成 斌

上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)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(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài),提供精確的反饋信號(hào),并參與系統(tǒng)的控制[1-2]。線性可變差動(dòng)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(jī)缸體熱膨脹及進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥門開啟位置的測(cè)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(yīng)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(guò)調(diào)試,能夠直接輸出標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號(hào),信號(hào)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(xiàng)目蒸汽輪機(jī)高中調(diào)閥為應(yīng)用對(duì)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(jiǎn)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)軌道安裝和特定外形的工業(yè)領(lǐng)域。這一模塊可以對(duì)線位移和角位移進(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)簡(jiǎn)化編程,無(wú)需信號(hào)處理。

圖1 LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊

3 調(diào)試準(zhǔn)備

3.1 接線檢查

某熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目蒸汽輪機(jī)采用無(wú)錫河埒6線制LVDT,引出線色標(biāo)如圖2所示。

圖2 6線制LVDT引出線色標(biāo)

LVDT本身是一個(gè)變壓器,通過(guò)鐵心的移動(dòng)將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為傳感器互感變化,使次級(jí)線圈感應(yīng)電壓也產(chǎn)生相應(yīng)變化[4]。當(dāng)初級(jí)線圈通入交流激勵(lì)電壓后,兩個(gè)次級(jí)線圈中將產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓。接線時(shí),將黑、藍(lán)端子在就地端子盒或數(shù)字電液控制系統(tǒng)機(jī)柜端短接,確保LVDT兩個(gè)次級(jí)線圈反向串接,接成差動(dòng)式,即輸出電壓是兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)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(jí)線圈引出線顏色并不完全與圖2中對(duì)應(yīng),可以通過(guò)測(cè)量反饋電壓的方式來(lái)確認(rèn)次級(jí)線圈是否反向串接。通過(guò)LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊向初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓,將鐵心置于LVDT套筒的某個(gè)位置不動(dòng),以在線性區(qū)內(nèi)為佳,分別測(cè)量?jī)山M次級(jí)線圈的交流電壓Es1和Es2,即按圖3等效電路測(cè)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(shí)LVDT次級(jí)線圈引出線與圖2中不符,需要現(xiàn)場(chǎng)改線,如改為紅、黑端子短接,藍(lán)、綠端子作為輸出,直到測(cè)量值Es=|Es1-Es2|。

市場(chǎng)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(dòng)輸出,只是出廠時(shí)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(guò)LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊無(wú)法測(cè)量到4～20 mA電流信號(hào)。

圖6 LVDT安裝

3.2 跳線設(shè)置

LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部有三組開關(guān),對(duì)每組開關(guān)分別進(jìn)行設(shè)置。

(1) 第一組撥碼開關(guān)的設(shè)置見(jiàn)表1。

筆者調(diào)試時(shí),現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置如下:增益1選擇0.4,增益2選擇低,信號(hào)頻率特性為1 000 Hz,無(wú)偏置。

表1 第一組撥碼開關(guān)設(shè)置

增益1和增益2的選擇見(jiàn)表2。

表2 增益1和增益2選擇

計(jì)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(lì)電壓為3 V,測(cè)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(yīng)的撥碼設(shè)置為6號(hào)ON、7號(hào)OFF、8號(hào)OFF。

(2) 第二組撥碼開關(guān)的設(shè)置見(jiàn)表3。

筆者調(diào)試時(shí),現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置如下:激勵(lì)頻率選擇2.5 kHz,激勵(lì)方式選擇內(nèi)部,激勵(lì)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(lì)電壓和激勵(lì)頻率的選擇參照LVDT產(chǎn)品說(shuō)明書,由廠家推薦。

表3 第二組撥碼開關(guān)設(shè)置

關(guān)于激勵(lì)電壓的選擇,需要注意核算LVDT的工作電流?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得LVDT的初級(jí)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(dòng)電流(25 mA),說(shuō)明LVDT在此激勵(lì)電壓下可以正常工作。對(duì)于小電阻初級(jí)線圈,選擇3 V激勵(lì)電壓時(shí)有可能會(huì)超過(guò)LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的最大驅(qū)動(dòng)電流,此時(shí)應(yīng)選擇1 V激勵(lì)電壓。

