1、可变磁阻式转速传感器
VR 传感器，也称为磁拾取 (MPU) 传感器， 其应用之一是过程工业中重型旋转设备的超速检测，它测量旋转机械（例如燃气轮机和蒸汽轮机）的转速。对于这些类型的应用，VR 传感器可用于速度控制功能和“隔离”超速保护功能（IEC 61508 / IEC 61511/ API 670）。由于其简单的设计，这些传感器适用于恶劣的环境。
注意：API 670 和 IEC 62061 都规定用于超速检测的安全系统应该是一个独立的系统，而不是与控制系统等共享组件和功能。这是为了防止同时影响两个系统的常见故障。因此，超速保护系统和控制系统应有各自独立的速度传感器。
VR 传感器是自发电的：它们由线圈和永磁体组成。当铁磁目标（例如齿）接近传感器表面时，通过线圈的磁通量发生变化，从而产生电压输出。
VR/MPU 传感器的自感输出电压-输出信号的幅值与探头面与磁性齿的距离、齿的尺寸和轴的转速有关。
注意：极片的直径和线圈的电感影响输出电平。这些参数特定于传感器模型并嵌入到传感器的设计中。本文档仅简要讨论了对信号输出的影响。所有情况都以完美的正弦信号呈现。这只能在理想情况下实现。在实践中，波形会更复杂。
幅值影响因素
相对于间隙位置的输出—信号幅度与传感器与测量面的距离成反比；如果距离减小，幅度会增加。换句话说：当传感器靠近磁极齿时，信号幅度高于传感器远离时。
注意：如果 ATEX/IECEx 分类适用，必须保证最小间隙以避免金属与金属接触。最小间隙也可用于限制输出电压。
相对于转速的输出—速度越低振幅越低，速度越高振幅越大。
注：实际参数不是转速而是圆周速度。以米/秒表示。
例如：一个直径为100mm的极轮，以1500RPM的速度旋转，等于8m/s，在3000RPM，其圆周速度为16m/s。当极轮的直径增加到 200 mm 并以 3000 RPM 运行时，圆周速度为 31 m/s。
相对于齿尺寸的输出—通过磁极片的铁磁质量越大，输出信号就越高。
相对于极片直径和齿尺寸的输出—齿顶和极片直径之间的比率显着影响输出幅度。当极片直径小于齿顶时输出幅值较低，当极片直径等于或大于齿顶时输出幅值增大。
2、极轮几何参数
由于测量类型和传感器设计，每种 VR 传感器类型都有其特定的物理限制。对于每种传感器类型和型号，都指定了允许的极轮尺寸。这通常由称为“模数”（M）的参数完成。模数 (M) 定义了两个渐开线形齿轮相互配合的兼容性。
DIN 780 规定了“模数”数字如何定义齿轮尺寸。
对于渐开线齿轮，以下简化的几何关系适用：m=dk/(Z+2) ;m = 模数 dk = 外径 Z = 齿数 , 这表明具有相同模数的齿轮几乎具有相同的齿尺寸，而不管 车轮的直径。对于相等的圆周速度，它们将产生几乎相同的输出。
注意：对于渐开线齿轮，“模数”自动定义齿高和齿顶尺寸。当用于其他极轮形状（如开槽极轮）时，需要特别注意齿高，以确保齿尺寸适合应用。
典型的极轮形状
直径为 200 mm 和 100 个齿的极轮定义为模数 2 (m = 1.96)
注：相同的方法可用于开槽极轮。在这种情况下，重要的是要意识到槽深度是一个重要的参数。如果槽深不足，传感器可能无法检测到槽，并且超速检测系统无法定义可靠的触发点，从而导致速度测量不稳定。
另一个重要参数是齿的宽度。传感器应仅受齿面的影响。当面对齿的边缘时，可能会丢失脉冲或速度检测可能会受到极轮轴向位移的影响。这个问题主要发生在带有套筒轴承的重型机械中，如燃气轮机或蒸汽轮机。
3 目标材料
VR 传感器的永磁体保持稳定的磁场。极轮的齿在旋转过程中产生连续移动的目标。对于检测移动牙齿的探头，它们需要影响磁场。这仅在它们由黑色金属（将金属分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要指铁及其合金，如钢、生铁、铁合金、铸铁等。黑色金属以外的金属称为有色金属。）制成时发生，例如：
铁
所有常见的碳钢
铁素体不锈钢（例如 416、430）
在边缘部分，可以集成小磁铁以增强通量的变化
非黑色金属材料不适合，例如：
铝
Bras
奥氏体不锈钢
镀有 8% CrNi 的材料
选择合适的材料很重要，VR 传感器不适用于有色金属目标材料。黑色金属目标通过不断接近和远离传感器来改变通量，这随后会改变传感器的电压输出。
