基于单片机的汽轮机转速测量研究论文_游滔

摘要：本文首先介绍了磁阻转速传感器及涡流转速传感器输出信号的不同特性，随后介绍了基于单片机实现汽轮机转速测量的原理、方法及软硬件设计，本文对实现监测汽轮机转速，保证汽轮机安全运行有一定意义。

关键词：单片机;磁阻传感器；涡流传感器；模数转换；锁相环；butterworth；捕获

1引言

在火力发电厂中，汽轮机是机组安全、经济运行中最重要的设备之一，其中汽轮机转子转速是一个汽机运行的重要监视参数，在汽轮机启停过程中需要随时通过转速的监视对汽机运行进行监视控制，在并网接带负荷后，转速的监视又对汽机的安全保护起着至关重要的作用，如果发生故障甩负荷后转子超速飞升将有可能对机组甚至电网造成巨大损失，还有可能造成人员的伤害，所以在数字电液控制系统（DEH）、分布式控制系统（DCS）、汽机保护系统（TSI）等系统中一般均配有相应的测速设备对转子转速进行监视及保护。

2转速传感器选用

对于汽轮机转速的测量，转速传感器一般采用磁阻式或者涡流式，两种传感器各有优劣，不同如下：

1)磁阻传感器在低转速（0～30r/min，文中汽轮机转速均以齿轮盘齿数60为参考）时信号相当微弱，对低速的测量实现有较大难度；

2)磁阻传感器结构紧凑，安装简单，维护方便，涡流传感器安装较磁阻传感器复杂，需要就地安装前置器并需外供电源；

3)磁阻传感器内部有磁性元件易受电磁干扰，涡流传感器内部没有磁性元件不易受干扰；

4)两种传感器的输出信号特性截然不同，磁阻传感器输出信号幅值随转速的增加而增加，以CS-1型磁阻传感器为例，输出信号为0偏置的正弦波，峰峰值随转速的增加从4、50mV增加到2、30V；而涡流传感器输出的信号幅值较为稳定，以飞利浦PR2463涡流传感器为例，输出信号为正弦波，有负-16V左右的偏置；

5)涡流传感器较磁阻传感器昂贵。

所以用于测量转子转速的卡件或装置如能满足两种传感器均可使用，将为用户提供更多的选择。

3测速原理及其实现

3.1硬件设计

根据磁阻传感器与涡流传感器输出信号的不同特性，以CS-1磁阻传感器和飞利浦PR2463传感器为例，硬件设计原理如下图所示：

图1硬件设计原理示意图

涡流传感器PR2463输出信号虽然幅值稳定，但其信号有-16V左右的偏置，需要首先调理掉信号中-16V的直流分量，在信号输入端设计1uF电容可滤掉信号中的直流分量。

CS-1输出信号的峰值随着转速的增加将会升高到20V～30V，所以必须对信号进行限幅，可利用二极管的钳压特性，采用双二极管将信号钳压在峰峰值不超过1.4V，再对限幅后的信号由精密运放AD8221进行放大处理，AD8221的供电电压为±15V，为保证输出信号不饱和，放大倍数选择为10倍左右。

由于CS-1在低转速（0～30r/min）时信号相当微弱，只有几十毫伏，即使放大10倍仍不利于测量，所以放大后的信号由两种电路分别调理后再同时送入单片机进行处理。一条调理电路是将放大后的信号调理到+2.5V偏置，满足AD模数转换芯片的信号输入要求，经AD处理成数字信号后送入单片机；另一条调理电路是将放大后的信号经滤波、迟滞比较整形电路调理成方波脉冲信号，再由锁相环电路调理为占空比50%的标准脉冲信号送入到单片机。

为保证高转速下的测量精度，此处应选择主频100Mhz以上的单片机。

3.2软件设计

图2程序主流程图

如上图所示，调理成标准脉冲信号的转速信号由单片机的捕获中断进行计数，采用测周算法，并对多次测量结果进行平均，计算出转速，同时在捕获中断中通过程序判断出转速是否为低速（转速<60r/min），而由AD模数转换的转速信号通过butterworth滤波算法处理后也计算出转速，在时钟中断中由低速的判断标志来选择最终测量转速采用滤波算法计算后的结果还是捕获中断计算后的结果。

4误差及分析

汽轮机带负荷运行时转速都较高，如果发生故障甩负荷将有可能瞬间转速飞升而造成飞车事故，所以在汽轮机运行安全保障中对转子转速的监视非常重要，对转速的测量精度要求也很高，一般要求±1r/min以内。

磁阻或涡流传感器得到转速信号都不是标准脉冲信号，在传感器采集信号的过程中和信号传输到测速设备的过程中都会存在大量干扰信号，这将会对测速的准确性造成影响。

由于磁阻传感器的工作特性，其低转速（0～30r/min）时的输出信号较差，也将影响到低速测量的准确性。

为了解决这一难题，本设计中首先在硬件设计上对原始信号进行了放大，滤波，AD采集、比较整形、锁相环等处理，同时在软件上对转速信号进行了分段处理，低速时用软件滤波算法计算转速，高速时用捕获计数、测周、平均算法计算转速，实现了转速的精确测量。

5结束语

通过本文所述的测量方法及相应电路设计出来的测速设备，可实现汽轮机转速1～15000r/min的精确测量，转速误差±1r/min，并已通过大量工程项目应用得到验证，此测速设备具有成本低、精度高、响应快、性能稳定、抗干扰能力强、用途广（涡流、磁阻传感器均可适用）等优点，非常适用于汽轮机安全保护系统中的转速监视。

参考文献

[1]张东风，李宏毅.电涡流传感器在发电厂中的应用[J].计量与测试技术，2010

[2]陈辉，钟以波，顾军基于电涡流传感器测量汽轮机转速的研究[J].传感器世界，2011.11

[3]何立民.单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993

论文作者:游滔

论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期

论文发表时间:2020/4/20

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