一种机壳振动控制器

阚玉兰

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869）

一种机壳振动控制器

阚玉兰

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869）

介绍一种用于往复压缩机机壳振动监测的振动控制器。[关键词]：压电晶体；振动加速度；振动速度

1 引言

往复压缩机是利用曲轴驱动活塞将气体压力提高的机械设备，压缩机运行时，机壳能产生一定的振动量。为确保往复压缩机正常运转，预防地脚螺栓松动以及活塞杆松动等，必须对往复压缩机的机壳振动进行监测。传统的机壳振动检测采用的是机械式振动开关，是非连续测量，误差大，经常出现误动作和不动作现象，极易造成压缩机运行事故。

为了解决现在应用中机壳振动测量不准确、误差大、容易造成事故的问题，介绍一种高精度的振动速度控制器。

本控制器的产品是通过如图1所示技术方案来实现的。

图1

压电晶体：晶体在受到外力作用时，它的两端就会产生不同的电荷，或在晶体的两端加上电压，晶体会产生变形，这种效应被称为压电效应，能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。

利用压电晶体的特性，来感受物体的振动，将压电晶体产生的电荷进行放大变为电压信号。将该电压信号进行滤波、积分、放大整合成与振动速度成比例的4～20 mA电流信号，直接与PLC、DCS或其他可接受4～20 mA电流信号的监视仪表。

2 等效电路，见图2

Q——压电晶体电荷源

C1——压电晶体电容器

C2——放大器反馈电容

R——放大器反馈电阻

A——控制单元

压电晶体在承受外力时就会产生电荷，当压电晶体电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器。

根据以上等效电路，其输出是无源的电荷量。压电晶体的内阻很高，且信号微弱，需经过二次仪表进行阻抗变换与放大。图2中A就是电荷放大器控制单元，该电路是一种输出电流与输入电荷成正比的放大器。

图2

3 原理框图，见图3

图3

电压信号，再进行放大滤波得到100 mV/g的加速度信号，再经过积分转换为有效值的速度信号，最后经V/I变换输出标准的4～20 mA电流信号。

4 各部件简介

（1）压电晶体部分：晶体受到振动时，两个表面产生电荷，即压电效应，机械量转化为电量。输入信号为振动信号，输出信号压电晶体约几十pC/g的电荷灵敏度；

（2）电荷积分器：把振动电荷积分为电压信号输出。输入信号为几十库仑的电量信号，输出信号为电荷积分成电压信号，公式为V=Q/Cf，其中Cf为积分电容；

（3）放大滤波:对积分的加速度电压信号进行放大滤波；

（4）动态信号输出:放大滤波后输出动态信号100 mV/g，输入信号为几十mV的电压，适调放大输出为100mV/g的动态信号；

（5）加速度积分成速度：对输入100 mV加速度信号积分成速度信号；

（6）RMS-DC转换:功能为交流的速度信号进行有效值-直流转换，输出和振动成正比的直流电压信号。输入电压最大为300 mV的交流信号，输出直流电压最大为200 mV；

（7）V/I变换输出4～20 mA：把速度信号进行V/I变换，输出和振动成正比的4～20 mA信号。输入电压为振动直流信号0.4～2V直流信号，经V/I变换，输出对应4～20 mA信号。

5 具体实施方式

振动加速度控制器采用压电晶体，晶体材料在承受一定方向的外力变形时，其电极表面会产生与外力相应的电荷。

式中 Q——电荷量

d——压电晶体的压电常数

F——作用力

我们一般在晶体上加一惯性质量，则根据牛顿第二定律

式中 m——质量

a——加速度

将（2）式带入（1）式，在晶体的两端即可得到与加速度成正比的电荷量，这就实现了加速度的测量。

6 实际应用

振动控制器做为现场输入信号送到控制室，经过安全栅隔离，在二次仪表将该振动值显示出来。

安全栅又称安全限能器，是本系统中的重要组成部分。

图4

安全栅的核心元件为齐纳二极管Z，限流电阻R及快速熔断丝F。

安全栅的主要功能为限流限压，保证现场仪表可得到的能量在安全范围内。

7 主要技术指标

（1）振动范围：与振动加速度成比例的4～20 mA信号输出。

精度：2%（可重复性）

动态信号：加速度100 mV/g

频率响应：2～2000 Hz

感应方向：任意

电源：12～30 VDC，无极性端子

电气连接：任意可选

壳体材质：304 SS

使用环境：温度-40～100℃相对湿度≤90%

壳体防护等级：NEMA 4X，IP65，IP67，二钉接头

（2）无极性端子，电气连接：任意可选。

（3）使用环境：温度-40～100℃；相对湿度≤90%。

本控制器涉及往复压缩机机壳振动控制系统，具体地说是一种机电一体化的压电振动加速度控制器。利用无源压电晶体的正压电效应，将压电晶体的输出电荷转换为与振动量成正比的电流信号。可直接匹配仪表显示读数、记录、数据采集器进行采集分析，经合适的仪表或软件可扩展测量速度、位移等参数。由于传感器中的敏感元件采用压电晶体，可广泛应用风机、水泵、电机、压缩机等领域的振动冲击测量。

A Type of Casing Vibration Controller

KAN Yu-lan
（Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 110869，China）

This paper introduced a type of vibration controller for vibration monitoring and measuring of reciprocating compressor casing.

piezoelectric crystal；vibration acceleration；vibration velocity

TH457

B

1006-2971（2014）01-0026-03

阚玉兰（1960-），女，高级工程师，1982年毕业于锦州工学院，现在沈阳鼓风机集团股份有限公司工作，研究方向为往复压缩机电气及仪表控制系统。

2013-10-09