信号元件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.,辅助设备的自动控制,水电站的辅助设备主要是指提供主设备正常运行条件的油、气、水系统。其中包括：水轮机进水阀及其操作系统、油系统、压缩空气系统、技术供水系统和排水系统等辅助设备。辅助设备是水电站整体的组成部分，是为了水电站和主机的运行服务而设置的。,5.1,自动控制的信号元件,信号元件包括有：转速信号器、温度信号器、压力信号器、位移信号器和液压信号器等，用于水电站运行中各种运行参数（物理量）的测量与指示。其中：,信号器是对物理量进行的测量与指示的元件；,变速器是将测量的物理量线性的转换为标准电信号的器件；,仪表是信号检测、变速、控制及指示为一体的装置。,信号元件是水电站自动化系统的基本部件，是水电生产过程实现自动化的基础。,（,1,）转速测量与转速信号,水电机组的转速测量对于水电机组状态检测和控制是十分重要的，其测量精度及其可靠性直接关系到水轮机调节的性能和水电机组运行的安全性。,转速信号器是用于测量反映机组运行状态的一个重要参数,转速,n,，并能够在机组转速到达所设置的转速值发出相应的信号，用于对机组进行自动操作和保护。如：,当,n,140%,n,r,时，发出飞逸信号，命令机组事故紧急停机；,当,n,115%,n,r,时，发出过速信号，命令机组事故停机；,当,n,80%,n,r,时，发出信号，命令同期投入；,当,n,35%,n,r,时，发出制动信号，对机组进行刹车。,齿盘测速是一种常用的水电机组测速方法，其原理是在水电机组的转轴上安装环形齿状设备（齿盘），当机组旋转时通过接近式或光电式传感器感应产生反映机组转速的脉冲信号，由计算机测量脉冲个数（或宽度）并计算获取机组转速。由于齿盘测速是一种转速的直接测量方式，其可靠性和安全性明显高于残压测速。齿盘测速的示意图如下：,一般采用的齿盘测速原理为频率法和周期法两种：,齿盘,传感器,计算机,基于频率法的转速测量,这种方法的基本原理是：当机组转速变化时，在单位时间内通过传感器测量的脉冲个数也会随之而变化。,设：齿盘的齿数为,N,；在单位时间,T,内测量通过传感器的脉冲个数为,M,，则：机组转速,n=K*M/T,。,其中：,K,为折算系数；齿数,N,取决于对转速测量精度要求和加工工艺的限制；测量周期,T,则取决于对测量精度要求和测量速度要求的协调，,T,越大，精度越高，但速度则越慢。这种方法简单、可靠，对齿盘加工的精度要求不高，并且能方便地测量机组的蠕动。但存在测量精度不高和反应速度慢的缺点。,传感器信号,t,t,测量周期,T,T,T,M,1,M,2,M,3,转速信号,t,n,1,=M,1,/T,n,2,=M,2,/T,n,3,=M,3,/T,基于周期法的转速测量,这种方法的基本原理是：当水电机组的极对数为,p,时，将外径为,d,的齿盘加工成,N,个齿，其标准齿加工间距为,D=d/p,。当机组旋转时，各齿边沿通过传感器感应产生其周期依据转速变化的脉冲信号，信号周期将受机组转速和齿距,D,的影响。当通过计算机记录到第,i,个齿在第,j,圈通过传感器测量点的周期,Tk,，则此时机组转速为,nk=D/Tk,。,信号计数信号,传感器信号,t,Tk,Tk+1,Tk+2,nk=D/Tk,nk+1=D/Tk+1,nk+2=D/Tk+2,t,t,转速信号,由于,存在着齿盘的加工精度很难保证水电机组转速测量的精度要求的困难。为了解决这一困难，通常采用齿盘测速的双传感器策略，即沿齿盘圆周不同位置设置两个传感器，在已知两个传感器之间距,离,Y,的前提下，测量齿盘中各齿通过两个传感器的时间,T,n,，,并由此计算机组转速,n=KY/T,n,。,这种方法是通过两个传感器来消除齿盘加工精度等引起的测量误差，以满足水电机组控制对测速精度和实时性方面的要求。,齿盘,传感器,计算机,传感器,1,信号,测量计数,传感器,2,信号,整形,1,整形,2,信号综合,t,t,t,t,t,T,n,T,n,T,n,T,n,2,）温度信号器与温度传感器,在水电机组的及其辅助设备中，各发热部件和摩擦表面的工作温度均有一定的限制。若温度超过这个限度，则可能引起这些部件和摩擦表面烧毁。因此，必须对发热部件和摩擦表面的工作温度进行检测。