本特利轴系仪表应用浅析

【摘要】本文从构成、原理、安装等方面介绍了本特利转速、位移、振动等轴系仪表的应用，并结合催化机组运行中出现的问题就如何用好、用对轴系仪表进行了总结。

【关键词】本特利；电涡流；磁感应

1.系统简介

本特利系统主要包括探头、延伸电缆、前置器等。

1.1探头

通常探头由线圈、头部、壳体、高频电缆、高频接头组成，线圈是探头的核心，它是整个传感器系统的敏感元件，线圈的物理尺寸和电气参数决定传感器系统的线性量程以及探头的电气参数稳定性。线圈直径决定传感器系统的基本性能——线性量程，传感器系统的线性量程大致是探头头部直径的1/2～1/4。

催化机组中选用的振动、位移探头为8mm探头，灵敏度为7.874V/mm。

1.2延伸电缆 延伸电缆用来连接探头与前置器，选择延伸电缆的长度应该使延伸电缆长度加探头电缆长度与配套前置器所要求的长度一致（5m或9m）。

1.3前置器 一方面前置器为探头线圈提供高频交流电流；另一方面，前置器感受探头前面由于金属导体靠近引起探头参数的变化，经过前置器的处理，产生随探头端面与被测金属导体间隙线性变化的输出电压信号。

从前置器到3500监测器的最大长度为305米。

2.系统的工作原理

2.1电涡流原理

图2-1 电涡流原理

传感器系统的工作机理是电涡流效应如上图2-1。

当接通电源时，在前置器内产生高频电流信号，该信号通过延伸电缆送到探头头部线圈，在周围产生交变磁场H1。如果有金属导体材料接近，则交变磁场H1将在导体表面产生电涡流场，该电涡流场也会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，会改变探头线圈高频电流的幅度、相位，即改变了线圈的有效阻抗Z。当导体的磁导率μ、电导率σ、尺寸因子r，激励电流强度I和频率ω等参数不变时，阻抗Z就成为线圈与金属导体距离δ的单值函数，在一定范围内可以近似为电压与探头到金属体距离的单值线性函数。

3.传感器的典型应用

电涡流位移传感器系统主要用于机组轴的径向振动、轴向位移、轴转速在线测量和安全保护。

3.1轴的径向振动测量 对于被测面表面粗糙度Ra要求在0.4μm～0.8μm之间。

测量轴的径向振动时，每个测点应在同一平面垂直安装两个传感器探头，通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45°，定义为 X探头（水平方向）和Y探头（垂直方向）。

通常将轴的径向振动测量探头安装在传感器的线性范围中点，对应的前置器输出电压-10V左右。即探头固定好时应用万用表测得前置器输出电压应为-10V。

3.2轴向位移测量 测量轴向位移时，测量面是以探头中心线为中心，宽度为 1.5倍探头头部直径的圆环。

安装原则：1、由于指示仪表的滤波效应或平均效应，被测表面粗糙度Ra不超过0.8μm～1.6μm。2、钳工确定轴的串量，即能移动的最大距离。3、轴处于其轴向窜动量的中心位置时，调整探头位置使前置器输出电压为-10V。因此探头与被测轴面间距为10/7.874=1.27mm。

但此种安装方式存在不合理之处，下文我们将分析，在此不再赘述。

3.3转速测量 在轴的测量圆周上设置多个凹槽标记，当轴的凹槽对准探头时等于探测距离突变，传感器产生一个脉冲信号，轴每转一圈会产生与凹槽数量相等的脉冲信号。

频率转换器根据脉冲数与凹槽标记数即可算出轴转速。如果每秒钟计数N 个，标记的数量K个，则转速V按下式计算：

V=60N/K r/min（每分钟转数）

安装原则：所测转轴直径要满足至少大于探头直径的3倍，否则灵敏度就会下降，一般当被测面大小与探头头部直径相同时，灵敏度会下降至70%左右。

对于磁感应式探头要求探头距测速齿轮牙端距离在0.25-1.02mm之间，保证测得电压大于1V，太近会打坏探头，太远测得感应电压会过小。凹槽要足够大，以使得产生的脉冲峰峰值不小于 5V，若采用φ8 探头，则这一凹槽宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm（推荐采用2.5mm以上）、长度应大于10mm。凹槽应平行于轴中心线，其长度尽量长，以防止当轴产生轴向窜动时，探头还能对着凹槽。

