CN113138290A - 一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，获取与汽轮机转速对应的正弦波信号；将正弦波信号调理为相应的方波信号；从方波信号中获取与汽轮机转速对应的下降沿信号，并记录相邻两个下降沿信号之间的计数值；对方波信号的上升沿和下降沿分别做时间标记，并记录方波信号的上升沿和下降沿对应的绝对时间；将方波信号的上升沿对应的绝对时间和下降沿对应的绝对时间作差；将方波信号的下降沿对应的绝对时间与方波信号的一个周期时间值的一半作差；利用相邻两个周期的方波信号绝对时间的中间时刻之差和脉冲测量区间对应计数值，计算得到汽轮机的转速。本发明可提高由于长期使用导致的电涡流偏心问题导致的测频抖动等偏差大的问题。

Description

一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法
技术领域
本发明属于汽轮发电机组转速测量技术领域，具体涉及一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法。
背景技术
汽轮机数字电液控制系统(DEH)是火力发电厂汽轮发电机组重要的组成部分，是汽轮机起动、停止、正常运行和事故工况下的调节控制器。汽轮机数字电液控制系统通过控制汽轮机主汽门和调门的开度，实现对汽轮发电机组的转速、负荷、压力等的控制。在火力发电厂中，汽轮机的转子转速是一个重要运行参数，汽轮机的转速在启动和停止过程中是连续变化的，必须进行连续的监视和控制，在并网和带负荷后，汽轮机的转速将随电网频率而变化，但汽轮机如发生事故甩负荷时，可能引起超速等现象，汽轮机的转子转速成为重要的监视项目。能够可靠连续监测汽轮发电机组的转子转速，是保证发电机组安全经济运行的关键条件之一。
目前测速传感器可以采用有源和无源两类测速传感器。有源测速传感器多使用电涡流测速传感器或磁电式测速传感器，无源测速传感器多使用磁阻式测速传感器。由于磁电式测速传感器安装调整困难，易被磨损，而电涡流测速传感器有较宽的安装间隙范围，方便进行安装调整且不易被磨损；磁电式测速传感器内部有磁性元件易受到外界电磁场干扰，电涡流测速传感器内部无磁性元件；另一方面，磁阻式测速传感器在转速较低(0～200r/min)时会因信号弱而无法测量，而电涡流测速传感器不会受此影响。因此电涡流测速传感器广泛应用于汽轮发电机组的转速测量中。
理想的电涡流测速传感器信号如图1所示，经过硬件电路调理后，其T1、T2、T3为等脉宽的正弦波形。
但在实际工程应用中，当汽轮发电机组长期运行产生偏心或由于安装位置相对标准位置有差异，在工程应用中会发生相对于初始位置产生一定位移等情况，电涡流测速传感器产生的信号如图2所示，不是标准的正弦波，而是被工频信号包络的正弦波形。此时输入至FPGA的正弦波信号如图3所示，该正弦波相对于初始时间轴产生了一定的上下波动，经过硬件电路调理后，如果按照单上升沿计数的方式，FPGA捕获T1、T2、T3时间相对于初始时间轴的时刻不一致导致了一定的提前或滞后，这样经过计算的数据会发生较大的误差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，可大幅提高由于长期使用导致的电涡流偏心等问题导致的测频抖动等偏差大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，包括：
通过安装在汽轮机机头处的电涡流传感器获取与所述汽轮机转速对应的正弦波信号；
将所述正弦波信号调理为相应的方波信号；
从所述方波信号中获取与所述汽轮机转速对应的下降沿信号，记相邻两个下降沿信号之间为一个脉冲测量区间，并记录相邻两个下降沿信号之间的计数值；
对所述方波信号的上升沿和下降沿分别做时间标记，并记录所述方波信号的上升沿和下降沿对应的绝对时间；
将所述方波信号的上升沿对应的绝对时间和下降沿对应的绝对时间作差，该差值所述方波信号的一个周期时间值；
将所述方波信号的下降沿对应的绝对时间与所述方波信号的一个周期时间值的一半作差，该差值为所述方波信号绝对时间的中间时刻；
利用相邻两个周期的所述方波信号绝对时间的中间时刻之差和所述脉冲测量区间对应计数值，计算得到所述汽轮机的转速。
进一步地，将所述正弦波信号调理为相应的方波信号后，还对所述方波信号进行高频滤波处理。
进一步地，通过滤波模块对所述方波信号进行高频滤波处理。
进一步地，所述从所述方波信号中获取与所述汽轮机转速对应的下降沿信号，记相邻两个下降沿信号之间为一个脉冲测量区间，具体过程为：
按照所述方波信号的时间顺序，依次统计所述方波信号中每相邻两个周期方波信号的下降沿之间对应的脉冲计数值；
