CN104459187A - 一种测量大型旋转设备转速的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量大型旋转设备转速的装置及方法，采用集成静电传感器、电涡流传感器来测量转速，电涡流传感器用于感应测速齿轮的旋转动作并输出电压信号，集成静电传感器用于感应旋转物体表面与空气摩擦产生的电荷信号，并将电荷信号转换成电压信号，两种信号均输出至数据处理模块，对其进行初步转速计算、传感器故障判断和转速范围判断，最终得到待测旋转物体的准确转速并于显示器上显示。本发明属于非接触式测量，融合了静电法测量高转速准确度高的优点和电涡流传感器测量低转速准确度高的优点，在大型旋转设备零转速、低转速以及高速运行时都能进行可靠、稳定的转速测量，同时还能够获得转轴的旋转方向并进行显示。

Description

一种测量大型旋转设备转速的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种大型旋转设备(如工业汽轮机、烟气轮机等)的转速测量装置及方法。

背景技术

转速是反映旋转机械运行状况的重要参数之一。转速测量精度、测量实时性和可靠性是保障旋转机械正常运行的关键。常见的转速测量方法有模拟式测量方法和数字式测量方法，模拟式应用测速发电机为检测元件，获取的信号为电压量；数字式常采用光电编码盘、霍尔元件等为检测元件，得到的是脉冲信号。利用光电编码盘测转速对环境要求很高,如果粉尘、油污比较严重,将大大降低测量的可靠性。用霍尔元件测速可以避免上述不足，但是霍尔元件的温度稳定性较差，一般还需要把高磁场强度的磁钢安装在被测轴或齿轮上,对它们的运转会产生一定的影响。工况运行状态下的大型旋转设备转速测量装置主要有磁阻式测量装置、磁电式测量装置、电涡流转速测量装置等，为确保测量结果准确可靠，常同时使用两台甚至三台测量原理不同的装置进行测量。电涡流传感器测量转速的性能优于磁电式传感器，它既能响应零转速，也能响应较高转速，对于被测体转轴的转速发生装置要求也很低，但电涡流传感器测量精度会受温度变化的影响，而且频率响应范围有限。对于大型的旋转设备，通常在其主轴上安装测速齿轮或多个键相，并使用电涡流传感器进行转速测量，当旋转设备的转速过高时，可能会超出了电涡流测量装置频响范围，导致测量结果不准确。而工业汽轮机、烟气轮机等大型旋转设备正常运行状态下的转速在6000r/min到15000r/min甚至更高，电涡流传感器无法满足其测量要求。此外，近两年由阎勇、王丽娟等人提出的静电传感器在高速旋转设备上测量转速时有明显优势，但对低转速和零转速测量非常不准确甚至测量失败。现有的大型旋转设备转速测量装置均存在一定的测速范围局限性，很难同时满足大型旋转设备在高速运行和低速运行的转速测量要求，测量结果可靠性有待提高。因此，设计一种精确、速度测量范围广泛且具有较高可靠性的转速测量装置有着重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电传感器和电涡流传感器相结合的测量大型旋转设备转速的装置及方法，可解决现有的大型旋转设备转速测量装置全范围测速能力的局限性，难以同时满足高转速与低转速的精确测量要求的问题。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种测量大型旋转设备转速的装置，其特征在于，包括一个电涡流传感器、两个集成静电传感器，和一个设置在待测转轴的端面上的测速齿轮，其中，电涡流传感器被固定在机壳内侧相对测速齿轮凸缘的位置，集成静电传感器被固定在待测转轴假想截面处外围的机壳内侧，假想截面与转轴端面的轴向间距至少为6cm；两个集成静电传感器的中心角为R弧度；所述电涡流传感器的输出端经前置器连接至数据处理模块；集成静电传感器的输出端通过一个静电信号调理单元连接至数据处理模块；该数据处理模块的输出端连接至显示器。

上述方案中，所述集成静电传感器为小型双层PCB电路板，电路板一面为覆铜电极P，其在机壳内侧以轴向长度为20-30mm，宽度为2-4mm布置；PCB电路板的另一面为电荷/电压转换电路，去直流电路以及电压放大电路，电压放大电路输出端通过SMA接口与单层屏蔽电缆相连，电缆输出端连接至静电信号调理单元。

