LDM-1000型线性可变差动变压器控制转换模块的调试

成 斌

上海电气燃气轮机有限公司 上海 200240

1 研究背景

传感器是伺服控制系统的重要组成部件,用于检测系统的实时状态,提供精确的反馈信号,并参与系统的控制[1-2]。线性可变差动变压器(LVDT)属于直线位移传感器,在电力行业中,主要用于大型蒸汽轮机缸体热膨胀及进汽调节阀门开启位置的测量[3]。LVDT通常需要配套阀门卡,常用的阀门卡非常昂贵,并且必须在相应的集散控制系统软件中使用,具有很大的局限性。LDM-1000型LVDT控制转换模块经过调试,能够直接输出标准电流或电压信号,信号通用于各类集散控制系统、可编程序控制器系统中,并且模块成本相比阀门卡低很多。

笔者以某热电联产项目蒸汽轮机高中调阀为应用对象,介绍LDM-1000型LVDT控制转换模块的调试。

2 LDM-1000型LVDT控制转换模块简介

LDM-1000型LVDT控制转换模块如图1所示,由Schaevitz公司生产,可用于德国标准化学会标准轨道安装和特定外形的工业领域。这一模块可以对线位移和角位移进行转换,位移数据传送至工业位置控制系统。LDM-1000型LVDT控制转换模块在设计时考虑了尽可能大的传感器与系统兼容性,内部电路由一系列增益、驱动电压和振荡器频率组成,能确保与所有LVDT和角位移传感器相兼容。LDM-1000型LVDT控制转换模块可以提供多个不同的输入、输出接口,用以满足不同的可编程序控制器模拟输入、输出需求,可以实现单端电压输出,以便在最大程度上利用传感器行程,同时简化编程,无需信号处理。

图1 LDM-1000型LVDT控制转换模块

3 调试准备

3.1 接线检查

某热电联产项目蒸汽轮机采用无锡河埒6线制LVDT,引出线色标如图2所示。

图2 6线制LVDT引出线色标

LVDT本身是一个变压器,通过铁心的移动将被测位移量转换为传感器互感变化,使次级线圈感应电压也产生相应变化[4]。当初级线圈通入交流激励电压后,两个次级线圈中将产生交流感应电压。接线时,将黑、蓝端子在就地端子盒或数字电液控制系统机柜端短接,确保LVDT两个次级线圈反向串接,接成差动式,即输出电压是两个次级线圈感应电压的差值。接线完成后的LVDT等效电路如图3所示。

图3 6线制LVDT等效电路

6线制LVDT的次级线圈引出线颜色并不完全与图2中对应,可以通过测量反馈电压的方式来确认次级线圈是否反向串接。通过LDM-1000型LVDT控制转换模块向初级线圈输入交流激励电压,将铁心置于LVDT套筒的某个位置不动,以在线性区内为佳,分别测量两组次级线圈的交流电压Es1和Es2,即按图3等效电路测量绿、红端子产生的交流电压。若为反向串接,则输出电压Es=|Es1-Es2|。若为正向串接,则输出电压Es=Es1+Es2,此时LVDT次级线圈引出线与图2中不符,需要现场改线,如改为红、黑端子短接,蓝、绿端子作为输出,直到测量值Es=|Es1-Es2|。

市场上还存在4线制和5线制LVDT,分别如图4、图5所示,其基本接线原理都是差动输出,只是出厂时已做好了内部短接。

图4 4线制LVDT

图5 5线制LVDT

另外,还需要注意铁心的插入方向[5],必须按图6所示安装,否则在线性区间内通过LDM-1000型LVDT控制转换模块无法测量到4～20 mA电流信号。

图6 LVDT安装

3.2 跳线设置

LDM-1000型LVDT控制转换模块内部有三组开关,对每组开关分别进行设置。

(1) 第一组拨码开关的设置见表1。

笔者调试时,现场设置如下:增益1选择0.4,增益2选择低,信号频率特性为1 000 Hz,无偏置。

表1 第一组拨码开关设置

增益1和增益2的选择见表2。

表2 增益1和增益2选择

计算LVDT的满量程输出电压,低压抽汽调门LVDT的灵敏度为14 mV·(V·mm)-1,激励电压为3 V,测量量程为-50～50 mm,则满量程输出电压Ufs=14×3×50=2 100 mV,落在1.20～2.50 V区间,所以增益1选择0.4,增益2选择低,相应的拨码设置为6号ON、7号OFF、8号OFF。