(3) 第三組開關(guān)為跳線開關(guān),具體設(shè)置如圖7所示。

筆者調(diào)試時(shí),現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置為跳線1對(duì)應(yīng)直流輸入電壓18～30 V,因?yàn)閿?shù)字電液控制系統(tǒng)機(jī)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(guān)設(shè)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(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、16號(hào)端子連接,屏蔽電纜接在數(shù)字電液控制系統(tǒng)機(jī)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(dòng)時(shí)有可能掉出套筒。對(duì)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(guò)鐵心上的固定螺母來(lái)精調(diào)。LVDT鐵心上刻有三個(gè)黑圈,中間的黑圈代表LVDT的電氣零位,當(dāng)此黑圈剛好露出LVDT套筒時(shí),兩個(gè)次級(jí)線圈上的感應(yīng)電壓相等,上下的黑圈分別代表測(cè)量量程的上、下限。

將閥門置于全關(guān)位置,假設(shè)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(yīng)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(guān)于LVDT的電氣零位對(duì)稱。

LVDT次級(jí)線圈輸出特性如圖9所示,輸出電壓為差動(dòng)輸出后的感應(yīng)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(jí)線圈、次級(jí)線圈的接線,拆除15號(hào)、16號(hào)電流輸出線,連接萬(wàn)用表,通過(guò)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(guò)反饋而來(lái)的次級(jí)線圈電壓換算出電流值,在電氣零位12 mA的基礎(chǔ)上進(jìn)行加減,形成4～20 mA輸出。理論上50%閥位處,兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓相等,差動(dòng)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(shí)為L(zhǎng)DM-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(guò)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(duì)應(yīng)4 mA,100%閥位對(duì)應(yīng)20 mA。

導(dǎo)線傳輸模擬信號(hào)抗干擾能力較弱,通信系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲會(huì)導(dǎo)致通信質(zhì)量降低,微小的電壓信號(hào)還容易受到線路溫度的影響[6]。加上安裝誤差,實(shí)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(shè)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(shí)際安裝時(shí)可能會(huì)使50%閥位比LVDT電氣零位黑圈稍微高一點(diǎn)或低一點(diǎn),假設(shè)50%閥位對(duì)應(yīng)的電流值為13 mA或11 mA,那么通過(guò)線性換算,0%閥位對(duì)應(yīng)5 mA或3 mA,100%閥位對(duì)應(yīng)21 mA或19 mA,而集散控制系統(tǒng)只能接收4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),因此需要進(jìn)一步整定。

4.2 相位調(diào)整

從次級(jí)線圈傳送至LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊入口的感應(yīng)電壓為交流信號(hào),沒(méi)有正負(fù)之分。假設(shè)沒(méi)有LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊,僅使用萬(wàn)用表測(cè)量反饋而來(lái)的感應(yīng)電壓,則能測(cè)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(shuō),理論上75%閥位與25%閥位讀到的電壓值相等,但僅通過(guò)這一電壓值無(wú)法確認(rèn)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(hào)如圖12所示。LVDT次級(jí)線圈1與次級(jí)線圈2的感應(yīng)信號(hào)在相序上相差180°,鐵心靠左時(shí),次級(jí)線圈1幅值小于次級(jí)線圈2,進(jìn)行疊加后輸出波形為次級(jí)線圈2波形,幅值減小;鐵心靠右時(shí),次級(jí)線圈2幅值小于次級(jí)線圈1,進(jìn)行疊加后,輸出波形為次級(jí)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(hào)

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

在LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊中,存在一個(gè)相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)鑒相過(guò)程。將次級(jí)線圈感應(yīng)波形作為被測(cè)波形,直接取初級(jí)線圈激勵(lì)信號(hào)作為參考波形。理論上初級(jí)線圈激勵(lì)波形與次級(jí)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(zhǎng)度及LVDT自身制作工藝影響,次級(jí)線圈反饋波形的相位通常會(huì)漂移。為減小誤差,需要進(jìn)行相移補(bǔ)償。通常電路設(shè)計(jì)時(shí)使初級(jí)線圈激勵(lì)波形與次級(jí)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(dá)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(jí)線圈反饋而來(lái)的波形存在兩種正好相差180°的信號(hào),因此存在兩種調(diào)試方法。

