成 斌

上海電氣燃氣輪機有限公司 上海 200240

1 研究背景

傳感器是伺服控制系統(tǒng)的重要組成部件,用于檢測系統(tǒng)的實時狀態(tài),提供精確的反饋信號,并參與系統(tǒng)的控制[1-2]。線性可變差動變壓器(LVDT)屬于直線位移傳感器,在電力行業(yè)中,主要用于大型蒸汽輪機缸體熱膨脹及進汽調(diào)節(jié)閥門開啟位置的測量[3]。LVDT通常需要配套閥門卡,常用的閥門卡非常昂貴,并且必須在相應的集散控制系統(tǒng)軟件中使用,具有很大的局限性。LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)過調(diào)試,能夠直接輸出標準電流或電壓信號,信號通用于各類集散控制系統(tǒng)、可編程序控制器系統(tǒng)中,并且模塊成本相比閥門卡低很多。

筆者以某熱電聯(lián)產(chǎn)項目蒸汽輪機高中調(diào)閥為應用對象,介紹LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)試。

2 LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊簡介

LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊如圖1所示,由Schaevitz公司生產(chǎn),可用于德國標準化學會標準軌道安裝和特定外形的工業(yè)領域。這一模塊可以對線位移和角位移進行轉(zhuǎn)換,位移數(shù)據(jù)傳送至工業(yè)位置控制系統(tǒng)。LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊在設計時考慮了盡可能大的傳感器與系統(tǒng)兼容性,內(nèi)部電路由一系列增益、驅(qū)動電壓和振蕩器頻率組成,能確保與所有LVDT和角位移傳感器相兼容。LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊可以提供多個不同的輸入、輸出接口,用以滿足不同的可編程序控制器模擬輸入、輸出需求,可以實現(xiàn)單端電壓輸出,以便在最大程度上利用傳感器行程,同時簡化編程,無需信號處理。

圖1 LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊

3 調(diào)試準備

3.1 接線檢查

某熱電聯(lián)產(chǎn)項目蒸汽輪機采用無錫河埒6線制LVDT,引出線色標如圖2所示。

圖2 6線制LVDT引出線色標

LVDT本身是一個變壓器,通過鐵心的移動將被測位移量轉(zhuǎn)換為傳感器互感變化,使次級線圈感應電壓也產(chǎn)生相應變化[4]。當初級線圈通入交流激勵電壓后,兩個次級線圈中將產(chǎn)生交流感應電壓。接線時,將黑、藍端子在就地端子盒或數(shù)字電液控制系統(tǒng)機柜端短接,確保LVDT兩個次級線圈反向串接,接成差動式,即輸出電壓是兩個次級線圈感應電壓的差值。接線完成后的LVDT等效電路如圖3所示。

圖3 6線制LVDT等效電路

6線制LVDT的次級線圈引出線顏色并不完全與圖2中對應,可以通過測量反饋電壓的方式來確認次級線圈是否反向串接。通過LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊向初級線圈輸入交流激勵電壓,將鐵心置于LVDT套筒的某個位置不動,以在線性區(qū)內(nèi)為佳,分別測量兩組次級線圈的交流電壓Es1和Es2,即按圖3等效電路測量綠、紅端子產(chǎn)生的交流電壓。若為反向串接,則輸出電壓Es=|Es1-Es2|。若為正向串接,則輸出電壓Es=Es1+Es2,此時LVDT次級線圈引出線與圖2中不符,需要現(xiàn)場改線,如改為紅、黑端子短接,藍、綠端子作為輸出,直到測量值Es=|Es1-Es2|。

市場上還存在4線制和5線制LVDT,分別如圖4、圖5所示,其基本接線原理都是差動輸出,只是出廠時已做好了內(nèi)部短接。

圖4 4線制LVDT

圖5 5線制LVDT

另外,還需要注意鐵心的插入方向[5],必須按圖6所示安裝,否則在線性區(qū)間內(nèi)通過LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊無法測量到4～20 mA電流信號。

圖6 LVDT安裝

3.2 跳線設置

LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部有三組開關,對每組開關分別進行設置。

(1) 第一組撥碼開關的設置見表1。

筆者調(diào)試時,現(xiàn)場設置如下:增益1選擇0.4,增益2選擇低,信號頻率特性為1 000 Hz,無偏置。

表1 第一組撥碼開關設置

增益1和增益2的選擇見表2。

表2 增益1和增益2選擇

計算LVDT的滿量程輸出電壓,低壓抽汽調(diào)門LVDT的靈敏度為14 mV·(V·mm)-1,激勵電壓為3 V,測量量程為-50～50 mm,則滿量程輸出電壓Ufs=14×3×50=2 100 mV,落在1.20～2.50 V區(qū)間,所以增益1選擇0.4,增益2選擇低,相應的撥碼設置為6號ON、7號OFF、8號OFF。

(2) 第二組撥碼開關的設置見表3。

筆者調(diào)試時,現(xiàn)場設置如下:激勵頻率選擇2.5 kHz,激勵方式選擇內(nèi)部,激勵電壓選擇3 V,輸出選擇4～20 mA,不需撥碼,只需接線至指定端子。