(2) 第二组拨码开关的设置见表3。

笔者调试时,现场设置如下:激励频率选择2.5 kHz,激励方式选择内部,激励电压选择3 V,输出选择4～20 mA,不需拨码,只需接线至指定端子。

激励电压和激励频率的选择参照LVDT产品说明书,由厂家推荐。

表3 第二组拨码开关设置

关于激励电压的选择,需要注意核算LVDT的工作电流。现场测量得LVDT的初级线圈电阻值为230 Ω,所以其工作电流为13 mA,小于LDM-1000型LVDT控制转换模块的最大驱动电流(25 mA),说明LVDT在此激励电压下可以正常工作。对于小电阻初级线圈,选择3 V激励电压时有可能会超过LDM-1000型LVDT控制转换模块的最大驱动电流,此时应选择1 V激励电压。

(3) 第三组开关为跳线开关,具体设置如图7所示。

笔者调试时,现场设置为跳线1对应直流输入电压18～30 V,因为数字电液控制系统机柜向LDM-1000型LVDT控制转换模块所提供的是24 V直流电压。

图7 跳线开关设置

3.3 接线检查

按图8所示将数字电液控制系统与LDM-1000型LVDT控制转换模块的1号、2号、3号、4号、13号、14号、15号、16号端子连接,屏蔽电缆接在数字电液控制系统机柜内的接地铜排上。

图8 接线原理

3.4 安装位置检查

LVDT套筒安装位置不能太高,否则铁心移动时有可能掉出套筒。对于初步安装位置,以使阀门的行程落在LVDT线性区内为最佳,之后可以通过铁心上的固定螺母来精调。LVDT铁心上刻有三个黑圈,中间的黑圈代表LVDT的电气零位,当此黑圈刚好露出LVDT套筒时,两个次级线圈上的感应电压相等,上下的黑圈分别代表测量量程的上、下限。

将阀门置于全关位置,假设阀位行程为B,LVDT的线性区间为A,A>B,那么铁心的最佳安装位置应该是铁心最下部黑圈露出套筒(A-B)/2的位置,这样可以确保阀位行程B关于LVDT的电气零位对称。

LVDT次级线圈输出特性如图9所示,输出电压为差动输出后的感应交流电压有效值。

图9 LVDT输出特性

4 调试步骤

4.1 电气零位调整

断开LDM-1000型LVDT控制转换模块上与LVDT初级线圈、次级线圈的接线,拆除15号、16号电流输出线,连接万用表,通过LDM-1000型LVDT控制转换模块上的ZERO电位器,调整电流输出为12 mA。

LDM-1000型LVDT控制转换模块通过反馈而来的次级线圈电压换算出电流值,在电气零位12 mA的基础上进行加减,形成4～20 mA输出。理论上50%阀位处,两个次级线圈的感应电压相等,差动输出为0 V,LDM-1000型LVDT控制转换模块输出电流值刚好为12 mA,即此时为LDM-1000型LVDT控制转换模块的电气零位值。这是最理想的情况,在此情况下,通过调整LDM-1000型LVDT控制转换模块的PHASE和SPAN电位器,可以保证0%阀位对应4 mA,100%阀位对应20 mA。

导线传输模拟信号抗干扰能力较弱,通信系统内部的噪声会导致通信质量降低,微小的电压信号还容易受到线路温度的影响[6]。加上安装误差,实际上安装的50%阀位很难做到与LVDT电气零位重合,但这并不影响LVDT的使用。假设LDM-1000型LVDT控制转换模块与LVDT的配合最初是在理想状态,但实际安装时可能会使50%阀位比LVDT电气零位黑圈稍微高一点或低一点,假设50%阀位对应的电流值为13 mA或11 mA,那么通过线性换算,0%阀位对应5 mA或3 mA,100%阀位对应21 mA或19 mA,而集散控制系统只能接收4～20 mA标准电流信号,因此需要进一步整定。

4.2 相位调整

从次级线圈传送至LDM-1000型LVDT控制转换模块入口的感应电压为交流信号,没有正负之分。假设没有LDM-1000型LVDT控制转换模块,仅使用万用表测量反馈而来的感应电压,则能测出电压值,且这一电压值与偏移50%阀位的位移量成正比,也就是说,理论上75%阀位与25%阀位读到的电压值相等,但仅通过这一电压值无法确认是75%阀位还是25%阀位。

LVDT线圈结构如图10所示,电气原理如图11所示,输出信号如图12所示。LVDT次级线圈1与次级线圈2的感应信号在相序上相差180°,铁心靠左时,次级线圈1幅值小于次级线圈2,进行叠加后输出波形为次级线圈2波形,幅值减小;铁心靠右时,次级线圈2幅值小于次级线圈1,进行叠加后,输出波形为次级线圈1波形,幅值减小。

图10 LVDT线圈结构

图11 LVDT线圈电气原理

图12 LVDT线圈输出信号

输出电压为交流信号,其幅值在一定范围内与铁心的位移成线性关系,但不能确定铁芯位移的正负方向[7]。如果在得到电压值的同时了解当前波形,通过对比图12就能明确是75%阀位还是25%阀位,这一过程称为鉴相。