每个周期的方波信号到来时，通过捕获到该周期方波信号的下降沿对应的脉冲计数值，连续获取两组脉冲计数值即为相应地确定所述脉冲测量区间。
进一步地，所述对所述方波信号的上升沿和下降沿分别做时间标记，并记录所述方波信号的上升沿和下降沿对应的绝对时间，具体为：
对所述方波信号捕获到上升沿时，通过本地晶振走时，记录到所述方波信号的上升沿对应的绝对时间；
对所述方波信号捕获到下降沿时，通过本地晶振走时，记录到所述方波信号的下降沿对应的绝对时间。
进一步地，所述利用相邻两个周期的所述方波信号绝对时间的中间时刻之差和所述脉冲测量区间对应计数值，计算得到所述汽轮机的转速，具体为：脉冲测量区间对应计数值与方波信号绝对时间的中间时刻之差的比值即为汽轮机的转速。
进一步地，通过调理电路将所述正弦波信号调理为相应的方波信号。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，(1)对于汽轮发电机组盘车时转速测量更加精准；(2)可大幅提高应用电涡流传感器由于工频包络曲线导致的硬件调理电路对信号调理导致的方波信号占空比误差大影响测量精度问题，并且对火电厂DCS系统的运行维护提供了方便。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为理想的电涡流传感器信号示意图；
图2为实际应用电涡流传感器信号波形示意图；
图3为实际工程应用电涡流传感器信号示意图；
图4为本发明转速测量原理实现框图；
图5为本发明电涡流传感器使用采双沿方式采集信号示意图；
图6为实施例中程序处理流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明的某一具体实施例，一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，包括：
通过安装在汽轮机机头处的电涡流传感器获取与汽轮机转速对应的正弦波信号。
将正弦波信号调理为相应的方波信号；具体的，通过调理电路将正弦波信号调理为相应的方波信号；作为优选的实施方式，将正弦波信号调理为相应的方波信号后，还对方波信号进行高频滤波处理，具体的说，通过滤波模块对方波信号进行高频滤波处理。
从方波信号中获取与汽轮机转速对应的下降沿信号，记相邻两个下降沿信号之间为一个脉冲测量区间，并记录相邻两个下降沿信号之间的计数值；具体的说，从方波信号中获取与汽轮机转速对应的下降沿信号，记相邻两个下降沿信号之间为一个脉冲测量区间的具体过程为：按照方波信号的时间顺序，依次统计方波信号中每相邻两个周期方波信号的下降沿之间对应的脉冲计数值；每个周期的方波信号到来时，通过捕获到该周期方波信号的下降沿对应的脉冲计数值，连续获取两组脉冲计数值即为相应地确定脉冲测量区间。
对方波信号的上升沿和下降沿分别做时间标记，并记录方波信号的上升沿和下降沿对应的绝对时间；具体的说：对方波信号捕获到上升沿时，通过本地晶振走时，记录到方波信号的上升沿对应的绝对时间；对方波信号捕获到下降沿时，通过本地晶振走时，记录到方波信号的下降沿对应的绝对时间。
将方波信号的上升沿对应的绝对时间和下降沿对应的绝对时间作差，该差值方波信号的一个周期时间值。
将方波信号的下降沿对应的绝对时间与方波信号的一个周期时间值的一半作差，该差值为方波信号绝对时间的中间时刻。
利用相邻两个周期的方波信号绝对时间的中间时刻之差和脉冲测量区间对应计数值，计算得到汽轮机的转速，具体的说，脉冲测量区间对应计数值与方波信号绝对时间的中间时刻之差的比值即为汽轮机的转速。
下面结合图4、图5和图6对本发明做更加详细的解释说明。
实施例
如图4所示，电涡流传感器输入的正弦波信号，经过硬件调理电路后调理为相应的方波信号，由FPGA滤波模块滤除高频或毛刺等干扰信号，滤波时间可由上位机进行配置。滤波处理后的方波信号进入有效信号判断模块采集信号的上升沿或下降沿，采集到有效上升沿或下降沿信号后对该时刻沿信号进行打时间戳处理(即做时间标记)，同时上报该时刻沿信号的计数值至MCU进行处理。MCU将连续10次频率计算值作为滑动滤波窗的数据进行滑动滤波算法处理，最终得到稳定的汽轮机组转速数值。
MCU通过读取FPGA给出的最新时标和脉冲测量区间对应计数值与上一时刻的时标和脉冲测量区间对应计数值进行频率计算，计算公式如下：
Figure BDA0003018420370000061
该频率计算中CK为当前周期方波信号的下降沿对应的脉冲计数值，CK-1为上一周期方波信号的下降沿对应的脉冲计数值；TK为当前周期方波信号绝对时间的中间时刻，TK-1为上一周期方波信号绝对时间的中间时刻。
