CN1038700A - 精确检测叶片通过时间的装置 - Google Patents

Abstract

检测叶片通过时间的装置，它包括一个每次叶片通过该传感器时产生输入信号的传感器。每次输入信号与参考轴交叉时，一个过零检测器产生一个输出信号。一个移相器移动输入信号的相位，以在传感器上产生一个与叶片预期到达时间一致的选通信号。一个选通装置响应于该选通信号，以传导在叶片预期到达时间期间在传感器上出现的输出信号。

Description

本发明一般是指传感器，具体指那些用于检测旋转机器振动的传感器。

在历史上，通过在旋转叶片上设置应变片且遥测至静态接收机的信息去测量汽轮机叶片的振动模式。由于应变片的寿命短，此方法并不令人十分满意，再说还需要在要监测的每个叶片上设置一个应变片。由于这些原因，已经对其它型式的传感器进行了研究。

在美国第4593566号专利中介绍过一种电容型传感器。当每个叶片端部通过传感器时，由传感器和叶片限定的电容的电容量要发生变化，这导致了有小电流在该限定的电容器流入和流出，这些电流信号通过两个阈检测器。第一可变正电平比较器选通第二接近零电平比较器。当信噪比高时，这使得能以准确的时间过零;但在叶片端部未接近传感器期间且信噪比为零时，禁止过零比较器。

尽管可变电容量传感器固有地快速且坚实，但在两相电流中末提供有用的效果。由于引入的流体介质特性变化造成的电容量的变化，能够产生虚假的结果。

光传感器已经应用于叶片的振动监测。但是，光传感器不适于长期装设在运行的汽轮机环境中，这是因为蒸汽内含有微小液滴，性能差;水表面的折射作用;腐蚀性氧化物及其它微粒对光表面的污染所致。

对自生型传感器（如磁性传感器）也已进行了研究，测量明显的振动所需的时间准确度大约为40毫秒，这意味着25兆赫的时钟频率。磁传感器及放大器回路的额定响应频率一般低于25千赫。其特性上量值有三个数量级的差别，这就妨碍了这种传感器的采用。因此，就需要有一种能准确地检测旋转机器叶片通过静止传感器的装置。

本发明是指对旋转机器叶片通过静止传感器进行检测的装置。每当叶片通过传感器，该传感器都产生一个输入信号。每当该输入信号与基准轴交叉时，一个过检测器都产生一个输出信号。一个移相器将输入信号移相，以产生一个与传感器上叶片预期到达时间一致的选通信号。一个选通装置响应于该选通信号，以传导在叶片预期到达时间期间在传感器上出现的输出信号。

本发明还指对旋转机器叶片通过静止传感器进行检测的一种方法。该方法包括每当叶片通过静止传感器时，产生输入信号的步骤。每当该输出信号与基准轴交叉时，产生一个输出信号。该输入信号被移相，以产生一个移相输入信号。该被移相的输入信号与一个基准信号比较产生一个选通信号，该选通信号与在传感器上叶片预期到达时间一致。响应于该选通信号，有选择地导通该输出信号。

本发明考虑采用磁性传感器，这种传感器简单、坚实，当它与本发明的电路一起使用时，具有良好的效果。这种传感器可很好地适应透平机械中的不利环境。从以下对一个较佳实施例的叙述中，本发明的这些和其它优点及好处将会更为明瞭。

为了使本发明易于理解和实施，现结合附图仅举例对一较佳实施例进行叙述，其中：

图1A、1B、1C和1D分别表示输入信号幅值的变化，大幅值输入信号的前沿比较器输出;小幅值输入信号的前沿比较器输出;以及由于幅值灵敏度造成的时间偏移。

图2A和2B分别表示输入信号幅值变化和零电压临界跳闸值的前沿比较器输出。

图3表示根据本发明较佳实施例技术构成的一个电路，用于对磁性传感器产生的信号进行处理。

图4A-4E表示不同的信号，用来解释图3电路的工作。

图5表示一个典型的磁性传感器。

对于诸如磁性传感器这样的简单的自生传感器，由于传感器的频率响应明显地差，已不再有别的研究者关注。本发明人已进行实验室试验，证明当磁性传感器与本发明的电路系统联合使用时，具有足够的响应，以避免由邻近叶片产生的信号之间的那种相互干挠。