在LDM-1000型LVDT控制转换模块中,存在一个相敏检波电路实现鉴相过程。将次级线圈感应波形作为被测波形,直接取初级线圈激励信号作为参考波形。理论上初级线圈激励波形与次级线圈反馈波形的相位为精确的同相或反相,但由于受电缆长度及LVDT自身制作工艺影响,次级线圈反馈波形的相位通常会漂移。为减小误差,需要进行相移补偿。通常电路设计时使初级线圈激励波形与次级线圈反馈波形同相或反相,这样可以保证相敏检波后的波形达到最佳[8]。

LDM-1000型LVDT控制转换模块上的PHASE电位器用于调节参考波形的相位,由于次级线圈反馈而来的波形存在两种正好相差180°的信号,因此存在两种调试方法。

第一种,通过手动移动LVDT铁心或套筒至70%～80%阀位,此时电流表读数应大于12 mA。如果小于12 mA,那么说明LVDT反馈方向与阀门开启方向相反,可以通过调换LVDT安装方向或对调LDM-1000型LVDT控制转换模块的3号、4号端子接线来更正。调节PHASE电位器,进而找到一个波峰电流。

第二种,通过手动移动LVDT铁心或套筒至20%～30%阀位,此时电流表读数应小于12 mA。如果大于12 mA,那么说明LVDT反馈方向与阀门关闭方向相反,可以通过前述方法更正。调节PHASE电位器,进而找到一个波谷电流。

按上述任意一种方法进行相位调节,就能保证LDM-1000型LVDT控制转换模块在LVDT线性区内都能实现良好的鉴相。

笔者在高调门调试时,受端子盒限制,铁心下部黑圈安装位置远小于(A-B)/2。如图13所示,红色实线是现场阀位安装位置,大部分落在LVDT线性区间下部。0%阀位附近对应的感应电压V1很大,经过整流换算后的电流也很大,12 mA减去这一电流值后很可能会小于0 mA,但LDM-1000型LVDT控制转换模块不会输出负的电流值,因此在现场用上述第二种方法在全关位置找不到波谷电流,而只能找到最小值0 mA。提升至20%阀位时,仍找不到波谷电流,这说明现场阀位安装位置对应的感应电压仍太大,此种情况下应继续提升阀位,直到找到波谷电流为止,或改用上述第一种方法寻找波峰电流。

图13 现场相位调整

4.3 输出调整

由于只接受4～20 mA信号,因此对于类似5～21 mA、3～19 mA信号的情况,需要对输出进行调整,如将21 mA调整为20 mA,将3 mA调整为4 mA。

LDM-1000型LVDT控制转换模块SPAN电位器的作用是调节输入波形的幅值,可以理解为调节LVDT输出电压的斜率。如图14所示,整条输出电压直线的幅值是等比例增降的。

图14 现场输出调整

在输出调整之前,继续保持15号、16号端子连接万用表,松开LVDT铁心的固定螺母,使其可以手动上下移动。

对于5～21 mA信号,将铁心或套筒手动移至100%阀位处,调节SPAN电位器使21 mA减小至20 mA,那么通过线性比例换算,0%阀位对应的5 mA将增大至5.78 mA,所以最终输出结果是5.78～20 mA。对于50%阀位高于LVDT电气零位的安装情况,应该修正100%阀位对应的电流值。如果修正0%阀位对应的电流值,那么100%阀位对应的电流值将继续超限。

对于3～19 mA信号,将铁心或套筒手动移至0%阀位处,调节SPAN电位器使3 mA增大至4 mA,那么通过线性比例换算,100%阀位对应的20 mA将减小至18.22 mA,所以最终输出结果是4～18.22 mA。对于50%阀位低于LVDT电气零位的安装情况,应该修正0%阀位对应的电流值。如果修正100%阀位对应的电流值,那么0%阀位对应的电流值将继续超限。

对于极端安装情况,有可能出现调节SPAN电位器无法得到4 mA的情况,这是因为SPAN电位器的调节范围有限,且0%阀位对应的感应电压V1太大,此时应该重新调整铁心或套筒安装位置,使阀位尽可能关于LVDT电气零位对称[5]。

5 结束语

笔者以某热电联产项目蒸汽轮机高中调阀为应用对象,介绍了LDM-1000型LVDT控制转换模块的调试过程。LDM-1000型LVDT控制转换模块是市场上的成熟产品,经过调试能输出标准电流或电压信号,信号能通用于各类工业控制系统。笔者所做介绍对有LVDT使用需求的工控领域,如焊接领域[10],也具有一定的参考价值。