整体齿轮离心式压缩机监控
概述
本白皮书探讨了为整体齿轮离心式压缩机（以下称为“IGC 压缩机”）提供连续监控和保护的Metrix产品的基础和设计。IGC压缩机分为两大类，涵盖两个知名行业采购标准。美国石油协会（API）标准617涵盖的“工艺压缩机”不仅适用于处理空气，还适用于处理各种工艺气体。API 617的范围更广，不仅涉及IGC设计，还包括轴流压缩机、单轴离心压缩机以及膨胀压缩机。
相比之下，API 672则定义了一类特殊的IGC压缩机，这类压缩机仅用于压缩空气。这些设备通常较小，采用了装有滑轨的组装设计，将IGC压缩机与驱动装置、控制系统及其他所有辅助设备集成在一个框架上。因此，API 672的标题将这些设备描述为“组装式整体齿轮离心式空气压缩机”。
图1对比了符合API 617标准的IGC压缩机和符合API 672标准的IGC压缩机之间的关键差异。图2展示了每种类型设备的示例，并显示了用于工艺服务的IGC压缩机与用于工厂空气服务的IGC压缩机在尺寸上有时存在的巨大差异。
图1-工艺IGC压缩机与组装式空气IGC压缩机关键差异的对比
图2-左侧所示的Ingersoll Rand CENTAC®（离心式空气压缩机）是典型的API 672设备，其设计为一个设备齐全的组件包，包含IGC、感应发动机前置器、中冷器、控制系统以及所有其他辅助设备。相对而言，右侧的Atlas-Copco设备是符合API 617标准的典型IGC设备。617设备通常比符合API 672的包装式设备要大，并且不同于672设备，能够处理各种气体，而不仅限于空气。
IGC压缩机特性
顾名思义，它是整体齿轮设备，由一个大型驱动齿轮（主齿轮或“大主动齿轮”）和多个从动齿轮（小齿轮）组成，压缩机叶轮位于小齿轮轴上（见图3）。因此，每个小齿轮可以以不同的速度运行，针对每个叶轮的速度进行优化。IGC压缩机几乎总是多级的，因此它们有多个叶轮，通过多级压缩将气体从入口压力提升到最终排气压力。
有时，这些设备被称为“两级机”、“三级机”、“四级机”等，这只是指叶轮或压缩级的数量。例如，图3中的设备是一台“六级机”，而图4中的设备则是一台“四级机”。工艺IGC压缩机最多可以有十个压缩级，而组装式空气压缩机通常只有三到四个压缩级。事实上，1980年代的创新和效率提升使得通风机可以使用三级设计代替四级设计，同时实现相同的气流和排气压力。这减少了活动部件的数量、能源消耗和相应的拥有成本，同时提高了可靠性。
图3-一台六级IGC的剖面图，显示了主齿轮（M）、三个小齿轮（P1、P2、P3）以及六个叶轮（I1-I6） 驱动设备（原动机）和联轴器未显示
图4-一台四级IGC的剖面图，显示了主齿轮（M）、四个叶轮（I1-I4），对应四个压缩级，以及六个径向轴承（B1-B6）。四个黄色箭头显示了每个小齿轮轴上的导向环与主齿轮导向环接触并将其传递到主齿轮的推力轴承上（B5和B6同时提供主齿轮转子的轴向和径向支撑面）。红色箭头显示了典型的可选加速度计的安装位置/轴向。
此类设备的另一个特点是极高的轴转速。虽然主齿轮的转速几乎总是低于3600rpm（北美60 Hz电网）和3000rpm（其他地区50Hz电网），但小齿轮的情况却不一样。除了一些极大的工艺IGC压缩机具有大直径叶轮外，小齿轮的转速通常超过20,000rpm，随着叶轮直径的减小，小齿轮转速相应增加。对于最终压缩级，60,000rpm的转速很常见，而在非常小的设备上，甚至可能超过70,000rpm。
由于叶轮的高速运转，这些设备往往很容易发生故障。例如，轴以60,000rpm的转速转动，意味着每毫秒转动一圈。在此速度下，快速检测到过度振动并停机至关重要。高转速、多个小齿轮、齿轮和悬臂叶轮也带来了复杂的转子动力学问题，包括横向和扭转方向。因此，这些设备成为了最早采用基于趋近式探头的连续监测和保护系统的候选设备之一。
组装式通风机
大多数工业工序都需要压缩空气，远远超出了石油、化工和天然气行业的需求范围，这也是API所关心的领域。因此，除了石油和天然气行业外，组装式空气压缩机还广泛应用于一般制造业，包括食品饮料、汽车、制药、纸浆造纸、水泥、钢铁、玻璃制造等行业。然而，无论是在哪个制造领域，这些机器很少有差别，因此基本上符合API 672的要求。
这些机器所产生的压缩空气质量通常通过ISO标准8573来衡量，该标准定义了空气纯度的三个类别：颗粒物、水分（液体和蒸汽）以及油。每个类别的纯度等级从0级（最纯）到9级（最少纯）。ISO 8573等级为1:2:0的空气意味着颗粒物污染的纯度为1级，水分纯度为2级，油的纯度为0级。当需要无油（0级）空气时，IGC压缩机是一个特别好的选择，特别是在医疗、制药、电子和食品饮料等行业中。事实上，使用IGC设计的工厂空气压缩机通常被制造商称为“无油”压缩机。
工艺设备
如图2所示，用于工艺气体的IGC压缩机通常比API 672设备更大，并不一定采用组装设计。这些设备符合API 617及其相关要求。此外，它们通常安装在基座上，而不是滑轨上。
IGC压缩机压缩机的优缺点