采用磁性传感器时遇到的一个困难，起因于传感器的输出电压与磁通量的变化率成正比。而磁通量受传感器对叶片的间隔的影响，且变化率与叶片端部的速度成正比。图1A示出由一个磁性传感器产生的输出信号的幅值变化，图1A还示出一个比较器输入临界跳闸电压V_基准。在图1B中，示出假定输入到比较器的为较大幅值的信号时的比较器的输出信号。图1C中，示出了假定较小幅值信号输入到比较器时比较器的输出。图10示出由于此振幅的灵敏度造成的明显的时间偏移。

使间隔和速度的影响减为最小的途径是检测过零点处的每一个信号。过零检测器对于脉冲幅值是不敏感的，因此，对间隔和速度的影响不敏感。图2A和2B示出了这种不敏感性。正如可从图2B中看出，不管图2A所示输入信号的幅值如何变化，比较器的输出之过零点维持不变。

本发明人已经发现，因为简单的过零检测器在出现噪声时会不规则地触发，所以是不适用的。小的电压变化会致使各次叶片通过之间触发。就一个振动监测系统的适合的性能而言，对于每一个叶片通过的事件，须以可重复的方式，产生一个且仅产生一个脉冲。图3示出根据本发明的讲解构成的一个实际的过零检测器10。

在图3中，由一个如图5所示的磁性传感器产生的信号输入到一个运算放大器12的反相和同相输入端两端之间。在运算放大器12的反相和同相输入端两端之间还连接着一个阻抗匹配电阻。在该运算放大器12的输出端可得到电压V_A。

该电压V_A被输入到运算放大器16的反相输入端，运算放大器16的同相输入端接收一个基准信号-V_基准，在运算放大器16的输出端处可得到输出电压V_D。

该电压V_A通过电阻20还输入到运算放大器18的一个反相输入端，该运算放大器的同相输入端与地连接。运算放大器18的一个输出端通过一个电容器22连接到反相输入端。

运算放大器18的输出端通过电阻24与运算放大器26的反相输入端连接，运算放大器26的同相输入端与地连接。该运算放大器26的输出端通过电阻28与其反相输入端相连。在该运算放大器26的输出端可得到一个电压V_B。

该电压V_B输入到运算放大器30的反相输入端。运算放大器30的同相输入端输入一个正的基准电压V_基准，在运算放大器30的输出端可得到电压V_C。

“或非”门32在其第一输入端接收信号V_C，而在其第二输入端接收信号V_D，在“或非”门32的输出端可得到输出电压V_E。

工作时，由运算放大器16对输入信号V_A与基准电压-V_基准进行比较。该运算放大器用作为过零比较器，每当输入信号V_A跨过如图4A中所示的由基准电压建立的基准轴时，就产生如图4D中所示的输出脉冲V_D。输出脉冲V_D输入到该“或非”门32。

输入信号V_A相位被运算放大器18偏移，以产生一个被运算放大器26放大了的相位偏移的输入信号。相位偏移的放大了的输入信号V_B如图4B所示。该信号V_B被输入到运算放大器30，如图4B所示，在那里它与正基准信号V基准进行比较。比较结果产生一个选通信号，如图4C所示的电压V_C。该选通信号还被输入到“或非”门32。根据如图4C和4D所示的接收的信号，“或非”门产生一个如图4E所示的输出脉冲V_E。

通过电路10，输入信号V_A不仅用于产生脉冲V_D，而且还用于产生选通信号，因为该选通信号是输入信号产生的，所以它与在传感器处叶片预期到达时间吻合，选通信号的脉冲宽度持续跨越在传感器处叶片预期到达时间。此外，该选通信号通过“或非”门32用于控制脉冲V_D的传输，于是，“或非”门32仅传导在传感器处的叶片预期到达时间内出现的那些信号V_D。由运算放大器16产生的虚假脉冲不通过“或非”门32传导。通过如图3中所示的电路10，消除了噪声影响且每当一个叶片通过静止的磁性传感器时产生一个且只产生一个脉冲VE。图3所示的电路10，还消除了间隔和速度的影响。由“或非”门32输出的信号V_E输入到用已知方法确定叶片振动的处理电路（未示出）。