一种测量大型旋转设备转速的方法，通过前述的测量大型旋转设备转速的装置实现，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据电涡流传感器感应的转动信息V1，采用等精度算法计算得转速RPM1；根据两集成静电传感器感应的转动信息V2，由互相关算法得到转速RPM2；

互相关计算模型如下：

$R_{12}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_2(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2^2\left(k\right)}\right)}$

$T=\frac{N_{\max }}{f_N}$

${\mathrm{RPM}}_2=\frac{R\·k_0}{T}$

其中，R₁₂(m)为X₁(k)和X₂(k)的归一化互相关函数，R₁₂(m)中值最大的一点对应的N_max值为互相关计算中渡越T时间对应的点数，f_N为AD的采样频率，R为两静电传感器固定端的弧度差值，k₀为常数；

(2)计算RPM1、RPM2的差值，判断差值是否大于2000转/分钟，若是，则显示传感器故障，并同时显示两种传感器转速计算结果及转向，重新回到步骤(1)；若不是，执行下一步；

(3)判断电涡流传感器输出信号的脉冲频率是否大于9000Hz，若是，将RPM2为最终结果，显示转速转向，重新回到步骤(1)；若不是，执行下一步；

(4)将RPM1作为最终结果，和转向一同显示，重行回到步骤(1)。

上述方法中，所述等精度测量法模型建立如下：

$f_x=\frac{M}{N}{f}_0$

${\mathrm{RPM}}_1=\frac{60f_x}{Z}$

式中M为实际闸门时间内被测信号脉冲个数，N为实际闸门时间内基准时钟信号脉冲个数，f₀为基准频率，测速齿轮齿数为Z。

所述互相关算法中的k₀初始值为1，为使测量结果更加准确，在使用测量装置前需进行参数设置，固定好测量装置后，以手持光电测速仪为对照，启动待测转轴以及该装置，当转速达到10000r/min或超过10000r/min的某一稳定值，记录此时集成静电传感器输出信号分析得到的转速RPM2以及手持光电测速仪转速RPM3，通过公式计算出常数k₀，k₀＝RPM₃/RPM₂，重新设置k₀值。

本发明基于静电传感器和电涡流传感器对大型旋转设备，如工业汽轮机主轴、数控车床的电机等进行实时监测转速，属于非接触式测量，避免了机械磨损，具有重量轻、安装容易的优点，适用于恶劣的环境条件，相对于目前的测速装置，具有更广的转速测量范围、转速测量精度以及可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明装置结构示意图。图中：1、待测转轴；2、转轴端面；3、机壳；4、假想截面；5、测速齿轮；6、电涡流传感器；7、8、集成静电传感器。

图2为图1中集成静电传感器7、8电极背面的集成电路结构图。

图3为本发明方法流程框图。

具体实施方式

参考图1，一种利用静电和电涡流传感器测量大型旋转设备转速的装置，包括一个电涡流传感器6、两个集成静电传感器7、8，和一个测速齿轮5。其中，测速齿轮5安装在待测转轴1的转轴端面2上，电涡流传感器被固定在机壳内侧相对测速齿轮凸缘的位置，传感器探头与齿轮凸缘距离为2mm至5mm。集成静电传感器7、8被固定在待测转轴1假想截面4处外围的机壳3内侧，假想截面4与转轴端面2的轴向间距至少有6cm，静电传感器电极与待测转轴的间距为2mm至6mm。两个集成静电传感器的中心角为π/36～2π/9弧度。

电涡流传感器6的输出端经前置器连接至数据处理模块；集成静电传感器7、8的输出端通过一个静电信号调理单元连接至数据处理模块，数据处理模块的输出端连接至显示器。电涡流传感器6感应转轴端面所在位置处待测转轴1的转动信息V1，经前置器传送至数据处理模块；集成静电传感器7、8感应假想截面4处待测转轴1的转动信息V2，经静电信号调理单元传送至数据处理模块；数据处理模块进行数据综合分析，最终得到被测旋转物体的转速以及转向，并在显示器上进行显示。