被检测的部件和摩擦表面包括：,水轮机导轴承、发电机推力轴承和上下导轴承的轴瓦温度；,发电机线圈和铁芯的温度；,集油槽内的油温和空气冷却器前后的空气温度等。,当工作温度达到越限值时，温度信号器应自动发出信号。,以下介绍几种常用的温度信号器和传感器，及其工作原理：,电接点水银温度信号器,工作原理为：一定质量的水银的体积随温度的变化而变化，且水银具有导电性。以下为采用两只水银温度信号器的温度报警和保护原理图。,1BT,1,2BT,1,1BT,2,2BT,2,1SL,2SL,1RD,2RD,1QK,2QK,1KA,2KA,AS,1KA,1,2KA,1,3QK,220VAC,+,HL,-,BT,BT,2,BT,1,BT,温度信号器；,KA,电流继电器；,QK,开机信号继电器；,AS,警报铃；,HL,电源指示灯；,SL,，,RD,信号灯。,温度报警：,当两只信号器中任一只的温度超过报警值（,60,C,）时，其接点,BT,1,被水银柱接通，相应的信号灯,SL,亮，同时继电器,1KA,动作，其常开接点,1KA,1,闭合，,AS,电铃发出音响信号；,温度保护：,当温度达到事故值时，温度信号器的接点,BT,2,被水银柱接通，相应的信号灯,RD,亮，同时继电器,2KA,动作，其常开接点,2KA,1,闭合，,AS,电铃发出音响信号，另一对接点,2KA,2,则动作于事故停机，以保护机组安全。,注：机组运行时，其断路器辅助接点,QK,闭合。,热电阻传感器,热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的金属导体或半导体材料制成的感温元件。当温度变化时，电阻相应也发生变化。通常，大多数金属当温度升高,1,C,时，其阻值要增加,0.4,0.6%,；而半导体的阻值要减少,3,6%,，即某些导体或半导体的阻值是温度的函数,R=f(T),。只要事先知道这种关系，而且能够把阻值测量出来，由此就可以测量导体或半导体周围介质的温度。,在水电站自动化中常用的有由铂、铜、镍等金属材料制成的热电阻。其中：,铂金属在高温下的物理和化学性质稳定、精度高，使用范围为,-200,+500,C,；,铜金属的电阻值与温度的关系基本是线性的，价格便宜，使用范围为,-50,+150,C,。,热电偶传感器,热电偶是目前测量温度领域中最广泛的敏感元件。其特点是：体积小、热容量和热惯性小，可用于快速测温。,热电偶是由两种成分不同的导体,A,和,B,连接在一起构成的感温元件（如图）。,T,1,T,2,A,B,当导体,A,和,B,的两个接点,1,和,2,存在温差时，回路中将产生感应电势，这种效应称为热电效应。,热电势由接触电势和温差电势组成，其中：,接触电势是由于,A,与,B,的金属材料不同，使其内部的电子浓度不同，发生自由电子的迁移而产生的电位差。当温度不变时，接触电势为常数；,温差电势是由于金属两端的温度不同而产生的电动势。如图，当,T,2,T,1,时，处于较高温度区（,T,2,）的电子能量就大，因此也就会向较低温度的低能量区（,T,1,）运动。当温度差一定时，而产生一定值的电位差，即温差电势。,综上所述，热电偶回路中热电势的大小只与组成热电偶的材料和两端的温度有关，与热电偶的尺寸无关。当构成热电偶的材料确定后，热电势的大小仅与热电偶两端的温度有关。这就是热电偶的热电特性。,在热电偶回路中，,A,和,B,两种导体称为热电极。,T,2,端称为热端（或工作端）；,T,1,端成为冷端（或自由端）。当自由端的温度为常数时，则热电势就与工作端的温度,T,2,建立起相互对应的关系。有了这种关系，只要测得两端的电势，就可得被测介质的温度了。这就是热电偶测温的基本原理。,3,）线性位移传感器,在水电机组的自动检测与控制中，经常需要测量机械位移（如主接力器行程等）。所谓线性位移量是指被测部件的相对位置与参考点之间距离所产生的相对变化量。,差压变压器式位移传感器是一种利用互感原理制成的位移传感器，即是一种利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的装置，主要由线圈和铁芯构成（如图）。,N,0,N,2,N,1,U,i,U,2,U,1,U,O,P,P,差压变压器有三个绕组（原边,N,0,，副边,N,1,，,N,2,）。当铁芯,P,在线圈内左右移动时，由于磁通的变化，从而改变了原边、副边线圈之间的互感量，,原边线圈受到激磁后，副边线圈所产生的感应电动势也随铁芯的位置的不同而相应改变，有一一对应关系。