除了提供0级（无油）空气的能力外，IGC压缩机压缩机的其他优点包括相对于其他相同容量的压缩机压缩机而言占地面积较小，仅需一个联轴器，以及通过较少的叶轮便能达到所需的排气压力。IGC压缩机压缩机也比其他旋转式压缩机压缩机设计更容易实现各级冷却。此外，IGC压缩机压缩机的制造时间通常比其他设计快10-15%，价格低15-30%。
然而，IGC压缩机压缩机也存在缺点。每个叶轮都需要密封；IGC压缩机涉及更复杂的动态行为，引入了更多的振动和动态因素，且操作裕度通常较小。与没有齿轮的传统单轴API 617机器相比，整体齿轮压缩机在工艺装置中历史较短，风险更大，可靠性较低，维护要求更多。
虽然约5%的IGC压缩机采用蒸汽轮机趋动器，但95%以上由感应发动机驱动，这些发动机由于滑差的存在运行频率略低于50或60Hz的电源频率。需要注意的是，IGC压缩机不太适合变频驱动器（VFD），主要是因为其复杂的动态行为，尤其是扭转问题。因此，尽管IGC压缩机价格更低、制造时间更短，但某些工艺公司仍会避开这种设计。最后，IGC压缩机对不平衡更加敏感，因此，对于会引起叶轮结垢并导致不平衡的工艺过程，IGC压缩机可能不适用。
IGC轴承类型
几乎所有的IGC压缩机都使用液膜（即动压）轴承来提供径向和轴向（位移）支撑。然而，一些非常小的IGC压缩机可能会使用滚动轴承来承受径向和轴向载荷。这种情况非常罕见，即便使用滚动轴承，它们也仅用于主齿轮轴；小齿轮轴仍由液膜轴承支撑，因为相比于滚动轴承设计，液膜轴承具有更好的阻尼和较低的刚度。
推力轴承
推力轴承通常位于小齿轮轴上，但在IGC压缩机中还有另一种流行的轴向负载支撑方案：推力支撑环。在该配置中，只有主齿轮轴具有推力轴承。小齿轮轴的推力通过推力支撑环传递给主齿轮。图4展示了这些支撑环以及小齿轮轴上的环与主齿轮上的环如何接触。当每个小齿轮转子上有两个叶轮时，如图3和图4所示，推力部分被每个叶轮上的反向力平衡，因此推力轴承承受的负载较小。这种设计中常见的组合轴承既具有径向面又具有轴向面；图4中可以看到这种轴承在主齿轮两侧的示例径向轴承
IGC中的叶轮总是悬挂在径向轴承之外，而主齿轮则悬挂在轴承之间。例如，图3中的机器有八个（8）径向轴承：每个叶轮一个，主齿轮轴上两个。图4的机器有六个（6）径向轴承。
振动仪器
如前所述，IGC压缩机的极高小齿轮速度导致其容忍问题的能力极低；故障迅速传播，往往导致灾难性后果。在1960年代，由于能够直接观察轴及其运动，基于接近探头的振动监测逐渐流行，IGC压缩机成为需要这种监测的机器的前沿代表。实际上，Joy®压缩机是最早采用连续机械监测的公司之一，也是整体齿轮离心机领域的几位先驱之一。随着Joy将趋近式探头和连续监测系统作为其机器的标准配置，其他制造商迅速效仿，包括Borsig、Worthington、Elliott（现为FS-Elliott）及其PAP（Plant Air Package）型号，以及Clark及其ISOPAC®型号。Ingersoll Rand在1968年推出了CENTAC®（离心式空气压缩机）型号，紧随其后。如今还有许多其他优秀的IGC压缩机制造商；以上列举并非详尽无遗。以上仅回顾了几家最早采用基于趋近式探头的连续监测系统的公司。
回溯到1960年代，IGC制造商对成本非常敏感。因此，随这些机器提供的原始监测系统与所谓的API 670监测系统有所不同，后者功能更全面。例如，API 670要求每个通道都有单独的读数，而用于监测API 672机器的系统通常共享一个读数，通过通道切换。随着时间的推移，API 672机器的制造商完全放弃了独立的振动监测器，开始使用振动变送器，倾向于使用IGC自己的控制系统来提供监测和报警功能。因此，API 672机器不会默认使用API 670仪器。虽然用户在订购机器时可以选择它，但默认提供的系统则是基于变送器的更基本系统，测量点比其他涡轮机械类别（如API 612蒸汽涡轮、API 616燃气涡轮、API 617压缩机和API 613齿轮）更少。这种基本的仪器水平已被证明足以满足API 672机器的需求，并允许OEM以比符合API 617的工艺压缩机更具经济性的价格提供这些机器。表1总结了API 672打包空气压缩机默认使用的传感器和监测系统方法与API 617工艺压缩机使用的传感器和监测系统方法之间的主要差异。
振动、位移及转速变送器
振动变送器将信号的整体幅度转换为与之成比例的4-20毫安信号，其中4毫安代表量程的底部（通常为零），而20毫安代表量程的顶部。图6为一个径向振动探头观察一个以0.7mils pk-pk振动的轴，并连接到一个满量程范围为2.0mils的变送器的示例。其他类型的变送器（例如用于轴向位置探头的变送器）可以忽略信号的AC成分，仅查看平均间隙（而不是瞬时间隙）。还有其他类型的变送器可用于计算脉冲，例如通过探头测量齿轮齿或轴上的不连续性（如键槽）。此类脉冲的速率对应于轴的转速。
许多变送器是环路供电的，这意味着PLC、DCS或其他控制系统提供行业标准的+24V直流激励，消除了单独电源和相应接线的需要。