第一種,通過(guò)手動(dòng)移動(dòng)LVDT鐵心或套筒至70%～80%閥位,此時(shí)電流表讀數(shù)應(yīng)大于12 mA。如果小于12 mA,那么說(shuō)明LVDT反饋方向與閥門開啟方向相反,可以通過(guò)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(hào)、4號(hào)端子接線來(lái)更正。調(diào)節(jié)PHASE電位器,進(jìn)而找到一個(gè)波峰電流。

第二種,通過(guò)手動(dòng)移動(dòng)LVDT鐵心或套筒至20%～30%閥位,此時(shí)電流表讀數(shù)應(yīng)小于12 mA。如果大于12 mA,那么說(shuō)明LVDT反饋方向與閥門關(guān)閉方向相反,可以通過(guò)前述方法更正。調(diào)節(jié)PHASE電位器,進(jìn)而找到一個(gè)波谷電流。

按上述任意一種方法進(jìn)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(shí)現(xiàn)良好的鑒相。

筆者在高調(diào)門調(diào)試時(shí),受端子盒限制,鐵心下部黑圈安裝位置遠(yuǎn)小于(A-B)/2。如圖13所示,紅色實(shí)線是現(xiàn)場(chǎng)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(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓V1很大,經(jīng)過(guò)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(huì)小于0 mA,但LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊不會(huì)輸出負(fù)的電流值,因此在現(xiàn)場(chǎng)用上述第二種方法在全關(guān)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(shí),仍找不到波谷電流,這說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)閥位安裝位置對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓仍太大,此種情況下應(yīng)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(chǎng)相位調(diào)整

4.3 輸出調(diào)整

由于只接受4～20 mA信號(hào),因此對(duì)于類似5～21 mA、3～19 mA信號(hào)的情況,需要對(duì)輸出進(jìn)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(chǎng)輸出調(diào)整

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

對(duì)于5～21 mA信號(hào),將鐵心或套筒手動(dòng)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(guò)線性比例換算,0%閥位對(duì)應(yīng)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(duì)于50%閥位高于LVDT電氣零位的安裝情況,應(yīng)該修正100%閥位對(duì)應(yīng)的電流值。如果修正0%閥位對(duì)應(yīng)的電流值,那么100%閥位對(duì)應(yīng)的電流值將繼續(xù)超限。

對(duì)于3～19 mA信號(hào),將鐵心或套筒手動(dòng)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(guò)線性比例換算,100%閥位對(duì)應(yīng)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(duì)于50%閥位低于LVDT電氣零位的安裝情況,應(yīng)該修正0%閥位對(duì)應(yīng)的電流值。如果修正100%閥位對(duì)應(yīng)的電流值,那么0%閥位對(duì)應(yīng)的電流值將繼續(xù)超限。

對(duì)于極端安裝情況,有可能出現(xiàn)調(diào)節(jié)SPAN電位器無(wú)法得到4 mA的情況,這是因?yàn)镾PAN電位器的調(diào)節(jié)范圍有限,且0%閥位對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓V1太大,此時(shí)應(yīng)該重新調(diào)整鐵心或套筒安裝位置,使閥位盡可能關(guān)于LVDT電氣零位對(duì)稱[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者以某熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目蒸汽輪機(jī)高中調(diào)閥為應(yīng)用對(duì)象,介紹了LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)試過(guò)程。LDM-1000型LVDT控制轉(zhuǎn)換模塊是市場(chǎng)上的成熟產(chǎn)品,經(jīng)過(guò)調(diào)試能輸出標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號(hào),信號(hào)能通用于各類工業(yè)控制系統(tǒng)。筆者所做介紹對(duì)有LVDT使用需求的工控領(lǐng)域,如焊接領(lǐng)域[10],也具有一定的參考價(jià)值。