声表面波技术在压缩机轴承温度测量的应用

李 奕

（国能新疆化工有限公司）

声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）是一种沿着固体表面传播的声波，是能量集中于固体表面附近的一种弹性波。 声表面波的传播速度比电磁波慢很多，所以，在声表面波的传播路径上，易于对信号取样并进行转换处理， 利用这个特点， 可以用声表面波来模拟电子学的各种功能。声表面波技术应用范围较广，如通信、雷达、数传等领域［1］。 笔者主要介绍基于声表面波原理制成的声表面波器件在压缩机轴承温度测量方面的应用。

1 声表面波器件的结构和原理

声表面波器件也叫声表面波滤波器（Surface Acoustic Wave Filer,SAWF），是利用压电陶瓷、铌酸锂及石英等压电石英体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种换能式无源滤波器。

声表面波器件主要由声-电换能器和压电基片构成，其结构如图1 所示。

图1 声表面波器件结构

声-电换能器也称为叉指换能器（Inter Digital Transducer，IDT),它的作用是实现声-电换能。在压电基片上制作两个声-电换能器： 输入叉指换能器与输出叉指换能器。 当电信号输入到输入叉指换能器时， 压电晶体基片表面会产生振动，并激发出与外加信号相同频率的声波，此声波沿基片的表面传播，传递到输出叉指换能器，由输出叉指换能器转换为电信号输出［1］。

2 声表面波器件的测温原理

当环境温度发生变化时，压电基片的表面温度也随之发生变化， 压电基片的SAW 波速发生变化，从而使其谐振频率变化，由于谐振频率与温度之间成线性关系，通过计算激励信号与接收到的回波信号之间的频率变化值，可以得出传感器所处环境的温度［2］。

声表面波温度传感器利用的是温度变化引起声表面波速度变化，从而导致振荡频率变化的原理。 当外界温度对声表面波传播特性产生影响时，会在声表面波器件的参数上反映出来。 利用这种现象可以制备各种温度传感器，用于测量和监控温度参数。

3 SAW 技术在压缩机轴承温度测量的应用

某装置乙烯压缩机的无线测温系统基于SAW 技术，用于检测压缩机的轴承温度，其结构如图2 所示。 无线测温传感器安装在旋转机械部件的钻孔里， 以尽可能地靠近轴承座的受热表面。

图2 无线测温系统结构示意图

测量压缩机轴承的无线测温传感器安装在轴承上，测得的温度通过固定天线传输给信号处理单元，再由信号处理单元将温度信号送至机组监控系统。

3.1 无线测温系统测量原理

无线测温系统是无需外部电池供电的无线传感器感应系统，通过一个低能量、高频射频脉冲来激发传感器，脉冲信号通过两个天线进行传输，一个安装在固定支架上，另一个安装在旋转曲柄轴承上，其原理如图3 所示。

图3 无线测温系统测量原理

由图3 可以看出，信号处理单元产生一个低能雷达脉冲， 通过固定天线传输到无线传感器，无线传感器接收到雷达脉冲，通过内部声表面波器件将测量到的温度进行处理， 转换成电信号，再通过雷达脉冲反射回信号处理单元。

3.2 无线测温系统的组成

无线测温系统主要由3 部分组成： 传感器、固定天线和信号处理单元。

传感器。 传感器由SAW 部件、同轴电缆和天线组成。 传感器天线收到固定天线发来的雷达脉冲信号，相当于激励信号，该信号通过同轴电缆作用到SAW 部件， 再通过传感器天线发出回波信号，送至固定天线。 传感器和同轴电缆被放置在一个填充环氧树脂的圆柱形钢制套管中，而天线被放置在一个钢制外壳中， 外置一个塑料护盖，使其不受环境的影响。

固定天线。 固定天线用于发送信号处理单元产生的雷达脉冲信号， 并接收传感器返回的雷达脉冲信号，然后通过同轴电缆，再返回给信号处理单元。 固定天线以同样方式安装在钢壳内，并有一个塑料护盖加以保护，这个护盖是一种静电耗散材料，可以防止电荷积聚。 同样，在天线底部和钢外壳底部的空间填充了环氧树脂。