图5-正交（X-Y）径向趋近式探头间隔90°，因此在X和Y平面上观察轴运动。
图6-振动变送器将原始信号转换为与之成比例的4-20毫安信号。对于径向振动变送器，峰值检测器将动态（原始）信号的交流幅度转换为与PLC、DCS和其他系统（如用于控制IGC的系统）兼容的直流电流。
如果需要使用动态（原始）信号进行详细的振动分析，振动专家可以利用通常安装在机器底座上的Metrix MX2034趋近式变送器的BNC接口。MX2034符合行业标准标准（图7），即间隙减小（向探头方向运动）导致信号向上移动。
图7-趋近式探头系统输出的行业标准在API 670中有规定。Metrix MX2034趋近式变送器可以接受+24V直流激励或-24V直流激励，并在BNC接口提供的行业标准输出中，间隙减小会导致信号向上移动。
Metrix MX2034趋近式变送器可以接受+24V直流激励或-24V直流激励，并在BNC接口提供的行业标准输出中，间隙减小会导致信号向上移动。Metrix MX2034提供软件可组态的功能，根据用户偏好可以内部反转其缓冲输出信号（见图8）。
MX2034趋近式变送器的环路可达5000米（2英里）并保持精度。使用测试设备时，重要的是不要产生接地回路。虽然在使用电池供电或隔离测试设备时通常没有问题（因为存在“浮动”接地），但如果交流电源供电的测试设备输入阻抗不足（至少50K欧姆），并且系统插入了带接地插头的插座，就可能产生问题。Metrix变送器设计时考虑到了与外部设备的连接，只要不引入电压即可。接地回路可能是不同电位的一个来源。另一个可能来源是某些便携式数据采集器上的传感器电源设置。任何一个都可能向变送器引入外部电压，影响4-20毫安信号的完整性和相应的监测准确性。
设备诊断
基于变送器的系统易于被仪表人员理解，可以提供可靠的机械保护，允许对变送器输出进行趋势分析，能够在IGC的控制面板上本地显示数值和警报状态，并消除了独立监测系统的需求（及其成本）。
在极少数情况下，当4-20毫安信号预示机器问题的早期警告时，技术人员或工程师可以通过同轴电缆连接到BNC连接器，与诊断仪器（如便携式振动分析仪、示波器或其他数据采集/分析仪器）进行连接。如前所述，Metrix提供的减小间隙的行业标准输出提供了正向信号，而其他品牌的趋近传感器可能不具备这一功能。如此，诊断设备问题会变得更加方便。
Metrix MX2034数字趋近式系统变送器的动态信号输出来自于4针接线端子，具有短路保护功能，可以驱动比BNC接头更长的电缆长度（最长可达100米或375英尺），而BNC接头的限制为5米（16英尺）。
图8-通常约定BNC的极性为负，如API 670中所述。MX2034数字趋近式系统的配置软件允许用户在BNC连接器和图9所示的接线端子（SIG、COM）处反转原始信号的极性。
图9-4到20毫安环路可延伸至5000米（2英里）。除了用于临时连接测试仪器的BNC连接器（5米（16英尺）），MX2034变送器还通过接线端子连接，提供了永久连接到接线板或外部监测系统（如连续状态监测）的选项。永久接线输出可以驱动长度达100米（325英尺）的电缆，像BNC接头一样，具备短路保护，并提供行业标准输出。
需要注意的是，Metrix建议在672压缩机上安装617压缩机所需的传感器（如表1所示），即使附加探头和加速度计未被永久监测——至少它们已经安装在机器上，必要时可以使用。
对于现有机器，应该在计划的维护停机期间进行这一规划，并纳入工作范围。对于新机器，API 672机器的供应商几乎总是有一个标准选项，供包含这些附加传感器。
例如，API 672机器默认并不安装位于小齿轮上的相位触发探头。没有这些传感器，进行适当的机械诊断的能力会大大受到影响，并且这些探头通常难以从外部接触到。同时，小齿轮轴通常不会暴露，无法使用光学传感器和反射带安装临时相位触发器。在小齿轮轴上加装相位触发探头意味着需要拆卸外壳。更佳方式是在制造时指定安装这些探头，或在计划停机期间进行改装，以便在需要时可以使用。由于它们是API 672采购规格中的标准选项，因此在购买时较为方便。
主齿轮通常不配备轴向或径向振动探头，因为机器的这一部分以明显较慢的速度运转，通常不会像以更高速度旋转的小齿轮轴那样容易出现问题。然而，出于上述原因，仍然建议向OEM请求安装这些探头。
在诊断齿轮问题时，情况更为简单，因为加速度计是外部安装的，并且在符合API 672的IGC压缩机上，OEM需要通过钻孔和点面铣削适当的安装区域（通常是在小齿轮轴承外壳上）为两个加速度计提供安装位置，分别在水平和垂直轴上。但是，若可接触到，小齿轮轴承的安装位置也可以适用。诊断工程师只需提供适当的加速度计，并将其安装在这些现有孔位上。小齿轮通常设计的使用寿命为25年或以上，但如果齿轮问题频繁出现，这些加速度计可以永久留在机器内，并通过适当的设备（如后文详细讨论的Metrix 5580）进行监测。
“全功能”变送器