,设：原边受到激磁电压,U,i,（交流,1,3KHZ,等幅）的作用；,两个完全相同的副边线圈,N,1,和,N,2,（,N,1,=N,2,）感应出电压,U,1,，,U,2,；,则：差动接线的传感器输出电压,U,0,=U,2,-U,1,当铁芯处于中间位置时，副边线圈,N,1,和,N,2,通过的磁力线相等，故,U,10,=U,20,，有,U,0,=U,20,-U,10,=0,。,当铁芯,P,向上运动时，,N,1,和,N,2,的磁通均发生变化。此时，两个副边绕组所产生的感应电势不再相等：,偏离铁芯,X,位移的,N,1,线圈降低,U,，即,U,1,=U,10,-,U,；,靠近铁芯,X,位移的,N,1,线圈增加,U,，即,U,2,=U,20,+,U,；,则输出电压为：,U,0,=U,2,-U,1,=,（,U,20,+,U,）,-,（,U,10,-,U,）,=2,U,铁芯,P,相反运动时有：,U,0,=-2,U,通过上述分析可知（如图）：差动变压器输出电压,U,0,的大小和方向反映了铁芯,P,位移的大小和方向。,虽然单个线圈的感应电势（,U,1,，,U,2,）与铁芯,P,的不具有线性关系，但将两个线圈差动连接后，其感应电势的差值与铁芯位移就成为线性关系：,X=KU,0,电压,U,位移,Y,U,1,U,2,U,0,0,4,）压力传感器与压力信号器,压力信号器用于监视油、气、水系统的压力。在机组制动系统压力油槽、技术供水及气系统上均装有压力信号器，以实现对压力值的监视和自动控制。,筒式压力传感器,这种压力传感器主要由一个薄壁金属圆筒（又称弹簧管）和两对水银开关接点组成。其中弹簧管是一根中空的椭圆截面，并弯成圆形的金属管，且管的一端开口，一端不通。,压力,P,d,D,固定端,自由端,压力,P,水银开关,磁钢,动作原理：被监测的气体经管开口引入管内，在压力,P,的作用下，由于管内、外侧的面积不相等，管外表面的圆周方向和轴向均产生应力，使管子的自由端移动。两个方向的应力为：,圆周方向的应力,轴向的应力,在压力,P,的作用下，管子的自由端移动通过连杆传动机构带动水银开关，当被测压力,P,达到上、下限值时，水银开关断开或闭合。,电接点压力信号器,这种信号器由弹簧管和相应电路组成，用于指示被测气体压力，并在压力达到上、下限值时，发出信号。双位置控制的接线原理图为：,M,MF,a,b,c,A,B,C,u,2,+,-,1K,2,MF,u,1,-,+,P,2,P,1,2K,1,1K,1,1K,2K,接点,位置,1K,动作,2K,动作,P,1,P,2,电感式压力变速器,压力变速器是一种将被测介质的压力值转换成为电气信号的装置，用于进行压力的员距离测量、集中检测和自动记录。,电感式压力变速器主要由弹簧管和电感式位移变换器组成，其工作原理为：被测压力作用于弹性元件产生位移，然后由电感式位移变换器将位移线性地转换成为电气信号。,弹簧管,压力,P,电感式,位移变速器,位移,X,X=K,1,P,电压,U,U=K,2,X=K,1,K,2,P=KP,压力,P,电感式位移变速器,弹簧管,霍尔元件式压力变送器,霍尔元件式压力变送器主要由弹簧管、霍尔元件和放大电路组成，其工作原理为：被测压力作用于弹性元件产生位移，然后由霍尔元件式位移变换器将位移线性地转换成为电气信号。,弹簧管,压力,P,霍尔元件,位移,X,X=K,1,P,电势,E,H,E,H,=K,2,X,放大电路,电压,U,U=K,3,E,H,压力,P,霍尔元件,弹簧管,霍尔元件是利用霍尔效应将位移线性地转换成为霍尔电势。,霍尔效应：如果把制成薄片的半导体材料（霍尔元件）放在磁场中，并使磁场与霍尔元件的平面垂直，当,1,，,2,端通过电流,I,时，在即和电流方向垂直，又和磁场方向垂直的方向上，即在,3,，,4,端产生电势,E,H,（称为霍尔电势），其值与磁场强度,B,和电流强度,I,之积成正比：,E,H,=K,*,B,*,I,I,B,E,H,S,S,N,N,X,应用霍尔元件在磁场中的不同位移时，对应不同的霍尔电势这一原理，构成了位移,电势变换。此元件的电势极按磁场内磁感应强度的大小，感应出不同的电势。,为了在空隙中构成梯形磁场，通常由四个磁极构成，分别形成向下和向上的两个磁场。霍尔电势,E,H,是由这两个磁场的差所形成。