注意：极轮中封闭的“强”磁场也会导致速度信号的干扰。
4. 电气行为
由于 VR 传感器是自发电的，因此它们不依赖于外部电源。
输出信号不仅受极轮几何形状、转速和到极轮的距离的影响，还受传感器设计和施加到传感器的负载阻抗（来自测量设备的输入阻抗）的影响。
为具有低“模数”数量的极轮设计的 VR 传感器通常很小，并具有高阻抗线圈（例如，10 kΩ）。这是由于极片直径、绕组和线径的数量所决定。设计用于更多模块数量的传感器更坚固，线圈具有更大的极片直径、更少的绕组和更大的线径。这导致较低的阻抗（例如 3 kΩ）。
下面的示例显示了输出信号相对于间隙和齿轮模数的行为，圆周速度为 15 m/s。
注：圆周速度受极轮直径和转速的影响。
5. 现场布线
如前几章所述，传感器输出受以下因素影响：
气隙：当探头靠近磁极轮时，信号幅度高于探头远离时的信号幅度。
极轮“模数”：当极轮齿数较小时，输出将低于极轮齿数较大时的输出。
圆周速度：低速时振幅较低，速度较高时振幅增加。
系统阻抗和传感器阻抗都会影响信号输出的电平。
现场布线对传感器输出信号有其自身的影响。传感器线容易受到辐射噪声的影响。现场布线的最佳工程实践是：
传感器电缆必须具有 100% 覆盖率的箔屏蔽和至少 80% 覆盖率（网孔密度）的编织外屏蔽层连接到超速保护系统。
传感器电缆必须尽可能远离大型电机。
传感器电缆不得在电源电缆附近敷设。
所有速度信号线需单独安装，路径分开。因此，不能用单个多核电缆，或捆绑在一起。
布线阻抗、系统输入阻抗和传感器阻抗会导致信号干扰和信号丢失。基于线圈阻抗和 10 kΩ/nF 的系统输入阻抗，电缆长度是有限的。超过指定的最大电缆长度可能会导致错误的信号解释。
与电缆长度相关的 VR 传感器信号行为示例。
1 kHz 时的电感：360 mH
25 ℃ 时的电阻：1.000 Ω
极片：直径 5 mm
应用负载阻抗 10 kΩ
极轮模数 2
电缆长度引起的低通滤波——除了阻抗不匹配外，电缆长度也会影响最大可测量速度。由于电缆的电容和电阻值，电缆可以用作低通滤波器。这意味着电缆越长，最大可测量频率越低。
典型的工业数据电缆在 300 米长的电缆上具有 20KHz 的低通滤波器频率。这意味着使用长度超过 300 米的电缆会大大降低信号幅度 (-3dB/Octave)。
6. VR传感器输出效果概览
注意：所有情况都以完美的正弦信号呈现。这只能在理想情况下实现。在实践中，波形会更复杂。
7. 在 ATEX 环境中应用
隔离器和安全栅的优缺点
原理：齐纳安全栅用于通过无源元件限制可以进入危险区域（爆炸区域）的最大允许能量。
隔离式安全栅用于限制可进入危险区（爆炸区）的最大允许能量。除了限制能量外，隔离器还提供危险区和非危险区之间的电流绝缘。
注：爆炸性环境 – IEC 60079-14:2013：电气安装设计、选择和安装部分 16.3 满足设备保护等级 (EPL)“Ga”或“da”要求的安装规定：本质安全和非本质安全电路是首选。由于等电位连接系统中只有一个故障，在某些情况下，可能会导致着火危险，只有在接地布置符合第 2 项的情况下，才应使用没有电流隔离的相关设备 ) 的 16.2.3。（16.2.3.-2 仅对于 TN-S 系统，连接到高完整性接地点，以确保连接到主电源系统接地点的阻抗小于 1 欧姆电阻。 )”
接地和阻抗
齐纳和隔离器之间的主要区别在于信号如何传输和接地。
作为无源直通器件的齐纳式增加了回路负载。当不可接受的高压通过屏障进入危险区域时，屏障会将信号引流到地，或者当电流过高时保险丝熔断。为了能够将过多的电压排放到地，齐纳式需要连接到本质安全 (IS) 地。因此，该型并未与逻辑求解器电气隔离，这会导致接地回路的风险。齐纳势垒无法将电压转换为电流信号，这使得信号不太适合长电缆。
隔离器是一种有源设备，需要安全侧的电源电压才能工作。由于隔离，危险区域中的传感器与逻辑求解器不连接到同一地，消除了接地回路的风险。此外，隔离器通常会降低环路负载，从而降低丢失信号质量的风险。隔离器可以将电压信号转换为电流信号，这使得信号更适合长电缆。
（未完待续，下一篇我们会讨论电涡流传感器如何应对转速测量）