激勵電壓和激勵頻率的選擇參照LVDT產(chǎn)品說明書,由廠家推薦。

表3 第二組撥碼開關設置

關于激勵電壓的選擇,需要注意核算LVDT的工作電流?，F(xiàn)場測量得LVDT的初級線圈電阻值為230 Ω,所以其工作電流為13 mA,小于LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的最大驅(qū)動電流(25 mA),說明LVDT在此激勵電壓下可以正常工作。對于小電阻初級線圈,選擇3 V激勵電壓時有可能會超過LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的最大驅(qū)動電流,此時應選擇1 V激勵電壓。

(3) 第三組開關為跳線開關,具體設置如圖7所示。

筆者調(diào)試時,現(xiàn)場設置為跳線1對應直流輸入電壓18～30 V,因為數(shù)字電液控制系統(tǒng)機柜向LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊所提供的是24 V直流電壓。

圖7 跳線開關設置

3.3 接線檢查

按圖8所示將數(shù)字電液控制系統(tǒng)與LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的1號、2號、3號、4號、13號、14號、15號、16號端子連接,屏蔽電纜接在數(shù)字電液控制系統(tǒng)機柜內(nèi)的接地銅排上。

圖8 接線原理

3.4 安裝位置檢查

LVDT套筒安裝位置不能太高,否則鐵心移動時有可能掉出套筒。對于初步安裝位置,以使閥門的行程落在LVDT線性區(qū)內(nèi)為最佳,之后可以通過鐵心上的固定螺母來精調(diào)。LVDT鐵心上刻有三個黑圈,中間的黑圈代表LVDT的電氣零位,當此黑圈剛好露出LVDT套筒時,兩個次級線圈上的感應電壓相等,上下的黑圈分別代表測量量程的上、下限。

將閥門置于全關位置,假設閥位行程為B,LVDT的線性區(qū)間為A,A>B,那么鐵心的最佳安裝位置應該是鐵心最下部黑圈露出套筒(A-B)/2的位置,這樣可以確保閥位行程B關于LVDT的電氣零位對稱。

LVDT次級線圈輸出特性如圖9所示,輸出電壓為差動輸出后的感應交流電壓有效值。

圖9 LVDT輸出特性

4 調(diào)試步驟

4.1 電氣零位調(diào)整

斷開LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊上與LVDT初級線圈、次級線圈的接線,拆除15號、16號電流輸出線,連接萬用表,通過LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊上的ZERO電位器,調(diào)整電流輸出為12 mA。

LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊通過反饋而來的次級線圈電壓換算出電流值,在電氣零位12 mA的基礎上進行加減,形成4～20 mA輸出。理論上50%閥位處,兩個次級線圈的感應電壓相等,差動輸出為0 V,LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊輸出電流值剛好為12 mA,即此時為LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的電氣零位值。這是最理想的情況,在此情況下,通過調(diào)整LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的PHASE和SPAN電位器,可以保證0%閥位對應4 mA,100%閥位對應20 mA。

導線傳輸模擬信號抗干擾能力較弱,通信系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲會導致通信質(zhì)量降低,微小的電壓信號還容易受到線路溫度的影響[6]。加上安裝誤差,實際上安裝的50%閥位很難做到與LVDT電氣零位重合,但這并不影響LVDT的使用。假設LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊與LVDT的配合最初是在理想狀態(tài),但實際安裝時可能會使50%閥位比LVDT電氣零位黑圈稍微高一點或低一點,假設50%閥位對應的電流值為13 mA或11 mA,那么通過線性換算,0%閥位對應5 mA或3 mA,100%閥位對應21 mA或19 mA,而集散控制系統(tǒng)只能接收4～20 mA標準電流信號,因此需要進一步整定。

4.2 相位調(diào)整

從次級線圈傳送至LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊入口的感應電壓為交流信號,沒有正負之分。假設沒有LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊,僅使用萬用表測量反饋而來的感應電壓,則能測出電壓值,且這一電壓值與偏移50%閥位的位移量成正比,也就是說,理論上75%閥位與25%閥位讀到的電壓值相等,但僅通過這一電壓值無法確認是75%閥位還是25%閥位。

LVDT線圈結(jié)構(gòu)如圖10所示,電氣原理如圖11所示,輸出信號如圖12所示。LVDT次級線圈1與次級線圈2的感應信號在相序上相差180°,鐵心靠左時,次級線圈1幅值小于次級線圈2,進行疊加后輸出波形為次級線圈2波形,幅值減小;鐵心靠右時,次級線圈2幅值小于次級線圈1,進行疊加后,輸出波形為次級線圈1波形,幅值減小。

圖10 LVDT線圈結(jié)構(gòu)

圖11 LVDT線圈電氣原理

圖12 LVDT線圈輸出信號

輸出電壓為交流信號,其幅值在一定范圍內(nèi)與鐵心的位移成線性關系,但不能確定鐵芯位移的正負方向[7]。如果在得到電壓值的同時了解當前波形,通過對比圖12就能明確是75%閥位還是25%閥位,這一過程稱為鑒相。

在LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊中,存在一個相敏檢波電路實現(xiàn)鑒相過程。將次級線圈感應波形作為被測波形,直接取初級線圈激勵信號作為參考波形。理論上初級線圈激勵波形與次級線圈反饋波形的相位為精確的同相或反相,但由于受電纜長度及LVDT自身制作工藝影響,次級線圈反饋波形的相位通常會漂移。為減小誤差,需要進行相移補償。通常電路設計時使初級線圈激勵波形與次級線圈反饋波形同相或反相,這樣可以保證相敏檢波后的波形達到最佳[8]。

LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊上的PHASE電位器用于調(diào)節(jié)參考波形的相位,由于次級線圈反饋而來的波形存在兩種正好相差180°的信號,因此存在兩種調(diào)試方法。

第一種,通過手動移動LVDT鐵心或套筒至70%～80%閥位,此時電流表讀數(shù)應大于12 mA。如果小于12 mA,那么說明LVDT反饋方向與閥門開啟方向相反,可以通過調(diào)換LVDT安裝方向或?qū)φ{(diào)LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的3號、4號端子接線來更正。調(diào)節(jié)PHASE電位器,進而找到一個波峰電流。

第二種,通過手動移動LVDT鐵心或套筒至20%～30%閥位,此時電流表讀數(shù)應小于12 mA。如果大于12 mA,那么說明LVDT反饋方向與閥門關閉方向相反,可以通過前述方法更正。調(diào)節(jié)PHASE電位器,進而找到一個波谷電流。

按上述任意一種方法進行相位調(diào)節(jié),就能保證LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊在LVDT線性區(qū)內(nèi)都能實現(xiàn)良好的鑒相。

筆者在高調(diào)門調(diào)試時,受端子盒限制,鐵心下部黑圈安裝位置遠小于(A-B)/2。如圖13所示,紅色實線是現(xiàn)場閥位安裝位置,大部分落在LVDT線性區(qū)間下部。0%閥位附近對應的感應電壓V1很大,經(jīng)過整流換算后的電流也很大,12 mA減去這一電流值后很可能會小于0 mA,但LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊不會輸出負的電流值,因此在現(xiàn)場用上述第二種方法在全關位置找不到波谷電流,而只能找到最小值0 mA。提升至20%閥位時,仍找不到波谷電流,這說明現(xiàn)場閥位安裝位置對應的感應電壓仍太大,此種情況下應繼續(xù)提升閥位,直到找到波谷電流為止,或改用上述第一種方法尋找波峰電流。

圖13 現(xiàn)場相位調(diào)整

4.3 輸出調(diào)整

由于只接受4～20 mA信號,因此對于類似5～21 mA、3～19 mA信號的情況,需要對輸出進行調(diào)整,如將21 mA調(diào)整為20 mA,將3 mA調(diào)整為4 mA。

LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊SPAN電位器的作用是調(diào)節(jié)輸入波形的幅值,可以理解為調(diào)節(jié)LVDT輸出電壓的斜率。如圖14所示,整條輸出電壓直線的幅值是等比例增降的。

圖14 現(xiàn)場輸出調(diào)整

在輸出調(diào)整之前,繼續(xù)保持15號、16號端子連接萬用表,松開LVDT鐵心的固定螺母,使其可以手動上下移動。

對于5～21 mA信號,將鐵心或套筒手動移至100%閥位處,調(diào)節(jié)SPAN電位器使21 mA減小至20 mA,那么通過線性比例換算,0%閥位對應的5 mA將增大至5.78 mA,所以最終輸出結(jié)果是5.78～20 mA。對于50%閥位高于LVDT電氣零位的安裝情況,應該修正100%閥位對應的電流值。如果修正0%閥位對應的電流值,那么100%閥位對應的電流值將繼續(xù)超限。

對于3～19 mA信號,將鐵心或套筒手動移至0%閥位處,調(diào)節(jié)SPAN電位器使3 mA增大至4 mA,那么通過線性比例換算,100%閥位對應的20 mA將減小至18.22 mA,所以最終輸出結(jié)果是4～18.22 mA。對于50%閥位低于LVDT電氣零位的安裝情況,應該修正0%閥位對應的電流值。如果修正100%閥位對應的電流值,那么0%閥位對應的電流值將繼續(xù)超限。

對于極端安裝情況,有可能出現(xiàn)調(diào)節(jié)SPAN電位器無法得到4 mA的情況,這是因為SPAN電位器的調(diào)節(jié)范圍有限,且0%閥位對應的感應電壓V1太大,此時應該重新調(diào)整鐵心或套筒安裝位置,使閥位盡可能關于LVDT電氣零位對稱[5]。

5 結(jié)束語

筆者以某熱電聯(lián)產(chǎn)項目蒸汽輪機高中調(diào)閥為應用對象,介紹了LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)試過程。LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊是市場上的成熟產(chǎn)品,經(jīng)過調(diào)試能輸出標準電流或電壓信號,信號能通用于各類工業(yè)控制系統(tǒng)。筆者所做介紹對有LVDT使用需求的工控領域,如焊接領域[10],也具有一定的參考價值。