实际工程应用中，由电涡流传感器输入的正弦波为被工频信号包络的正弦波，经过硬件电路调理后，由于采样偏差，导致FPGA在采集上升沿或下降沿时刻相对产生一定的时间偏差Δt，这部分偏差进入计算后会产生较大的频率误差。如图5和图6所示，图5中b为经过硬件调理电路，将正弦波信号调理为方波信号，图5中a中第一个正弦波上升沿经过硬件调理电路调理为方波信号如图5中b所示，该上升沿对应到图5中c中为t1时刻所示正弦波上升沿信号，t2时刻为对应正弦波下降沿信号。t3为下一周期正弦波对应上升沿时刻，t4为下一周期正弦波对应下降沿时刻。经过n个周期后，t12为第n周期正弦波对应上升沿，t13为第n周期正弦波对应下降沿。t14为第n周期正弦波对应下降沿，t14为第n+1周期正弦波对应上升沿，t15为第n+1周期正弦波对应下降沿。如图5可见，连续周期正弦波，第n周期和第n+1周期之间上升沿时刻t13’，第n周期和第n+1周期之间下降沿时刻t14’相对标准时刻产生了偏差Δt。
第n个周期上升沿到来时由时钟晶振的计数值打时间戳，该上升沿时刻值计为t14，同时锁存该时刻的脉冲计数值；同理下降沿到来时由时钟晶振的计数值打时间戳时刻值计为t15，同时锁存该时刻的脉冲计数值；在本正弦波周期内，上升沿和下降沿时刻值的偏差Δt1＝t15-t14。半周期时刻值的偏差Δht＝1/2Δt1。最终送入至MCU中本周期正弦波的时间戳时刻值tick_tmp＝t15-Δht。实际计算时T1＝tick_tmp1,T2＝tick_tmp2，C1＝f1。
上述实施例为在一芯片MCU中，对FPGA采集完成的信号进行运算，MCU获取到C值和T值进行除法运算，获取到机组实际的频率数值，同时进行连续10次计算取平均的方法，滑动滤波算法。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，其特征在于，包括：
通过安装在汽轮机机头处的电涡流传感器获取与所述汽轮机转速对应的正弦波信号；
将所述正弦波信号调理为相应的方波信号；
从所述方波信号中获取与所述汽轮机转速对应的下降沿信号，记相邻两个下降沿信号之间为一个脉冲测量区间，并记录相邻两个下降沿信号之间的计数值；
对所述方波信号的上升沿和下降沿分别做时间标记，并记录所述方波信号的上升沿和下降沿对应的绝对时间；
将所述方波信号的上升沿对应的绝对时间和下降沿对应的绝对时间作差，该差值所述方波信号的一个周期时间值；
将所述方波信号的下降沿对应的绝对时间与所述方波信号的一个周期时间值的一半作差，该差值为所述方波信号绝对时间的中间时刻；
利用相邻两个周期的所述方波信号绝对时间的中间时刻之差和所述脉冲测量区间对应计数值，计算得到所述汽轮机的转速。
2.根据权利要求1所述的一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，其特征在于，将所述正弦波信号调理为相应的方波信号后，还对所述方波信号进行高频滤波处理。
3.根据权利要求2所述的一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，其特征在于，通过滤波模块对所述方波信号进行高频滤波处理。
4.根据权利要求1所述的一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，其特征在于，所述从所述方波信号中获取与所述汽轮机转速对应的下降沿信号，记相邻两个下降沿信号之间为一个脉冲测量区间，具体过程为：
按照所述方波信号的时间顺序，依次统计所述方波信号中每相邻两个周期方波信号的下降沿之间对应的脉冲计数值；
每个周期的方波信号到来时，通过捕获到该周期方波信号的下降沿对应的脉冲计数值，连续获取两组脉冲计数值即为相应地确定所述脉冲测量区间。
5.根据权利要求1所述的一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，其特征在于，所述对所述方波信号的上升沿和下降沿分别做时间标记，并记录所述方波信号的上升沿和下降沿对应的绝对时间，具体为：
对所述方波信号捕获到上升沿时，通过本地晶振走时，记录到所述方波信号的上升沿对应的绝对时间；
对所述方波信号捕获到下降沿时，通过本地晶振走时，记录到所述方波信号的下降沿对应的绝对时间。
6.根据权利要求1所述的一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，其特征在于，所述利用相邻两个周期的所述方波信号绝对时间的中间时刻之差和所述脉冲测量区间对应计数值，计算得到所述汽轮机的转速，具体为：脉冲测量区间对应计数值与方波信号绝对时间的中间时刻之差的比值即为汽轮机的转速。
7.根据权利要求1所述的一种使用电涡流传感器测量汽轮发电机组转速的方法，其特征在于，通过调理电路将所述正弦波信号调理为相应的方波信号。
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