信号元件课件.ppt

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%nr 时，发出飞逸信号，命令机组事故紧急停机； 当n≥115%nr 时，发出过速信号，命令机组事故停机； 当n≥80%nr 时，发出信号，命令同期投入； 当n≤35%nr 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：,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,,,,,,,,,,,M1,M2,M3,,转速信号,t,,,,,,n1=M1/T,,,,,,n2=M2/T,n3=M3/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=πd/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T[k]，则此时机组转速为n[k]=D/T[k]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Tn，并由此计算机组转速n=KY/Tn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BT1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1KA1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BT2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2KA1闭合，AS电铃发出音响信号，另一对接点2KA2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）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T2T1时，处于较高温度区（T2）的电子能量就大，因此也就会向较低温度的低能量区（T1）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。

T2端称为热端（或工作端）；T1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T2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）差压变压器有三个绕组（原边N0，副边N1，N2）当铁芯P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Ui（交流1—3KHZ等幅）的作用； 两个完全相同的副边线圈N1和N2（N1=N2）感应出电压U1，U2； 则：差动接线的传感器输出电压 U0=U2-U1 当铁芯处于中间位置时，副边线圈N1和N2通过的磁力线相等，故 U10=U20，有U0=U20-U10=0。

当铁芯P向上运动时， N1和N2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ΔX位移的N1线圈降低ΔU，即U1=U10-ΔU； 靠近铁芯ΔX位移的N1线圈增加ΔU，即U2=U20+ΔU； 则输出电压为： U0=U2-U1=（U20+ΔU）-（U10-ΔU）= 2ΔU 铁芯P相反运动时有： U0=-2ΔU,通过上述分析可知（如图）：差动变压器输出电压U0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（U1，U2）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： ΔX=KU0,4）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：,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EH（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： EH=K*B*I,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EH是由这两个磁场的差所形成因此有： EH=K1*ΔX,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h1hh2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1KA1保持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：,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。