4.故障实例分析

在本特利仪表的实际应用中出现过一些故障，本章我们列举几个典型案例加以分析。

4.1 未知干扰引起振动波动 故障经过：2012年11月1日二催化1#主风机径向轴承XI1435A/XI1436A振动同时波动。

原因分析：对信号电缆绝缘和电缆屏蔽线接地检查、接线端子氧化检查、卡件通道测试等均未发现问题，分析认为振动大系外界干扰造成的可能性最大，因故障无法复现只能采取预防性措施。

对策措施：1、对XI1435A/XI1436A振动大联锁增加1秒延时。2、将XI1435A/XI1436A对应的3500卡件与波动较小的卡件进行对调。3、尽量减少现场附近动焊作业，如需作业建议将相关机组联锁切除。

4.2 位移过大 故障经过：2013年4月21号一催化烟机C501/1检修完毕，开机出现位移过大报警。

原因分析：经现场仔细检查发现为安装不到位。

安装时是按4.2.1的要求完成的。即先由钳工确定串量为0.55mm，再将移至中间位置0.275mm处，调整探头位置使前置器输出为-10V，设为位移零点。

实际上，上述确定的零点为冷态零点，烟机开机时需将烟机与风机相连，联轴器可能在风机头方向有一定间隙，在开机时风机轴窜轴，带着烟机轴产生远离探头的位移，导致热态零点与冷态零点不一致，使测得位移偏大。

正确安装方式：1钳工严格确定串量L。2钳工将风机轴、烟机轴移向靠近机头的极限位置，使开机时烟机轴窜量最小。3调整探头位置当前置器输出电压U=-10-7.874*L/2时，固定探头。4移动烟机轴使其到达远离机头的极限位置，若U=-10+7.874*L/2，可判断安装正确。

补救措施：若安装出错时烟机无法停机，探头无法重新安装只能采取补救措施，可以根据以往正确的运行数据计算出拉偏量，在3500和DCS中将报警值适当增加，以消除报警让机组正常运行。

4.3 转速失调 故障经过：2012年4月8日，一催化压缩机C502/C检修完毕因转速失调而无法开机。

原因分析：经仔细检查发现原因有如下了两点：

1.安装不到位：该探头为woodward磁感应式22mm探头，安装要求为探头距测速齿轮牙距0.25--1.02mm，

而由于该探头长度太短，无法满足以上距离要求，探头距牙端距离最小仅为1.4mm，因此测得信号衰减严重，导致转速无法测量。

2.探头与测速齿轮尺寸不匹配：磁感应式探头要求励磁介质即测速齿轮的牙端的横截面宽度要大于或等于探头直径，齿轮的牙间距要大于或者等于探头末端突起的直径的三倍。当探头和齿轮的尺寸关系偏离以上的规定时，MPU的电压输出波形会变得很差导致测量严重不准。

经现场实测发现该测速齿轮为60齿，牙端面及牙间距都较小，而探头直径又较大，使二者并不严格满足以上尺寸要求，所以转速无法测准。

解决方案：1.更换小直径、长螺纹探头，以保证探头与牙端距离在0.25-1.02mm。2.将60齿更换为30齿齿轮，以满足上述尺寸要求

4.4 附件故障判断 1.探头故障判断 探头正常阻值为7-9Ω，若测得阻值>100Ω，则说明开路，若阻值<1Ω则说明短路，需更换探头。2.前置器故障判断 若出现如下现象可判断为前置器故障，需更换。（1）前置器电源电压不在-17.5～-26VDC之间，且电源、导线均正常。（2）前置器输出电压为0V或<1V，监测仪接线端子、连接导线、探头、延伸电缆等无短路，断开延伸电缆输出仍不变。（3）前置器输出电压很高，但低于电源电压，将前置器同轴电缆接头内外芯短路，再测输出电压，电压不在0.6～0.8V之间。（4）前置器输出电压与电源电压相同，且前置器OUT和-24V端之间接线未短路。

除上述故障外，在实际运行中还出现过接头脏、接线端子氧化、3300卡件坏等导致的数据波动问题，因故障原因明确，处理简单再次不做赘述。

结论

本特利轴系仪表具有寿命长，可靠性高，测量精确等优点，在催化装置应用广泛，主要应用于烟机、气压机等机组监控与保护，在多年的实际运行中很好的保护了机组安全。

参考文献

[1]马兵.机组探头安装使用手册，2007

作者简介

陈乐，男，198709，山东泰安，本科，中国石油大学华东，现有职称：助理工程师，研究方向：自动化仪表。