Metrix历来通过提供适用于不太关键的机械的高性价比解决方案，填补了机械状态监视和保护市场中的重要利基市场。较不关键的机器并不需要严格遵循API 670等行业标准，这些标准适用于最关键的涡轮机械。相反，他们要求系统具有与机器的经济性、它所提供的服务、其故障机制和故障后果相称的功能集合和相应价格。API 672机器的标准仪器包就是一个很好的例子——足够且可靠，但比670系统便宜。
Metrix为满足这一细分市场的经济监测解决方案，开创了振动变送器的概念。最初的型号旨在测量地震振动，后来演变成今天的ST5484E（其中ST代表“地震变送器”）。随后，Metrix开始推出可以接受驱近探头的型号。最初的型号采用模拟电路设计。2003年，引入了数字设计的Metrix TXR（径向变送器）和TXA（轴向变送器）。后来在2012年，Metrix推出了数字趋近式系统（DPS），其中MX2033用于常规API 670驱动器，MX2034则用于可以通过用户可用软件进行径向振动、轴向位置或速度测量的软件可组态变送器。DPS的可组态软件功能在过去十年中不断改进，最重要的新功能之一是允许在狭小空间中安装探头，接下来将进行讨论。
TIGHTVIEW®应用
在IGC压缩机中，特别是压缩机后期使用的小齿轮和叶轮的相对较小的轴直径，使得维持传统驱近探头系统所需的顶端间隙、沉孔和/或相邻表面间隙变得困难。这在组装空气压缩机中尤其如此，因为大多数包装空气压缩机的体积显著小于其对应的工艺压缩机。
传统Metrix趋近式探头系统（以及大多数其他制造商）的间隙要求如图10所示。在许多情况下，这些间隙对于API 672机器来说太大。为了满足许多672机器所遇到的小几何尺寸的需求，一些制造商引入了不同的探头、电缆和前置器或变送器，以允许减小间隙和顶端间距。然而，这些测量链使用的组件（探头、电缆、前置器/变送器）与可以观察到标准间隙的应用完全不同。因此，备件负担增加，因为大多数用户的工厂中有多种机器，既需要标准探头，又需要所谓的“窄场”趋近式探头。
图10-趋近式探头需要与侧壁间隙、埋头孔间隙和顶端间距保持足够的距离。靶面直径也必须足够大，以便使不连续性（例如轴的外缘）位于探头的视场之外。在IGC压缩机中，由于较小的轴直径和狭窄的几何形状，这可能会很具挑战性。此处显示的尺寸适用于标准Metrix趋近式探头系统。其他制造商可能具有更大的间隙要求。
为了允许用户使用标准测量链组件，Metrix引入了一种名为TIGHTVIEW®的功能，当应用无法维持标准间隙时，该功能补偿间隙与电压曲线（见图7）。此补偿允许使用标准5毫米和8毫米的探头和电缆，同时在反映不充分间隙的安装几何形状中提供线性曲线。
要将TIGHTVIEW®功能应用于特定的测量链，用户只需使用系统的配置软件组态探头适用于更小的间隙。应用特殊补偿以适应这些限制，同时保持探头的响应曲线线性，并保持其完整的80mil（2mm）线性范围。这一创新使客户能够在其工厂内的常规或更小间隙应用中使用相同的探头、电缆和前置器或变送器。这意味着TIGHTVIEW®功能仅是一个配置设置——而不是完全不同的趋近式测量链组件。
Metrix网站提供了详细视频，展示该系统的操作及其性能。通过使用8mm探头，图10中的最小埋头孔间隙可以减少到0.5英寸（12mm），而使用5mm探头时可减少到0.313英寸（8mm）。此外，侧壁间隙和最小靶材料尺寸也可以通过DPS软件的TIGHTVIEW®自定义校准显著减少。然而，减少顶端间距的能力依赖于不同的配置设置，接下来将对此进行讨论。
串扰
当所需的顶端间距要求未能满足时，相邻探头的场会相互干扰。如图11所示。
图11-当相邻探头的场相互干扰时，会发生串扰。左侧的探头保持了足够的间距，因此它们的磁场不会相互干扰。相反，右侧的探头观察到小直径的轴，它们的磁场相互干扰。
为了生成从趋近式探头发出的电磁场，探头内部的线圈在特定的振荡频率下被激发。当两个探头之间的间距不足时，探头的磁场会相互作用，两个振荡器之间的微小刺激频率差异会导致拍频（图12）。这种拍频表现为所谓的“串扰”，影响探头读数的准确性，因此存在最小顶端间距的要求。
图12-在传统应用中，所有探头的振荡器-解调器运行在基本相同的频率上，尽管这些频率略有不同，但它们不会相互作用。然而，在狭窄的空间中，无法满足最小探头顶端间隙要求，两个略微不同的振荡器频率的相互作用导致的频率被错误地解释为变化的间隙（即振动）——通常被称为串扰。
然而，Metrix DPS具有一个软件可组态的选项，能够消除这种串扰，使探头能够更紧密地布置而不互相干扰。它通过为每个相邻探头分配适当不同的频率来工作，消除探头正常频率响应范围内的频率。该设置可以在图8所示的配置软件的左上角看到。下拉框允许用户为任何给定探头分配X频率（默认）或Y频率。这些不同频率的结果如图13所示。该设置适用于振荡器-解调器的变送器版本和前置器版本，可以应用于任何两个相邻探头，无论是径向X-Y对、轴向位移对或其他类型，从而不再相互干扰。
