍵槽等。這種傳感器的測量范圍很寬，轉(zhuǎn)速在110000范圍內(nèi)均可測量。,二、轉(zhuǎn)速監(jiān)測器 上述三種傳感器都是把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號(hào)。要讀出轉(zhuǎn)速，還必須計(jì)算這些脈沖數(shù)。根據(jù)計(jì)算方法分為測頻率法和測周期法，相應(yīng)的監(jiān)測儀器為數(shù)字轉(zhuǎn)速監(jiān)測器和零轉(zhuǎn)速監(jiān)測器。 1. 數(shù)字轉(zhuǎn)速監(jiān)測器,JSS-2型數(shù)字顯示式轉(zhuǎn)速表的原理方框圖,2. 零轉(zhuǎn)速監(jiān)測器 零轉(zhuǎn)速監(jiān)測器用于連續(xù)監(jiān)視機(jī)組的零轉(zhuǎn)速狀

15、態(tài)。由于被測轉(zhuǎn)速很低，如果還是采用上述的計(jì)數(shù)法測頻率，則量化誤差很大。為了提高低頻測量的準(zhǔn)確度，通常采用反測法，即先測出被測信號(hào)的周期Tx，再以周期的倒數(shù)來求得被測頻率fx。 測周期時(shí)，門控信號(hào)是整形后的被測信號(hào)，即門控時(shí)間為被測信號(hào)的周期Tx，而晶振信號(hào)經(jīng)整形后直接輸入門控電路，相當(dāng)于被測信號(hào)。不難理解，計(jì)數(shù)器的記數(shù)值為N時(shí)，被測周期Tx為,式中 晶體振蕩器的振蕩頻率和周期。當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的脈沖周期大于預(yù)定的報(bào)警周期時(shí)，說明汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，為了防止大軸彎曲，需啟動(dòng)盤車裝置。因此，控制電路將使報(bào)警繼電器動(dòng)作。,本章小結(jié) 一、位移測量 測量位移的方法很多，主要有機(jī)械式、液壓式、電感式、差動(dòng)變壓器式和電渦流式等。目前常用的有電渦流式位移測量裝置和電感式位移測量裝置，用于測量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向位移、氣缸、轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)膨脹位移以及氣缸熱膨脹量。 二、振動(dòng)測量 振動(dòng)測量大致有兩方面的內(nèi)容：振動(dòng)基本參數(shù)的測量，即測量振動(dòng)物體上某點(diǎn)的位移、速度、加速度、頻率和相位；結(jié)構(gòu)或部件的動(dòng)態(tài)特性的測量，即以某種激振力作用在被測件上，使它產(chǎn)生受迫振動(dòng)，測量輸入（激振力）和輸出（被測件振動(dòng)響應(yīng)），從而確定被測件的固有頻率、阻尼、剛度