因此有：,E,H,=K,1,*,X,5,）液位信号器,用于监视机组推力轴承油槽、上下导轴承油槽以漏油槽的油位，并可用于对机组顶盖漏水、集水井排水及机组调相运行时转轮室等处的液位进行监视和自动控制。,浮子式液位信号器,这种液位信号器主要由浮子、磁钢、导管和水银开关组成。当液位到达设定值时发出信号。,浮子,磁钢,水银开关,导管,动合片,A,动断片,B,动触片,C,当磁钢接近水银开关时，在磁场的作用下，动触片和静触片产生极性相反的,N,极和,S,极，结果,A,被吸引与,C,接通，与,B,断开；当磁钢移开时，动触片复归。,电极式水位信号器,利用水的导电性原理工作，并靠电极监视水位的高低。下图是以电极式水位信号器构成的调相压水控制接线图。,控制压缩空气排水，以限制水位保持在,h,1,hh,2,。其中：,2KA,调相运行接点；,1KA,电流继电器，其接点闭合时，使调相供气管路上的电磁,阀开启，并使,1KA,1,保持。,U,T,220/24,2KA,1KA,1KA,1,h,2,h,1,6,）液流信号器,用于对管道内的流体流通情况进行自动监视，当管道内流量很小或中断时，可自动发出信号，投入备用水源或作用于停机。主要用于发电机冷却水、水轮机导轴承润滑水及其它却水的监视。,冲击式示流信号器的结构如图所示：,Q,浮子,管道,磁钢,水银开关,动作原理：有水流时，借助水流的冲击，将浮子及磁钢推动上升到一定位置。使水银开关的常闭接点断开；如果水流减少到一定程度或中断，则浮子及磁钢下降，使水银开关接点闭合，从而发出断流信号。,7,）油的作用与油混水信号器,油混水检测水轮发电机油系统中，混入回油箱或漏油箱内水的含量，当油箱内混入的水分超过一定限量时发出信号。,油在水电设备运行中的作用为：,润滑作用,在轴承或滑动部分间造成油膜，以润滑油内部摩擦代替干摩擦，从而减少部件的发热和磨损。,散热作用,设备转动部件因摩擦所消耗的能量转变为热量，使温度升高，对设备的功能和安全造成影响。油可起到散热作用。,摩擦,润滑油,传递热量,传递热量,冷却器,冷却水散热,润滑油循环流动,冷却水循环流动,液压操作,透平油可以作为传递能量的工作介质。在水电站有许多设备，如调速器、进水阀、液压阀等都是通过高压油进行操作。,在油的使用过程中必须防止油的劣化，避免使油丧失其应有的效能。水分是造成油劣化的主要原因。油在运行或储存过程中。会因潮气或漏水侵入而产生水分，使油乳化而丧失其应有的效能，并增加腐蚀性。,油混水信号器的工作原理：在回（漏油）箱的底部装有一对电极，利用油和水的导电率、比重不同，通过电极发出信号，如图。,在油箱没有浸入水的情况下，电极间因为油的导电率小，而不足以导通；混入水后，水因比重大而下沉，随着水量的增加，水将逐渐淹没电极，从而导致两个电极导通，形成电流回路。,油箱,油,水,电极,8,）剪断销信号器,水轮机调速器通过主接力器及传动机构来操作导叶，当其中某（几）扇导叶被卡时，用于该导叶传动的剪断销被剪断，从而不至影响处于联动情况的其它导叶的关闭。,剪断销信号器用于反映水轮机导叶连杆的剪断销事故：,在正常停机过程中，如果有导叶被卡，剪断销被剪断则发出报警信号。,在事故停机过程中，如果发生剪断销被剪断，则除发出报警信号外，还应作用紧急停机。,剪断销信号器通常采用脆性材料为壳体，壳内采用印刷电路，然后用环氧树脂封装（如图）。,接点式,常闭式,作业：,（,1,）简述水电机组转速测量的目的以及基于,双传感器测量的齿盘测速原理。,（,2,）在水电机组的停机过程控制时常需要测量机组的蠕动（频率小于,5Hz,）。试问：应采取何种测量方法？为什么？,（,3,）简述热电偶传感器的工作原理。,（,4,）采用霍尔元件式压力变送器测量某管道流体的压力。,已知：,霍尔电势,E,H,(,其中：,E,H,=K,1,*,X),；,弹簧管内径为,d,，外径为,D,；,弹簧管自由端位移与其圆周方向应力,1,和轴向应力,2,之间为线性关系,X=K,X,（,1,-,2,）。,试求被测流体的压力,P,。,（,5,）简述差压变压器式位移传感器的工作原理。,（,6,）下图是以电极式水位信号器构成的调相压水控制接线图，试说明其工作过程。,U,T,220/24,2KA,1KA,1KA,1,h,2,h,1,（,7,）简述油混水信号器的作用及其工作原理。,（,8,）简述剪断销信号器的作用。,