1　差胀测量工作原理与分析

1．1　涡流传感器的工作原理

涡流传感器的工作原理如图1所示，在高频电流i的激励下，传感器的线圈产生一高频交变磁场Φi。当被测导电体靠近传感器时，根据电磁感应定律在被测导电体的表面附近就产生了与交变磁场相交链的涡流。此涡流又将产生一磁场Φe反作用于Φi。同时，在被测导电体附近除存在涡流效应外还存在磁效应，因此既会产生楞次—焦耳热损耗，还会产生磁滞损耗，造成交变磁场能量损失。


图1　涡流传感器工作原理图

以上现象反映到涡流传感器的等效阻抗上；当传感器与被测导电体靠近时，涡流传感器的等效阻抗Z将发生变化。理论计算可知等效阻抗Z与被测体材料的电阻率ρ、导磁率μ、激磁频率f以及传感器与被测导电体间的距离x有关，见式(1)。

　Z＝F（ρ，x,μ,f)　（1）

当电源频率f以及被测导体材料一定时，上式可简化为：

　Z＝F（x）　（2）

因此，当x变化时，导致Ζ发生变化，通过测量电路，可将Ζ的变化转换为电压U的变化。这样就达到了把位移(或振幅)转换为电量的目的。

1．2　位移一次测量系统的工作原理

位移一次测量系统如图2所示，由涡流传感器和前置放大器组成。前置放大器内部包括高频振荡器、高频阻抗测量电路、电压信号输出电路和系统调整电路。高频振荡器向涡流传感器提供高频振荡源，高频阻抗测量电路测量涡流传感器阻抗的变化，电压信号输出电路则将涡流传感器阻抗转换成直流电压信号送至TSI的二次仪表。


图2　位移一次测量系统结构图示意图

双探头差胀测量系统的结构如图3所示，包括2组涡流传感器和前置放大器组成的2套位移一次测量系统以及相应的双通道二次仪表。其工作原理是：由安装在汽轮机大轴突肩环两边的2个涡流传感器首先分别将差胀(位移)转变成相对应的阻抗，2个前置放大器又将阻抗转换成直流电压信号。由于2个涡流传感器安装的位置不同，所以当差胀发生变化时2个涡流传感器的间隙变化(位移)是不同的，各自的输出直流电压值变化也是反向的。其中一组位移一次测量系统的数学表达式如下：

　V＝F1（Dsj）（3）

　


图3　双探头差胀测量系统结构图示意图

1．3　双探头差胀测量工作原理

式中　V——位移一次测量系统输出直流电压值；

　Dsj——实际差胀(位移)值；

　F1——位移一次测量系统转换关系函数。

测量系统将此电压信号送至差胀测量二次仪表，通过内部电路又将反映差胀的直流电压信号还原为差胀显示值。双通道差胀测量二次仪表转换关系与位移一次测量系统为相对应的分段函数关系，如图4所示。测量范围的下半部分由A通道完成，测量范围的上半部分由B通道完成。

