摘要：本文主要对比几种常用转速探头的技术特性和使用要求，论述各种探头的使用场合，为汽轮机转速检测系统故障分析和设备选型提供一些建议和意见，希望能对各位读者有所帮助。
关键词：转速；对比；汽轮机；磁电式；磁敏式
Classification and Application of Common Sensors for Gas Turbine Speed Measurement
JiKe
（Inner Monglia Datang International Tuoketuo Power Generation Co.Ltd.，Tuoketuo，010206，China）
Abstract：This paper mainly compares the technical characteristics and usage requirements of several common rotating speed probes，discusses the use of various probes，and provides some suggestions and opinions for the fault analysis and setting selection of steam turbine speed detection system，hoping to help readers.
Keywords：Speed；Comparison；Turbine；Magnetic type；Magnetosensitive
1、背景
东方汽轮机厂600MW汽轮发电机组转速测量系统由标准134齿的齿轮盘和电气测量回路组成，测速齿轮盘安装于汽轮机高压缸侧轴的自由端。托电公司杭汽和西门子小汽轮机转速测量系统都是由60齿的齿轮盘和电气测量回路组成，测速齿轮盘安装于小汽机轴的自由端，采用矩形齿，但两个厂家的测速盘的模数不一样，齿高不一样。
汽轮机测速传感器从工作原理上讲，共分为三种：电涡流式传感器、磁电式传感器和磁敏式传感器。三种传感器的原理和结构不同，安装技术上也有区别。本文通过对现有设备的总结和分类，综合分析汽轮机测速系统中的关键技术，努力做到对汽轮机转速系统的全面了解。
2、三种类型测速探头的原理和结构
2.1电涡流转速传感器
在电涡流传感器的线圈中通以高频震荡电流，线圈周围产生高频磁场。该磁场在靠近的导磁金属部件的表面产生电涡流，电涡流形成的磁场与线圈的磁场方向相反。两个磁场相互作用，改变涡流传感器的电参数。通过测量电参数的改变，转换成位移量的改变或获得脉冲信号。
美国Bently本特利3300XL8mm电涡流传感器系统由3300 XL 8mm 探头、3300 XL 延伸电缆、3300 XL 前置器三部分组成，如图2.1所示。系统输出正比于探头端部与被测导体表面之间的距离。它既能进行静态（位移）测量又能进行动态（振动）测量，主要用于油膜轴承机械的振动和位移测量，以及键相位和转速测量。
2.2磁电式转速传感器
磁电式转速传感器的基本原理是电磁感应。磁电式转速传感器由铁芯、磁钢、感应线圈等部件组成的。当测量对象转动时，转速传感器的线圈会产生磁力线，齿轮转动会切割磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产生电动势。
图2.1 电涡流传感器（网络配图）
磁电式转速传感器的感应电势产生的电压大小，和被测对象转速有关。被测对象的转速越快，输出的电压也就越大。但在被测物体的转速超过磁电式转速传感器的测量范围时，磁路损耗过大，使得输出电势饱甚至是锐减。就发电厂汽轮机转速而言，可能出现的最大转速在6000rpm以内，采用磁电式传感器，完全能满足生产实际需要。
图2.2 磁电式传感器（网络配图）
图2.2是常用的一种磁电式转速探头的外形结构。磁电式转速传感器具有很强的抗干扰性，能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作。磁电式转速传感器输出的信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件及表面有缝隙的转动体都可测量。
图2.3 磁电式传感器结构（网络配图）
图2.3是一种磁电式转速传感器的安装后的剖面示意图。磁电式转速传感器采用两线制，运行过程无需供电，完全是靠磁电感应来实现测量。它的结构紧凑、体积小巧、安装使用方便，成本低，可以和各种二次仪表搭配使用。
2.3磁敏式转速传感器
托电公司使用的磁敏转速传感器有两种：epro PR9376转速探头、德国Siemens AG生产的转速探头A5S31N3/L-KLT。二者在外形结构上有所区别，但基本原理是相同的。磁敏式转速传感器一般采用三线制，分别是电源线、信号线和公共线，这与磁电式转速传感器是不同的。以epro PR9376为例，介绍磁敏传感器的原理。