图13-默认情况下，给定系列内的所有探头均以相同的振荡频率发货（顶部）。由于振荡器电路的小变化，两个探头将以几乎（但不完全）相同的频率振荡，当物理间隔过近时，会导致图12中描绘的拍频。然而，通过为每个探头分配适当不同的频率（底部），串扰得以消除。Metrix DPS软件提供串扰消除功能。
5mm与8mm探头
5mm和8mm探头使用相同的线圈，因此在用电气特性上是相同的。然而，探头的物理尺寸是不同的，如图14所示。由于8mm探头的尖端封装较厚，探头的壳体更大，具有3/8-24 UNF-2A（英制）和M10x1（公制）的螺纹尺寸。较大的探头壳体和额外的封装使得8mm探头在物理上更加坚固，因此在有足够安装空间的所有应用中都推荐使用8mm探头。
图14-5mm（顶端）和8mm（顶端）趋近式探头在物理特性上不同——而不是电气特性，因为它们使用相同的探头线圈，但包装的物理结构不同。探头按比例绘制。8mm探头在探头线圈周围具有更多的PPS封装，且外壳尺寸更大，可以支持更大的螺纹。5mm探头则在探头线圈周围封装较少，外壳尺寸更小，可以支持较小的螺纹。IGC压缩机通常使用5mm探头的小尺寸，因为机器的几何形状较小，相应地缺乏安装较大的8mm探头的空间。
如前所述，5mm探头使用与8mm探头相同的线圈，因此在电气上是相同的，具有与8mm探头相同的线性范围（80 mils或2mm）。然而，由于探头顶端直径较小（5mm），包围线圈的封装较少。探头外壳的直径同样较小，具有¼-28 UNF-2A（英制）和M8x1（公制）螺纹尺寸。由于5mm探头的外壳壁厚较薄，因此其能够承受的扭矩仅为8mm探头外壳的四分之一。这并非证明5mm探头坚固度低，这仅仅说明8mm更加坚固，因此，仅在物理尺寸较大的8mm探头与机器的几何形状不兼容时才推荐使用5mm探头。
尖峰抑制
大多数监控系统算法在接收来自前置器的信号时，会忽略非周期性尖峰，从而防止其影响峰值检测器。在变送器中，特别的措施已被采取以抑制振动信号中的非周期性尖峰。尽管不常见，非周期性尖峰可能源于多个来源，包括雷电、开关断路器、电源浪涌、手持无线电的使用以及其他瞬态电气现象。
重要的是要注意，这些尖峰并不是由于轴上的机械故障（如划痕或表面处理不当）、轴中的残余磁性或其他导致电机运行不稳的因素造成的。处理运行不稳的正确方法是去除它——而不是掩盖它。然而，电气噪声本质上是非周期性和瞬态的。与运行不稳不同，会有不同的方法来缓解该问题。
在MX2034中，尖峰抑制是一个可由软件组态的选项，勾选方框即可启用或关闭该功能。该功能通过检测波形中持续时间短（即小于25毫秒）、幅度超过阈值水平的尖峰来工作。它会查看这些尖峰是否是重复的（在这种情况下，它们不会被忽略）或非周期性的（在这种情况下，它们会被忽略）。请参考图15。
图15-尖峰抑制如何防止电气尖峰影响4-20mA信号的示例。
尖峰抑制的使用很常见，其他供应商的趋近式变送器也提供过这一功能，作为工厂特殊标定的硬件修改。 然而，由于MX2034是数字设备，并且完全可由软件组态，因此，此类功能不需要特殊硬件，并允许单个设备用于所有应用。
温度稳定性
无论是空气还是其他可压缩气体，压缩的物理特性要求随着气体密度的增加，气体变得更热。因此，尽管在各级之间使用了中冷器（这是所有IGC压缩机的常见做法），但IGC压缩机的后期阶段仍然可能变得相当热。这导致探头的工作环境中定期出现高温现象。早期的趋近式探头系统可追溯到1960年代和1970年代，在温度变化时表现出较差的线性度。在随后的几十年中，已取得许多进展，以提供在更广泛的工作温度范围内保证线性性能的趋近式系统。事实上，多年来探头的主要进展是在温度稳定性和物理坚固性方面。Metrix探头和延长电缆设计用于承受高达177°C（350°F）的工作温度。另一方面，变送器/前置器安装在机器的接线盒上，因此通常不会遭遇与探头和延长电缆相同的高温。它们设计用于高达85°C（185°F）的工作温度。
推荐传感器套件-API 672设备
API 672要求符合该规范的IGC压缩机配备基于变送器的监测系统，以监测每个叶轮的X-Y径向振动。尽管对推力轴承的轴向位置测量没有强制要求，而是使用推力轴承的温度测量，许多客户仍然希望安装轴向探头，Metrix推荐将其作为工程实践。对于具有推力支撑环设计的机器（图4），推力探头位于大齿轮轴上，因为推力轴承位于此处。对于没有支撑环设计的机器，推力轴承将位于叶轮轴上。为了减少损失并最大限度地提高效率，叶轮与蜗壳之间的间隙保持尽可能小，允许的轴向移动非常有限，以避免转子与定子的摩擦。由于叶轮的转速极高（数万转/分钟），在短短几分之一秒内可能会发生灾难性损坏。
出于诊断目的，在每个叶轮轴上安装的相位触发探头非常有价值。尽管这些探头不是机器保护方案的一部分，并且是可选的，但Metrix建议在购买时就指定并安装它们。对于这样的探头，相应的变送器通常设置为将信号处理成转速测量。尽管每个小齿轮的齿轮比允许根据大齿轮转速计算每个级别的转速，但转速测量作为状态监测仪器的直接输入对于进行机器诊断的振动分析师仍然非常有用。然而，更重要的是，相位触发探头提供的每转一次参考。这使分析师能够计算小齿轮轴上每个径向探头的振动相位（通常为四个探头），并开拓更大的诊断能力，避免分析师没有相位信息的情况。