每段差胀测量二次仪表转换关系见(4)式。

Dxs＝F2（V）　（4）


图4　双探头差胀测量系统原理图

式中　V——位移一次测量系统输出直流电压值；

　Dxs——差胀(位移)显示值；

　F2——差胀测量二次仪表转换关系函数。

显然，如果F2是F1的反函数则有：

Dxs＝F2（V）＝F2［F1（Dsj）］＝Dsj（5）

即差胀(位移)显示值Dxs等于实际差胀(位移)值Dsj，从而实现差胀的准确测量。

2　常规安装调整方法及存在的问题

2．1　常规安装调整方法

常规安装调整方法是建立在以下理想前提下的：一次测量系统的位移—电压特性是线性的，并且其灵敏度完全符合统一指标；二次仪表也已根据统一的一次测量系统位移—电压特性在制造厂整定完毕。因此，在现场进行差胀探头安装和调整时，不对测量系统内部进行调整。现场调整方法是：首先根据汽轮机制造厂的安装图纸确定其安装零点，并根据二次仪表指示进行微调。再通过移动涡流传感器模拟差胀变化来进行全量程核对。在核对过程中同时也记录下一次测量系统的位移—电压关系。不过，在现场安装调整时一般均发现实际测出的位移—电压特性与制造厂给定的位移—电压特性有差别，有时差别还比较大。由于位移—电压特性的不可调整，而且又是非线性误差，所以，对此只有采取调整涡流传感器的安装零点，使汽轮机差胀正常工作范围的平均误差小些，而牺牲掉报警、危险段的准确性。根本无法做到全测量范围的误差在允许值内。

2．2　影响位移与电压特性因素分析

TSI系统制造厂给定的一次测量系统的位移—电压特性是建立在上述的(2)式的基础上。然而，理论的(2)式是假定被测体材料的电阻率ρ、导磁率μ；激磁频率f都是恒定的，并且，假设被测导电体是平面且面积无穷大(实验证明至少应是涡流传感器线圈直径的3．5倍以上)，这样才能保证高频交变磁场Φi可以完全作用于被测导电体上。

在TSI的实际涡流传感器测量系统中，往往无法满足上述要求，现场影响位移—电压特性的因素主要有：(1)被测导电体的面积。实际上被测导电体是汽轮机大轴上的一个突肩环，受汽轮机本体的限制，该突肩环不可能做得太大，所以不能满足3．5倍涡流传感器线圈直径的要求，一般仅在2～2．5倍；(2)由于制造和安装工艺的限制，涡流传感器线圈平面无法达到与被测导电体面平行；(3)实际被测导电体的材质与制造厂检定涡流传感器测量系统用被测导电体的材质有差别；(4)在实际测量中，涡流传感器周围都是金属物体，这些导电体都会影响高频交变磁场和涡流磁场的作用。

综上所述，由于实际应用中诸多因素的影响，涡流传感器测量系统的实际位移—电压特性与理想位移—电压特性存在较大误差。

2．3　常规安装调整方法存在的问题

上述分析已知：常规安装调整方法是建立在一次测量系统的理论位移—电压特性上的。当实际特性与理论特性有较大误差时必然不能保证准确测量。图5是鄂州电厂汽轮机差胀涡流传感器测量系统位移—电压特性实测曲线和理论曲线的比较。由图中可知实测特性是非线性的，并且即使在线性段，实测的灵敏度是0．648V／mm，理论灵敏度是0．846V／mm。若采用常规安装调整方法将中心点差胀对准，即都对应11．8V。在正常工作段最大误差有1．5mm，在报警危险段最大误差更会达到2．0mm。这样的误差必然使差胀测量系统不能正常工作：在汽轮机运行过程中或提前发出报警和危险信号，造成不必要的停机；或推迟发出信号，造成设备的损坏。

所以，常规安装调整方法无法克服涡流传感器测量系统的实际位移—电压特性与理想位移—电压特性之间存在较大误差的弊端，不能保证差胀测量系统的准确性。


图5　理论与实测位移—电压特性曲线

3　新的调整方法

文中1．3的(5)式表述了差胀测量系统工作原理的核心：即二次仪表的电压—显示值函数关系Dxs＝F2（V）必须是一次测量系统的差胀—电压函数关系V＝F1（Dsj)的反函数。