图5中所示的传感器34可以与图3的电路10配合使用。磁性传感器34是一个自生的，可变磁阻的变换器，这种变换器不需要电源。这种传感器常常通过计算一个齿轮上的齿数来测量旋转速度。在商业上可以得到相应的传感器，并且在实际应用中可有不同结构和组合设计。

与本发明配合使用的传感器具有例如一个非常高强度的磁铁36。传感器外壳37可以由一段不锈钢棒材加工而成，它用EB封装，焊接一个专门的气密连接器42。磁铁36连同一极芯38一起工作。感应线圈40产生一个信号，由信号线将该信号传导到图3所示的运算放大器12。

传感器34的内部应该能适合于在550°F（287.8℃）条件下工作。这种传感器可以从Airpax-菲力蒲北美分公司或电气制作部门得到。

在透平机械中如传感器34那样的传感器的装设是众所周知的。例如，可见1986年3月4日公布的授于Luongo的第4573358号美国专利。传感器到表面的距离可以在150到250密耳（0.0381到0.0635毫米）之间，且表面速度大于每秒2000英尺（每秒609.6米）。

本发明还指对旋转机器叶片通过静止传感器的检测方法。该方法包括当叶片通过静止传感器时产生一个输入信号的步骤。每当该输入信号跨过基准轴时，便产生一个输出信号。该输入信号被移相，以产生一个被移相的输入信号。该被移相的输入信号与一个基准信号比较，以在传感器上产生一个与叶片预期到达时间一致的选通信号。响应于选通信号，有选择地传导该输出信号。

综上所述，本发明是指一种适应磁性传感器的低频响应以及间隔和速度灵敏性的装置和方法。这是通过设置图3所示的实际的过零检测器实现的。借助采用同样的输入信号，不仅产生输出脉冲，也产生一个选通信号，以有选择地传导那些输出脉冲，将产生虚假输出信号的噪声影响减至最小。磁性传感器本质上简单且坚实，且装设它能够承受透平机械中遇到的工况。由本发明的装置和方法产生的信号能够按已知的方式利用，取得广泛的振动信息。除了叶片振动以外，叶片通过时间数据也可用来确定旋转叶片的静态偏转或反向扭曲状态。

尽管结合典型实例已对本发明作了叙述，但可以理解，对那些技术上熟练的普通技术人员，易于作出许多改型和变型。本文的公开和以下的权利要求意在覆盖所有这些改型和变型。

Claims (9)

1、一种对旋转机器叶片通过静止传感器进行检测的装置，它包括：

每当叶片通过上述传感器装置时，产生输入信号的静止传感器装置；

每当上述输入信号与基准轴交叉时，产生输出信号的过零检测装置；其特征在于：

移动上述输入信号相位以产生一个与在上述传感器上叶片预期到达时间一致的选通信号的装置；以及

响应于上述选通信号的门装置，用于传导在上述传感器装置上叶片预期到达信号期间出现的输出信号。

2、权利要求1的装置，其中上述静止传感器装置包括磁性传感器。

3、权利要求2的装置，其中上述移动上述输入信号相位的装置包括一个移相器，些用于将上述输入信号相位移动90度。

4、权利要求3的装置，它还包括用于将上述被移相的输入信号与一个基准信号进行比较的比较器装置，上述选通信号的产生响应于上述比较。

5、权利要求4的装置，其中上述选通装置包括一个数字逻辑门。

6、权利要求5的装置，其中上述逻辑门包括一个“或非”门。

7、权利要求4的装置，其中上述过零检测装置包括一个运算放大器，它用于在其第一输入端接收上述输入信号，具在第二输入端接收一个基准信号，在其一个输出端可以得到上述输出信号。

8、一种对旋转机器叶片通过静止传感器进行检测的方法，它包括的步骤为：

每当叶片通过静止传感器装置时产生一个输入信号;

每当上述输入信号与基准轴交叉时产生一个输出信号;

将上述输入信号移相以产生一个被移相的输入信号;

将上述被移相的输入信号与一个基准信号比较，以产生一个与在上述传感器装置上叶片预期到达时间一致的选通信号;

响应于上述选通信号，有选择地传导上述输出信号。

9、权利要求8的方法，其中产生输入信号的步骤包括借助一个静止磁性传感器产生一个输入信号。

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