基于以上所有原因，Metrix建议API 672机器配备与API 617机器相同的趋近式探头。相关信息总结于表1。
Metrix 8030 8mm探头或2030 5mm探头及其配套延长电缆用于进行这些测量。
永久监测机壳加速度测量的情况很少。临时安装加速度计以评估齿轮状态是更加常见的情况。API 672机器自动预留此类传感器的安装位置，但不包括传感器本身。如果客户希望永久监测此类设备，可以使用适当的变送器，如Metrix 5580可组态信号调节器，该调节器过滤加速度信号至感兴趣的范围，并向IGC压缩机控制系统提供成比例的4-20mA输出。对于分析师而言，轻松访问未经滤波的加速度计信号至关重要，以便利用传感器的全频率范围识别与齿轮相关的问题。在数万转/分钟的小齿轮旋转下，齿轮啮合和齿轮通过频率会更高，只有加速度计（而不是压电速度传感器）才能涵盖此范围。图4中的红色箭头显示了这些加速度计的典型安装位置，但这会因制造商而异，并对应于他们的推荐位置，以最大化齿轮相关频率的传输。Metrix SA6200A加速度计是进行齿轮测量以及其他许多应用的优秀选择。以下是与齿轮测量相关的摘要规格。
推荐传感器套件-API 672设备
根据API 672的规定，适用于封装空气压缩机的监测系统由趋近式变送器和机器控制系统组成，实现报警、趋势分析和显示。因此，控制器本身就是监测系统。信号以4-20mA的比例传入控制器。对于径向振动，4-20mA信号与峰峰值振动幅度成正比；对于轴向位移，信号与平均探头间隙成正比；而相位触发信号探头则观察到每转一次的离散变化（通常是键槽或特殊加工的孔），并将其转换为与轴转速成正比的4-20mA信号。相位触发传感器的真正价值并不在于转速指示，而是在进行诊断时利用振动相位的能力。
API 672空气机器采用基于变送器的系统已有35年以上，现今很少能在现场发现未在每个压缩机叶轮附近安装趋近式系统的通风机。如果遇到未监控的机器，或已安装的系统较旧并需要更换（频发），建议使用Metrix MX2034 趋近式变送器。API 672 机器的非典型系统布置图如图16所示。
MX2034有许多特性，其中大部分已经讨论过，可以满足API 672机器的需求。方便起见，这里简要总结如下：
通用配置
MX2034可通过软件组态测量类型、探头类型、满量程范围及其他设置。这使得单个设备可以用于径向振动、轴向位移和转速（相位触发）测量，无需携带不同的变送器进行不同的测量。过去的模拟设计不仅需要不同设备进行不同测量，还需要不同的满量程范围。TIGHTVIEW®能力
MX2034不需要使用与工厂其他地方通常使用的不同探头和电缆类型。因为标准探头和电缆可以通过简单组态信号调节器（变送器）来适应受限空间的应用。其他系统则需要使用特别设计的探头、电缆和变送器，限制探头的侧面距离要求，通过不同的线圈实现更窄的侧面距离要求。
这意味着许多工厂不仅需要储备不同类型的变送器，还需要与其他机器使用的探头和电缆不同的类型。Metrix DPS 通过使用标准探头和电缆在变送器中使用特殊的TIGHTVIEW®组态，消除了这一要求。现场可更改选项
在现场所需的更改可以通过简单地将 MX2034 连接到其组态软件并进行所需更改来实现，而无需购买具有不同“硬连线”配置（如探头类型、测量类型和满量程）的设备。信号极性反转
MX2034在缓冲输出或BNC处默认提供负极性，这是趋近式传感器的标准。它还可以通过软件配置以反转缓冲输出的信号极性，这在其他环路供电的趋近式变送器中是无法实现的，通常需要使用特殊的外部适配器。支持较长电缆运行的独立永久接线端子
除了设备上的BNC接头外，MX2034还配备了永久接线端子，旨在将原始信号连接到距离机器较远的面板和连续状态监测系统。
许多其他变送器仅具有两个接线端子：用于 4-20mA 输出的端子。原始传感器信号仅通过 BNC 接头提供，仅适合临时连接，且适用于 5m（16 英尺）或更短的电缆长度。相比之下，MX2034 提供的原始信号可通过永久接线端子输出，并允许使用长达 100m（325 英尺）的仪器电缆，将原始信号扩展到比机器更方便的位置。这使得 4-20mA 环路可以输入到 IGC 压缩机控制系统中，在这里完成所有保护功能和报警，而原始信号可以连接到一个单独的环境中进行状态监测——通过将便携式分析仪/数据采集器定期连接到面板，或者通过连接独立的状态监测和数据采集系统进行永久连接。消除串扰
许多符合API 672标准的IGC压缩机的小物理几何形状和间隙意味着探头通常必须安装在靶面大小有限的小直径轴上（例如双投轴向测量）或无法保持顶端有足够的间距（轴向和径向测量）。这可能导致串扰。MX2034允许用户将相邻探头设置为两个不同的震荡频率，消除串扰，并使探头之间可以比其他方式间隔更近地安装。相同信号调节算法
