4～20mA回路有源振动传感器的应用

胡述明

（中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710018）

往复式压缩机的故障很难用振动分析软件来判断。便携式FFT分析仪进行往复式压缩机振动分析也很不理想，因为它不能确定曲轴的位置，而曲轴位置对分析往复式压缩机振动非常重要。

由于工厂现有的主要分析工具（FFT分析仪）不适合往复式压缩机的故障分析，所以往复式压缩机的振动分析被振动分析师和技术专家所忽略；由于手段有限，问题不易确定，所以设备的整体运行状态被忽略。结果，许多公司花费大量财力、物力进行维修和部件更换，成本比监测费用高很多。

一、4～20mA振动数据的应用

用回路有源传感器代替传统的振动监测和分析仪器进行振动监测，费用很低。回路有源传感器是一种振动传感器，传感器中配有信号处理器，它对设备的全部振动信号电位进行有条件的选择，最低信号电位设定为4mA，其目的是区分非操作状态下（0mA）的低电位。最高电位定为20mA，这个电位几乎可以含包含所有振动信号范围。

使用4～20mA为振动数据的优势是，它不需要进行复杂计算和分析。输出信号代表了设备所有的振动，这些信号虽然不能完全包含确定设备特定故障的所有信息，但它能够较好地显示设备的总体运行状态。输出信号只需经过培训的分析师即可解释振动数据，有效诊断问题所在，其成本比故障停机时的维修或更换部件费用低很多。

但回路有源传感器绝对不能直接代替动态振动分析，4～20mA电流回路是低带宽系统，不具备传输确定特殊故障所需要的动态振动信号功能。

每个振动数据采集通道，包括传感器、相关设备、输入通道和安装费用不超过5 000元人民币。现在普遍采用的方法是使用低成本网络传输4～20mA振动信号，并监测设备的总体状态。

目前，现代化工厂普遍采用自动化控制系统（PLC或DCS）进行工厂控制和管理，自动化控制系统能够接收4～20mA输入信号。4～20mA电流信号是工厂自动控制信号的标准，这就为连续监测振动提供了方便。工厂现有的PLC或DCS都具有控制回路功能，可以实现趋势显示和数据的长期保存。所以，将4～20mA振动信号输入到这些系统中，非常容易实现，唯一要做的是安装振动探头和模拟输入通道。

二、十字头振动监测

往复式压缩机十字头是连接曲轴和活塞连杆的重要部件，十字头上的轴套和连接销子需要持续不断地进行润滑，如果润滑不充分，将会导致过度磨损，使轴套和销子之间的间隙增大而松动，从而在轴套与销子之间产生金属间的碰击与摩擦，加速磨损。

利用4～20mA振动监测方法及时检测出松动部件是一种经济有效的方法。图1表示轴套与销子之间的碰击所发出的波形图。在选择传感器时，必须选择具有“真实峰值”监测功能的4～20mA回路有源振动传感器。

4～20mA输出的真实峰值监测信号与实际峰值为比例关系，利用峰值检测方法，真实峰值探测会跟踪随时间变化的峰值强度，并按比例输出4～20mA信号。

图2是利用真实峰值检测技术检测到的碰击信号的振幅和频率变化曲线图，图中竖轴代表4～20mA回路电流。利用真实峰值检测技术的原理是：当冲击发生时，检测到的回路电流急速上升，然后慢慢回落，直到下一次冲击所产生的电流大于下降电流时，重新上升，传感器捕捉这些峰值并进行记录。位于图2中间相对较直的曲线代表传统回路有源传感器检测到的输出信号，信号通过4～20mA传感器或变送器输出。传统传感器采用根平方差(r.m.s.)检测技术，它无法完全检测出所有的故障，因为碰击并不影响输出信号的总强度。如果往复式气体压缩机采用这种传感器进行监测，很难对碰击问题进行准确的判断。

此外，利用真实峰值检测方法，还能检测到短暂的碰击。所以，它是往复式压缩机最常用的振动监测方法。

监测十字头轴套和销子之间松动的方法是将传感器安装在十字头区域，或者安装在与壳体顶部相垂直的部件上（图3）。

三、底座振动监测

回路有源振动传感器还可用来监测压缩机底座的振动，除了轴承磨损外，最常见的故障是底座失衡，大多数压缩机驱动设备的转速低于1800r/min，高于此转速，失衡现象会频繁发生。

监测驱动装置或压缩机驱动轴失衡的方法是将传感器安装在水平轴的对面和曲轴箱反向端90?的地方。检测失衡的最好方法是进行转速检测，因为在正常转速下，加速度变化很小，所以通过检测加速不是最为理想的方法。

回路有源速度传感是根据失衡所产生的振动，来确定振动对设备的损害程度。ISO 10816建议，对于大马力重型驱动系统，当振动水平超过11.2mm/s时，振动会对设备产生损害。

四、冷却系统振动监测

许多往复式气体压缩机配置了级间冷却系统，在多级压缩机中，翅片式冷却设备是关键部件，应该进行失衡监测。压缩机工作时，空气强制通过翅片带走所产生的热量。风扇速度取决于诸多因素，通常在300～1 800r/min之间变化。

安装传感器时，将探头与风扇轴垂直安装，监测速度是监测失衡状态最为理想的方法。大多数翅片式冷却器和冷却塔马达的功率都很小，建议将传感器的振动峰值速度极限设定在7.1r/min左右。