通过对双探头差胀测量系统结构、工作原理和调整方法进行深入的分析和研究，提出新的建立在差胀测量工作原理上的调整方法：

（1）现场准确测量差胀涡流传感器测量系统实际位移—电压的数据；

（2）根据差胀测量范围和二次仪表的工作原理确定差胀涡流传感器测量系统的工作段；

（3）根据工作段内的实测数据应用最小二乘法计算实际传感器的最佳灵敏度；

（4）根据实际传感器的最佳灵敏度和实测数据确定差胀涡流传感器测量系统实际位移—电压特性；

（5）采用差胀涡流传感器测量系统实际位移—电压特性重新校验二次仪表；

（6）根据差胀涡流传感器测量系统实际位移—电压的特性、二次仪表工作原理和显示形式确定涡流传感器的安装零点；

（7）涡流传感器安装后进行差胀测量系统的联调校核；

（8）在联调校核上进行最终的系统微调校核。

由于新调整方法的(1)～（4）步采用现场实测数据获得真实的差胀—电压函数关系V＝F1（Dsj）；（5）是根据真实函数关系V＝F1（Dsj）计算出反函数Dxs＝F2（V）来重新校验二次仪表；（6）～（7）再次从现场系统联调上进行校核；所以确保了差胀测量系统的准确性。当然，由于二次仪表内部电路是按线性特性来设计的，所以真实的差胀—电压函数关系V＝F1（Dsj）也只能用线性函数来拟合。但是，由于准确地选择了工作段，并采用最小二乘法，所以可最小程度地减少非线性误差。

建立在差胀测量工作原理上的调整方法遵循了差胀测量系统工作原理的核心。虽然，该方法的技术性比较强，调整比较复杂。但是，可以从方法上保证差胀测量系统的准确性。因此，对于汽轮机安全监视系统这种重要的保护系统，完全有必要改进调整方法来确保系统的准确性和可靠性。

4　两种调整方法的系统误差比较

4．1　采用常规安装调整方法的系统误差

表1是鄂州电厂汽轮机安全监视系统差胀测量系统采用常规安装调整方法调整后的校验记录。从表1中可看出，系统的显示误差最大达到2．0mm以上(两端超限不计)，常用工作段的显示误差也达到1．2mm。伸长的报警危险值的误差达2．0mm以上，缩短的报警危险值的误差达1．5 mm以上。

表1　常规调整方法校验记录

实际差胀值 0 2．5 5．0 7．5 10 12．5 15．0 17．5 20．0 22．5 25．0
显示差胀值 — 1．0 4．0 6．9 9．8 12．8 15．8 18．7 21．8 24．5 —
误差 — -1．5 -1．0 -0．6 -0．2 ＋0．3 ＋0．8 ＋1．2 ＋1．8 ＋2．0 —


4．2　采用新调整方法的系统误差

表2是鄂州电厂汽轮机安全监视系统差胀测量系统采用建立在差胀测量工作原理上的新调整方法调整后的校验记录。从表2的数据可知，系统显示误差最大值仅有到0．4～0．5mm，常用工作段的显示误差只有0．3mm，伸长的报警危险值的误差只有0．4mm，缩短的报警危险值的误差只有0．4mm。

　表2　新调整方法校验记录

mm

实际差胀值 0 2．5 5．0 7．5 10 12．5 15．0 17．5 20．0 22．5 25．0
显示差胀值 — 2．1 4．7 7．5 9．9 12．5 15．0 17．3 19．7 22．2 24．6
误差 — -0．4 -0．3 0 -0．1 0 0 -0．2 -0．3 -0．3 -0．4


5　结论

汽轮机安全监视系统的常规安装调整方法无法克服涡流传感器的实际位移—电压特性与理论位移—电压特性之间的误差，对于测量准确性要求高或测量范围大的系统，常规安装调整方法是不能满足要求的。建立在差胀测量工作原理上的新调整方法是从工作原理的核心上满足系统的要求，所以可确保汽轮机安全监视系统的准确性和可靠性。鄂州电厂一期工程汽轮机安全监视系统差胀测量系统的调整数据从实践上证实了上述结论。新调整方法不但可适用于双通道差胀测量系统的现场调整，同时也可应用于单通道差胀测量系统和汽轮机安全监视系统的其他涡流传感器测量系统的现场调整。汽轮机安全监视系统是确保汽轮机安全运行的重要保护系统，必须加强对其现场调整方法的分析和研究，确保该系统的准确性和可靠性。

作者单位：邱　玲　湖北省电力试验研究所　湖北　武汉　430077