电涡流传感器探头的直径为11mm，测速齿轮5可由40CrMo等非导磁材料制作而成，前置器不仅给电涡流传感器探头提供高频电流信号，还将探头内部的谐振电路将感应得到的电压信号转换为标准电压，并输出至数据处理模块。

静电信号调理单元由电压放大电路，15KHz二阶低通滤波电路以及50Hz陷波电路顺次连接而成，50Hz陷波电路滤除了工频干扰信号，降低了环境和电源干扰对测量结果准确度的不良影响。

数据处理模块包括电压转换单元、采集单元以及处理单元，电压转换单元由分压电阻构成，采集单元和处理单元由数字信号处理芯片(DSP)和模拟数字转换器(AD)构成，对数据进行采集，并在DSP中进行数据处理。

电压转换单元将前置器输出的脉冲电压信号进行电阻分压到适当范围，输入至DSP的计数器模块对应管脚，进行计数；静电传感器调理单元输出信号直接输入采集单元。DSP控制AD对信号进行采集后，由DSP对其进行互相关分析以及转向判断、等精度转速计算以及转速范围预判，得出最终的转速结果，并将结果通过I/0口发送至显示器。

参考图2，图1中的集成静电传感器7、8均为小型双层PCB电路板，电路板一面为覆铜电极P，其在机壳内侧以轴向长度为20-30mm，宽度为2-4mm布置。PCB电路板的另一面为电荷/电压转换电路，去直流电路以及电压放大电路。电压放大电路输出端Uo通过SMA(同轴连接器)接口与单层屏蔽电缆相连，电缆输出端连接至静电信号调理单元。对于高增益的单端输入的电荷放大器，该电路使用了差分输入的电路结构，即R1与R2的阻值相同，C1与C2的电容值相同，基本消除了电荷放大器的共模噪声。

参考图3，一种根据图1装置对大型旋转设备转速的测量方法(通过数据处理模块的DSP完成)，包括下述步骤：

(1)根据电涡流传感器感应的转动信息V1，采用等精度算法计算得转速RPM1；根据两集成静电传感器感应的转动信息V2，由互相关算法得到转速RPM2；

其中，等精度测量法模型建立如下：

$f_x=\frac{M}{N}{f}_0$

${\mathrm{RPM}}_1=\frac{60f_x}{Z}$

式中M为实际闸门时间内被测信号脉冲个数，N为实际闸门时间内基准时钟信号脉冲个数，f_x为被测信号频率，f₀为基准频率，测速齿轮齿数为Z，可以使用齿数Z为60的标准齿轮，也可以根据待测转轴轴承直径大小，设计内径与之相等的测速齿轮，齿数最好为偶数。

使用等精度测量法对电涡流传感器输出信号进行分析，等精度测频技术通过基准时钟信号来测量被测信号的频率，其精度与被测信号频率无关，只取决于基准时钟信号的精度和大小，图1装置基准频率由DSP提供，具体数值在2.5MHz到DSP基准时钟范围内可调。

互相关计算模型如下：

$R_{12}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_2(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2^2\left(k\right)}\right)}$

$T=\frac{N_{\max }}{f_N}$

${\mathrm{RPM}}_2=\frac{R\·k_0}{T}$

其中，R₁₂(m)为X₁(k)和X₂(k)的归一化互相关函数，X₁(k)和X₂(k)分别为集成静电传感器7和集成静电传感器8感应得到的信号经静电调理单元后的输出信号，R₁₂(m)中值最大的一点对应的N_max值为互相关计算中渡越时间T对应的点数，f_N为AD的采样频率，R为两静电传感器固定端的弧度差值，k₀为常数，需要在图1装置正常使用之前由光电测速仪对同一对象进行测量，将结果与互相关转速测量结果进行对比，求出k₀的修正值，并设置。

互相关算法中的k₀常数值初始值为1，为使测量结果更加准确，在使用该装置前需进行参数设置。固定好图1装置后，以手持光电测速仪为对照，启动待测对象以及该装置，当转速达到10000r/min或某一超过10000r/min的稳定值，记录此时静电传感器输出信号分析得到的转速RPM2以及手持光电测速仪转速RPM3，通过公式计算出常数k₀，k₀＝RPM₃/RPM₂，重新设置k₀值。