Metrix变送器设定了用于符合API 672标准的通风机的峰值检测算法的行业标准。用户可以安心使用Metrix DPS替换他们老化的模拟变送器，确保读数满足 API 670 精度要求，历史趋势可以与当前趋势进行比较，报警设定点无需重新建立。
与IGC控制系统的兼容性
几乎所有的IGC压缩机控制系统都设计可接受来自径向振动、轴向位移和转速传感器的4-20mA信号。MX2034以行业标准的ISA SP50格式提供这一信号，并由IGC控制系统可用的+24Vdc激励供电。MX2034将成为大多数老旧变送器的替代品，甚至可以替代1960年代、1970年代和1980年代旧IGC压缩机上的独立监测系统。
API 672机器上的5580/SW5580
Metrix 5580智能信号调节器是一个双通道设备。SW5580智能信号调节器和开关配备了内置报警继电器功能，以提供一个功能齐全的机械保护系统。该系列旨在以低成本效益的方式满足不需要机架系统和复杂性的机械设备需求。该解决方案适合大多数设备，提供了适当的功能。
基本型号5580本质上是一个外部供电的通用振动变送器，能够接受几乎任何振动传感器的输入，将其转换为成比例的4-20mA信号，以工程单位显示，并提供原始信号输出。此原始信号可以通过设备上的BNC接头就地获得，并且也可在接线端子上获取，适用于连接长达300m（1,000英尺）的电缆，无需使用线路放大器。这比市场上大多数振动传感器的300m（1,000英尺）限制提供了更多的灵活性。
如前所述，MX2034通常是API 672机器的合适的选择。然而，5580可以通过允许对齿轮箱上的加速度计进行永久监测来增强MX2034。5580提供基于加速度信号幅度的成比例4-20mA输出，因此它可以用作加速度计信号调节器和变送器。
在某些情况下，用户可能需要5580的内置显示器，以及在连接到集成面板或独立的振动监测系统（VMS）和状态监测系统（CMS）时，能够驱动的长达300m（1,000英尺）的原始动态信号。在这些情况下，5580可用于监测API 672和API 617机器。需要注意的是，5580也适配趋近式探头前置器。尽管5580可以接受任何符合API 670标准的趋近式系统，但MX2033前置器提供了许多与IGC压缩机用户相关的MX2034趋近式变送器的相同功能，即TIGHTVIEW®配置、串扰消除和API 670信号极性约定的保留。
推荐传感器套件-API 617设备
符合API 617的机器通常会配备比API 672机器更多的传感器。如果机器没有表1中所描述的传感器套件，建议按表中描述的类型、数量和位置进行改装。由于相位触发器可以成为重要的诊断工具，建议在每个轴上安装备用相位触发器，作为API 670第6.1.5.2条中提倡的最佳实践的标准选项。
推荐传感器套件-API 617设备
API 617机器的默认监测系统应符合API 670标准。实际上，API 670系统的一个显著特征是符合670标准的系统必须独立于机器控制系统（见API 670第五版第4.8节），这将其与 API 672 机器的集成系统（即机器控制器是监测器）区分开来。670标准的这一要求确保控制系统的故障不会破坏机械保护功能。
对于一台组装空气压缩机，故障的后果通常与流程停机和机械维修成本有关。由于其组装设计，快速更换故障机器通常是可行的。相比之下，工艺压缩机很少（如果有的话）能做到这一点。另一方面，API 617过程压缩机故障的后果往往涉及流程、机械维修成本，以及最重要的，危害物质的释放和/或火灾/爆炸的危险。因此，风险通常更高，需要一个提供机械保护功能的隔离系统。
相似的功能也可以在一个更接近于变送器的系统中实现，但具有额外的特性和用户便利性。Metrix SW5580在经济性和功能性之间取得了良好的平衡，提供了一个完全独立的机械保护解决方案，功能上和物理上独立于机器控制系统。因此，它是许多API 617机器的良好选择，在这些机器中，将机械保护集成到控制系统中并使用基于变送器的方法并不理想。SW5580拥有适合API 617 IGC压缩机的一系列合适功能，具体如下：
一体式报警/继电器
SW5580提供内置报警功能的固态或机电继电器，以外部方式告知和传输这些报警，用于指示和机械保护（即自动关机）目的。非SW版本5580输出4-20mA到到PLC、DCS或其他控制/自动化平台，这些系统提供报警。SW版本则在需要自给自足的报警和机械保护能力时使用。
通用可组态设计
前几代信号调节器和监测器由不同型号构成，以满足不同的测量需求。一个型号用于径向振动测量，另一个用于轴向位置，另一个用于加速度测量，另一个用于速度测量，另一个用于转速测量。相对而言，5580使用软件可完全组态设计，允许其针对任何测量进行组态。这减少了人员培训成本和备件负担。确保可以在舒适安全的办公环境下完全通过软件进行测量更改，然后可以将设备安装在现场。
双通道模块化