PR9376传感器的前端是一个差动式敏感元件。测量头是由两个磁敏半导体电阻组成的差速传感器。输出信号为边沿陡峭的脉冲电压信号，因此与电子设备配合能够对低触发频率进行测量。这与磁电式传感器是完全不同的。也就是说，在低转速测量时，只能应用磁敏式传感器。
磁敏元件是一种电阻随外加磁场变化而变化的元件，称为磁敏电阻或磁阻。元件中有1个永磁体与2个磁敏电阻，永磁体磁场为上下方向，在永磁体上极面有绝缘基板，基板上装有两片参数相同的磁敏电阻MR1与 MR2，2个磁敏电阻串联，共3个引出脚。
图2.4 epro PR9376
图2.5磁敏式传感器原理图
从磁敏转速探头的内部结构我们可以看出，探头安装时，必须要使测速齿轮盘的齿牙沿着两个磁敏电阻的共同对称中心线方向通过，也就是按着让齿牙先经过一个磁敏电阻后再经过一个磁敏电阻的方向安装。如果探头的安装方向使得齿牙同时经过两个磁敏电阻，那样，差动电桥将因两个磁敏电阻的变化一致而没有差动信号输出，探头将无法测速。
3、三种转速测量传感器的安装注意事项和常见故障
电涡流转速传感器和磁电式转速传感器的安装，关键是调整探头端面与齿轮盘齿顶的间隙。该间隙都为1mm，正好能让1mm的塞尺顺利通过即可。
电涡流传感器的线圈部分被整体封装。通常，只要没有机械损伤就不会故障，但机械损伤对探头来说是不可修复的。实际应用中，探头非常容易受到机械损伤，特别是在探头的安装过程中。根据多年工作经验，建议技术人员一定要用大小合适的呆扳手来紧固探头，坚决杜绝用小活口扳手。
电涡流传感器通常配有两个螺母，一个主要作用是固定，另一个的主要作用是防松，因此，这两个螺母要安装在固定支架便于操作的一侧。
电涡流转速传感器故障的原因一般都是机械损伤，都是在机组检修的拆装过程中发生的。也有因前置器内半导体元器件长期工作后特性发生变化，而导致输出参数异常的情况。这种情况对于发电厂技术人员而言，没有检修前置器的能力，只能换新。
磁电式转速传感的安装要求少，探头抗机械损伤的能力强，对安装工艺的要求低。
磁电式转速传感器的常见问题是测速不准，表现为转速往偏低方向摆动。该问题在托电公司三四期的四台汽轮机正常运行过程中都发生过。原因最可能是探头的安装间隙不合理，没有控制好1mm的间隙要求。这跟技术人员素质和现场实际工作环境有关。由于信号传输回路或检测模件的问题而导致测速故障的现象很少见。
图3.1（来自飞利浦epro产品说明）
磁敏式传感器安装关键技术有二。一是探头与齿轮盘齿顶间隙要控制为1mm；一是探头的安装方向一定要让方向标记沿着汽轮机轴向，至于向轴的那个方向，就没有要求了。对于epro PR9376探头，其标记为一小点或一凹槽。对于德国Siemens AG生产的转速探头A5S31N3/L-KLT，其标记为两个凹槽，位于探头的两侧。
磁敏式传感器内的结构相对以上两种传感器而言，较为复杂，采用了放大电路、磁敏电阻和平衡电桥，因此，这些元器件的异常情况都会导致探头不能正常工作。但最常见的故障原因还是安装间隙不合理，间隙太大，导致信号太弱而不能被检测到，转速显示偏低或向偏低方向摆动。
4、总结
电涡流测速系统可靠性好，系统精度高，测速范围广。因为需要配前置放大器，所以结构相对复杂，成本高。探头机械强度差，安装工艺过程要求高。双螺母应在便于检修侧安装，安装过程中要用大小合适的呆扳手。
磁电式传感器采用两线制接线，结构简单，机械强度高，安装工艺工程要求低，可靠性高，使用成本低。测速范围广，但过高、过低转速不能测量，特别是低转速测量，比如汽轮机零转速和盘车转速的测量，就不能用磁电式传感。
磁敏式传感器采用三线制接线，内部使用磁敏电阻和差动平衡电桥，测速范围广，特别是低转速测量性能好，成本相对磁电式传感器而言较高，在发电厂汽轮机低转速测量中应用广泛。由于探头内部元器件相对复杂，可靠性相对降低。安装工艺要求相对较高，特别是方向标记的存在，要求技术人员对探头的特性有相当的了解，否则极易安装错误。
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作者简介：
纪科（1986年-），男，内蒙古呼和浩特，工学学士，工程师，内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司、内蒙古呼和浩特托克托县工业园区托电公司、火力发电厂热工设备的优化及管理
论文作者:纪科
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：转速论文; 传感器论文; 磁电论文; 测量论文; 汽轮机论文; 涡流论文; 电阻论文; 《电力设备》2019年第6期论文;