(2)计算RPM1、RPM2的差值，判断差值是否大于2000转/分钟，若是，则显示传感器故障，并同时显示两种传感器转速计算结果及转向，重新回到步骤(1)；若不是，执行下一步；

(3)判断电涡流传感器输出信号的脉冲频率是否大于9000Hz，若是，将RPM2为最终结果，显示转速转向，重新回到步骤(1)；若不是，执行下一步；

(4)将RPM1作为最终结果，和转向一同显示，重行回到步骤(1)。

Claims (5)

1.一种测量大型旋转设备转速的装置，其特征在于，包括一个电涡流传感器、两个集成静电传感器，和一个设置在待测转轴的端面上的测速齿轮，其中，电涡流传感器被固定在机壳内侧相对测速齿轮凸缘的位置，集成静电传感器被固定在待测转轴假想截面处外围的机壳内侧，假想截面与转轴端面的轴向间距至少为6cm；两个集成静电传感器的中心角为R弧度；所述电涡流传感器的输出端经前置器连接至数据处理模块；集成静电传感器的输出端通过一个静电信号调理单元连接至数据处理模块；该数据处理模块的输出端连接至显示器。

2.如权利要求1所述的测量大型旋转设备转速的装置，其特征在于，所述集成静电传感器为小型双层PCB电路板，电路板一面为覆铜电极P，其在机壳内侧以轴向长度为20-30mm，宽度为2-4mm布置；PCB电路板的另一面为电荷/电压转换电路，去直流电路以及电压放大电路，电压放大电路输出端通过SMA接口与单层屏蔽电缆相连，电缆输出端连接至静电信号调理单元。

3.一种测量大型旋转设备转速的方法，通过权利要求1所述的测量大型旋转设备转速的装置实现，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据电涡流传感器感应的转动信息V1，采用等精度算法计算得转速RPM1；根据两集成静电传感器感应的转动信息V2，由互相关算法得到转速RPM2；

互相关计算模型如下：

$R_{12}\left(m\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1\left(k\right)X_2(k+m)}{\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_1^2\left(k\right)}\right)\left(\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_2^2\left(k\right)}\right)}$

$T=\frac{N_{\max }}{f_N}$

${\mathrm{RPM}}_2=\frac{R\·k_0}{T}$

其中，R₁₂(m)为X₁(k)和X₂(k)的归一化互相关函数，R₁₂(m)中值最大的一点对应的N_max值为互相关计算中渡越T时间对应的点数，f_N为AD的采样频率，R为两静电传感器固定端的弧度差值，k₀为常数；

(2)计算RPM1、RPM2的差值，判断差值是否大于2000转/分钟，若是，则显示传感器故障，并同时显示两种传感器转速计算结果及转向，重新回到步骤(1)；若不是，执行下一步；

(3)判断电涡流传感器输出信号的脉冲频率是否大于9000Hz，若是，将RPM2为最终结果，显示转速转向，重新回到步骤(1)；若不是，执行下一步；

(4)将RPM1作为最终结果，和转向一同显示，重行回到步骤(1)。

4.如权利要求3所述的测量大型旋转设备转速的方法，其特征在于，所述等精度测量法模型建立如下：

$f_x=\frac{M}{N}{f}_0$

${\mathrm{RPM}}_1=\frac{60f_x}{Z}$

式中M为实际闸门时间内被测信号脉冲个数，N为实际闸门时间内基准时钟信号脉冲个数，f₀为基准频率，测速齿轮齿数为Z。

5.如权利要求3所述的测量大型旋转设备转速的方法，其特征在于，所述互相关算法中的k₀初始值为1，为使测量结果更加准确，在使用测量装置前需进行参数设置，固定好测量装置后，以手持光电测速仪为对照，启动待测转轴以及该装置，当转速达到10000r/min或超过10000r/min的某一稳定值，记录此时集成静电传感器输出信号分析得到的转速RPM2以及手持光电测速仪转速RPM3，通过公式计算出常数k₀，k₀＝RPM₃/RPM₂，重新设置k₀值。