信号处理单元（Signal Processing Unit，SPU）。SPU 执行所有的信号产生和接收功能。 SPU 发送一个脉冲信号，经过同轴电缆到固定天线，穿过天线和传感器之间的气隙， 经过短暂的延迟，传感器将反射的脉冲再通过相同的传输路径传送到SPU。 然后由SPU 计算传感器的温度，再将温度信号传送到机组监控系统，另有一路联锁信号连接至安全仪表系统。 当温度异常，超过信号处理单元内设定的联锁值，发送停机信号至安全仪表系统，实现对压缩机设备的保护。

3.3 无线测温传感器和固定天线的安装

如图4 所示，无线测温传感器安装在转动曲柄轴承上，固定天线安装在支架上。

图4 无线测温系统安装现场照片

传感器和固定天线安装时需满足以下要求（图5）：

图5 传感器和固定天线的安装要求

角度 最大20°

间隙范围 （15±5） mm

最大侧向位移 ±5 mm

在压缩机运行过程中， 因为曲轴不停转动，所以测温传感器随着曲轴按照固定的轨迹保持转动，而固定天线是保持不动的，当传感器与固定天线的角度、间隙、侧向位移满足技术规格时，固定天线将接收到温度信号，并传输给信号处理单元。 当传感器偏离天线时，天线就接收不到温度信号，因此，可以理解为，曲轴每转一圈采集一次温度信号。 但通常压缩机曲轴转速较高，某装置压缩机转速通常保持在360 r/min 左右， 每一转约为167 ms。 在SPU 中设置了延迟时间，即SPU 发出雷达脉冲到传感器和反馈所需时间，这个时间通常设置为0～20 s， 在延迟时间范围内，信号保持不变，所以可以理解为，无线测温系统每167 ms 采集一次温度信号， 在167 ms 内温度信号保持不变。 因此，通过SPU 送出的信号是不间断的，在机组监控系统中，检测到的轴承温度是连续并实时变化的。

3.4 系统组态

通过专用的数据线可以连接到SPU，使用专用的组态软件对SPU 进行组态，可以配置如下参数：Number of Channels， 用于配置传感器通道数量；Minimum RPM， 设定转速的最低转速 （300～350 r/min）；Continuous Read， 连续读取传感器信息；High Alarm， 温度高报设定区域；High-High Alarm，温度高高报设定区域；Alarm Delay，报警延时（3～5 s）；Enabling，启用或禁用传感器通道；Sensor Reflection，信号强度；Status、State，运行状态；Gain，接收器的增益，根据不同同轴电缆长度和探头间隙调整， 一般不超过85%；Signal Strength，传感器信号强度，正常范围40%～70%；Delay: SPU 发出雷达脉冲到传感器和反馈所需时间（0～20 s）。

4 与传统测温方式的比较

传统的压缩机轴承部分、旋转机械部分的温度测量，一般采用机埋式热电阻，在轴承部分预留安装孔，埋入热电阻探头，打胶固定。 这种安装方式需要仪表、设备专业人员紧密配合，仪表作业人员安装好探头，注胶后，由设备专业作业人员将轴瓦装至轴承内，仪表作业人员再对探头电缆沿压缩机内部线槽进行布线紧固，并需要避开转动轴和油路冲刷口。 如果作业人员在安装过程中安装不当或者压缩机轴承发生磨损，易造成探头或者信号线缆损坏，产生温度误指示，影响监控人员对压缩机运行状态的判断。 并且当压缩机检修时， 热电阻探头不易从轴承中拆出重复利用。

笔者总结的无线测温系统与传统测温方式的对比见表1。

表1 无线测温系统与传统测温方式的对比

由表1 可以看出， 与热电阻测量方式相比，无线测温系统测量范围比热电阻小，精度接近于热电阻， 轴承温度运行范围通常在50～60 ℃，无线测温系统的温度允差在可接受范围内。 在安装方式、安装要求和可重复利用性上，无线测温要优于热电阻测温方式。 在转动设备这个特定测量环境中，无线测温系统具有一定优势。

从某装置压缩机无线测温系统的使用情况来看，具有维护量低、测量准确性高及故障率低等特点，并且显著地降低了误报率和误报引起的压缩机联锁停机的风险，提高了压缩机的运行稳定性。

5 结束语

在化工行业仪表自控领域，SAW 技术的应用并不广泛。 通过某装置丙烯压缩机的应用经验来看，SAW 技术在转动设备内部温度测量的应用效果较好，有效提升了轴承温度测量的可靠性和灵活性，对提高压缩机运行稳定性，保证装置长周期平稳运行有积极意义。 随着科技的发展，希望SAW 技术能更广泛地应用到化工自控领域，为企业发展保驾护航。