机械工程师应懂的仪控知识
机械工程师应懂的仪控知识
若想成为一名优秀的故障诊断专家，无论做故障诊断还是日常检修中，不仅要有足够的机械方面的知识，更要有电仪与工艺流程方面知识 ，这样我们看问题才能更全面，同时也能更好的和各专业的同事做相关的问题探讨 ，形成一个强有力的团队 。
1．什么是转子零点 ？如何安装位移探头？
根据API标准，规定转子推力轴承中间位置为机械零点 ，一般采用打表推到中间位置，或者推向其中一边再加上推力轴承间隙的一半对应的电压亦可 。例如通过推拉得知某转子的轴向间隙为0.34mm, 若采用直径为8mm的涡流式位移（1mm=7.87v） ，若转子不方便推向中心位置，如何设置零点？
我们同样可以考虑将转子推向一侧，例如远离探头侧（系统中一般规定远离探头为正，靠近为负，也有相反规定的，需要注意查看），那么此时对应的电应为-10+（-0.34/2*7.87）=-11.34V,此时DCS显示的值为0.17mm。
根据电涡流传感器特性曲线 ，取决于所选探头直径的不同，一般频响适用范围0-10KHz(不利于高频信号的采集),用于测量的振动传感器最大量程不能大于2.5mm，在0.3~2.8mm(间隙电压2~16V)范围内线性度最好，故安装时一般静态调整到10V左右；
涡流式探头使用直流电源为24V ，为了避免正电压的干扰，常常采用正极做地 ，进而显示电压为负值。故而涡流式传感器使用电压范围-24V~0V；
间隙电压绝对值越大，距离越大；
对于测量回路 ，会输出4-20mA模拟量到BN3500数据卡转换为数字量 。
图1 测量计算 图2，测量回路简图
2．涡流式传感器如何工作的 ？有何用途？测量轴向位移与轴振动 ，键相，速度的探头一样吗？
图3，4 涡流式传感器及前置器
图5 涡流式传感器信号值 图6 涡流式传感器性能曲线
传感器探头里有小型线圈 ，由控制器控制产生震荡电磁场，当接近被测物体时（轴） ，被测体表面会产生感应电流，而产生反向的电磁场，这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测物体之间的距离，这种现象称为电涡流效应 。。
该感应信号包含静态信号（直流部分DC）与动态信号（交流部分AC）,选用不同的转换器，我们就可以得到位移值（DC）,振动（AC）,转速（间向电压突变次数计算），键相等信息 。
图7 Tk3 探头矫正仪 图8 涡流式探头适用场合
为了避免交叉感应 ，两个传感器安装时不能靠的太近，一般建议至少大于40mm；
振动探头可以每年进行一次校正 ，使用脉冲发生器TK3工具。既能确认静态数据（电压与间隙线性度），又能确认动态数据（振动测量精度）；
探头的前置器一般提供探头需要的电源，对信号进行放大 、检波和滤波等。前置器检测电路检测探头线圈的感抗变化 。再经放大电路将感抗变化量变换放大成相应电压变化信号输出。经数据采集仪进行转换，根据测量的要求将其输出电压的直流部分用做位移量的检测，交流部分用做振动值的检测；
测振与测位移的探头直径不一样 ，在我们工厂中振动常常选用直径为8mm的探头（测量范围2mm），位移常选用直径为11mm的探头(测量范围4mm),二者延伸电缆长度也不一样，前置器型号不一样（适用范围不一样），一般测位移探头不建议转化为测振探头使用；
振动信号真伪判断：-根据间隙电压判断，振动与电压是否一致 ；支架是否存在共振；壳振与轴振是否变化趋势一致 。
3. 振动测量的回路都包含什么 ？
包含涡流式传感器 ，延伸电缆，接线箱（前置器），转换/过滤转换数据采集卡 ，显示屏以及数据分析软件/平台 。
图9&10 振动安装及测量回路
测量回路的电缆长度不可随意改变 ，避免较小弯曲半径 。
4. 常用的振动探头种类与适用场合？
实际生产运营中 ，我们常采用位移探头，速度探头和加速度探头来得到位移，速度及加速度三种振动信号，不同的探头适用于不同的工作对象 ，比较如下：-
图11&12 常见加速度探头及内部构造
图13 加速度，速度，位移探头频响适用范围
注意：-加速度探头有温度使用范围要去，一般用在-50~120C工作环境中，温度太高会出现滑雪坡信号甚至损坏探头 。
5. 安装轴承温度探头注意事项？
图14&15 温度探头安装图示
a.为了监测到轴承运行中最容易损坏的点，也就是温度最高的区域/油膜压力最高的区域 ，必须将轴承温度探头插入到主受力区域 ，对于可倾瓦，要插入到主受力瓦的油出口侧—75% 弧线位置处，探头位置距离巴氏合金 。
b.对于载荷作用于瓦块上的轴承 ，应考虑安装双支三线温度探头或在主受力瓦块两端安装两个单支三线探头；对于载荷作用于两瓦块之间的轴承 ，轴承温度应在两瓦块上各装一个，一用一备。
c.温度探头若不能很好的固定 ，将会松动或被磨损，导致测不出准确的温度 。常用的固定温度探头的方式有两种：-
使用弹性卡子将探头固定在轴承上，若没有卡子使用电工胶布或木签作为临时措施；
使用密布的电线卡子将温度线固定下来，一定的预紧力使探头不易滑出来。
图16 温度探头固定卡
6. 常用的温度探头种类？潜在的问题是什么？
Thermocoupleand RTD(Resistance temperature detector) 有三根引线的是RTD, 有两根引线的也可能是RTD（两根蓝色线合并在了一起） ，只有两极的是热电偶 。
图17 热电偶及其连接方式
图18 热电阻及其连接方式及铠装（常见的是单支三线）
常用的温度探头有两种 ，一种是热电阻，一种是热电偶 ：-
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，利用热电阻材料在不同温度下阻值不同的原理 ，常用的是铂热电阻PT100(在0摄氏度的温度下该热电阻阻值为100欧，随温度升高，阻值增大 ，测量范围-200~420度 ，分辨率小于1度)；一般有两种通讯方式，一种是直接输入电阻信号 ，另一种是在现场通过温度转换器，热电阻输出信号将为4-20mA输出电流。
热电偶测量温度的基本原理是热电效应 ，将两种不同的导体焊接在一起，靠测量正负极的电势差 ；常适用于温度较高的工作环境中，K形常用于-40~1200degC；B形用于0~1800度 。热电偶取源部件的安装位置，宜远离强磁场 ，使用热电偶 、热电阻测温时，应防止干扰信号的引入。表面温度计的感温面应与被测表面紧密接触，固定牢固 。热电偶都是4-20mA信号 。
图19&20 两种常见温度变送器
图21 温度传感器常见输出回路
常见的故障及排除方法如下：-
7. 什么是调速阀的PID ？
图24&25 阀门调节控制回路
如何快速 ，精确，稳定的控制转速是我们设备稳定，工艺稳定运行至关重要 ，
PID是Proportion(比例), Integral（积分）, Derivative（导数）的英文字母缩写，
P值 ：P值太大，可以使响应速度变快，但可能出现过冲，流量波动，控制不稳，阀门剧烈抖动等现象。P值太低则响应缓慢 ，控制不稳。
D值：D值太大，可以降低过冲的幅度，但可能使响应速度变慢，阀门剧烈抖动。D值太低则容易过冲，控制不稳。P和D同时很大 ，会使阀门剧烈抖动。
I值：在PD2I模式中，一般D值较小，I值较大，以P值和I值主导控制。I值太低则调节周期长，调节缓慢 。I值太大则调节周期短，调节速度快 ，但可能使阀门剧烈抖动。
阀门PID如何调整？Tn为积分时间（复位时间） ，Kp是比例增益 。一般D不参与控制 ，仅仅控制PI即可。
8. 振动出现毛刺会是什么原因？
若振动出现小于1秒的振动毛刺，可能的原因有信号干扰 ，静电干扰，轴表面划痕 ，轴剩磁影响等 ，也就是说只要能影响测量回路感应电流变化的因素都会导致振动毛刺。
其中信号干扰的来源很多 ，像来自外部（电力电缆，强磁装置 ，电话，对讲机，焊机等），静电干扰是由于内部产生的静电得不到及时导出而产生的局部放电 ，危害性很大，往往会导致静电腐蚀。
在安装检修的过程中，一定要注意保护振动测量部位 ，确保没有被损伤，一般要求 ，对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4~0.8um之间 ，对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4~1.6um (某压缩机推力盘跳动偏差0.03mm，运行时没发现大的偏差)。轴经过加工或大的检修后，一定要测量轴电跳动 ，确保转子剩磁小于5高斯。
转子轴颈的晃度 ，或称为轴的径向偏差 ，是机械偏差（时域谱中振动出现周期性波动）和电气偏差（频域中出现2X,4X,6X）的总和。在API标准中规定晃度不能超过允许振动位移的25%或6.4um，二者取大 ，转子晃度可以在低速平台上通过涡流式传感器检测振动测出 。
信号干扰：-振动小于1s波动，往往单通道偶然性发生，发生频率较低，不会导致实体损伤；频谱中会出现滑雪坡信号特征；
静电腐蚀：-振动小于1s波动，往往多通道频繁发生，会造成实体损伤 ，轴心轨迹会出现随机，不定方向的毛刺。
静电也会产生信号干扰，因为静电放电过程是电位、电流随机瞬时变化的电磁辐射过程。无论是放电能量较小的电晕放电，还是放电能量较大的火花放电，都会产生电磁辐射。
9. 案例分享
案例1. 一个运行的离心式二氧化碳压缩机，高压缸推力轴承温度与径向轴承温度在1.5个小时内温度分别有95升到142度，93度升到145度。在此期间压缩机振动 ，油温油压，工艺参数，轴向位移等均无变化，现场紧急检查温度测量回路并更换了温度变换器 ，温度恢复正常。
图26 红色与粉色线为轴承温度
案例2. 某工厂整体离心式压缩机 ，三级振动出现周期性振动波动，频谱中出现滑雪坡信号特征。初步判断为信号干扰，并且发现振动波动发生频率与油温有一定关系，推测油温改变了油膜厚度 ，油温升高油粘度降低 ，油膜厚度变小，进而创造了静电释放的条件，静电释放产生电磁干扰 。（备注该案例还需进一步跟踪查看）。
图27 蓝色与绿色线为压缩机三级振动
备注 ：信号干扰，静电干扰比较难于区分，很多时候我们先确认是不是机械方面原因导致的振动波动，进而采取必要的检查，测量与避免手段。