前代Metrix信号调理器和监测器都是单通道设计，两个通道需要占用两倍的空间和硬件。5580和SW5580提供两个独立可组态的通道。例如，一个通道可以接受用于轴向位置监测的趋近式探头，而另一个通道可以接受用于径向轴承振动的地震传感器。该设备还可以被组态用于所谓的“双路”监测，由此在两个单独的路径中处理单个传感器以提供两个单独的测量。例如，安装在轴承外壳上的单个加速度计可以在通道1上监测加速度以评估轴承状况，同时在通道2上监测积分速度以检测与转子相关的故障，如不平衡和错位。这两个通道可以有各自独立的报警设定值。
这些设备也是模块化的，因为它们可以在启用单个通道的情况下提供，并相应计数。以后可以使用工厂提供的特殊固件密钥在现场启用第二通道，从而无需将双通道硬件换成单通道硬件。
多状态LED
报警和状态条件在设备上通过多状态的LED灯清楚地报出，具体如下：
每个通道都有一个LED，可以为每个测量和传感器提供单独且明确的状态通知。
通用输入
5580和SW5580支持大多数市面上售卖的加速度、速度和趋近式传感器，包括提供任何必要的传感器电源。单个24Vdc电源为设备、4-20mA输出及其连接的传感器供电，包括趋近式传感器所需的-24Vdc电源以及IEPE加速度计和压电速度传感器所需的恒定电流。对于API 617机器，趋近式测量通常由MX8030 8mm趋近式探头、MX8031延长电缆和MX2033前置器组成。对于已安装竞争对手且兼容API 670的趋近式探头，5580/SW5580 也是完全兼容的。
一体式四线制双通道OLED显示器
设备背光OLED显示器可就地显示读数，而不仅限于PLC、DCS或其他控制器的HMI。两个通道连续且同时显示，以包括通道号、4-20mA输出值、测量值和相关的工程单位。
单独可组态的继电器
对于SW型，提供了四（4）个继电器，每个通道两个。这样可以分别为每个通道通告告警和危险。继电器可组态为常闭或常闭状态，正常带电或正常不带电。提供常开（N.O.）和常闭（N.C.）接线端子。用户可以在订购时选择固态（SPST）或机电（SPDT）继电器。固态继电器通常用于向控制器和其他设备提供逻辑级警报状态。机电继电器通常用于开关插入式继电器、燃料阀螺线管或其他跳闸装置，作为机器控制的一部分，其中所切换的信号大于逻辑电平电压。
本地缓冲输出
为每个通道提供了传统的BNC接头，以便于连接到便携式仪器，如数据采集器、DVM和分析仪，其中电缆长度不超过16英尺（5米）。这些输出与4-20mA输出完全隔离，以确保外部设备的连接不会损害监视或保护功能的完整性。
放大缓冲输出
当设备安装在机器的接线箱中时，打开接线箱连接便携式仪器会很不方便。在Metrix设备的前几代，以及在大多数市售监视器中，在不使用外部放大器来长距离驱动原始信号的情况下，缓冲输出不适合超过5-10米的布线。5580/SW5580通过采用集成信号放大技术克服了这一限制，使缓冲输出信号的驱动距离达到了1000英尺（300米）并保持无失真。放大信号可在接线端子处使用，用于永久连接到远程接线板或其他状态监视系统。
这些缓冲输出的另一个重要方面是，当连接外部状态监测系统时，它与机械保护系统完全独立。越来越多的客户要求通过互联网可访问的系统（如状态监测）与基础机械保护系统完全隔离，确保不会通过入侵和破坏状态监测系统来干扰或削弱保护系统。由于5580/SW5580之间的连接完全是模拟的，因此保护系统与状态监测系统之间不会发生任何通信或数字握手。连接本质上是一个所谓的“数据二极管”，数据仅以模拟格式单向流动。这种设计增强了系统的安全性和可靠性，确保了机械保护功能不会受到外部系统干扰。
“非OK”通知
除了通过设备的LED灯发出“非OK”状态通知外，每个通道的电流回路（4-20mA）输出将钳制在4mA以下的数值，确保“非OK”状态可以与其他状态相区别。如果使用SW5580，您可以设置警报，以便在出现“非OK”状态时发出警报。这种设计确保了在设备出现故障或异常时，用户能迅速获得明确的指示，从而采取必要的措施，保障机械的安全运行。
远程复位
锁存式报警和继电器可以通过使用设备上的复位端子进行远程复位。使用“复位”将释放所有清除的锁存警报，除非该通道仍处于报警状态。
USB端口
设备正面的USB端口可连接运行5580/SW5580组态软件的计算机上传和下载组态。该端口支持高达5米（16英尺）的标准USB连接。
可拆卸接线端子
为了便于维护，接线端子是可拆卸的。提供四个单独的接线端子，两个在顶部，两个在底部，如下所示：
*仅存在于SW5580上
DIN导轨安装
每个5580或SW5580安装在标准35毫米DIN导轨上，并使用整体导轨安装夹。
危险区域批准
该设备具有北美（CSA）、欧洲（ATEX）和全球（IECEx）危险区域批准，允许它们安装在2分区/2区环境中。有关SW5580的5580和1899690型号，请参阅Metrix的1874437图纸。当机器本身处于1分区或0/1区环境中时，可以在传感器和5580之间配置主动或被动的安全栅，以满足危险区域批准标准。5580/SW5580和相应的本安安全栅必须位于2分区、2区或非分类区域。参见本安安全栅特定传感器图。
典型系统布置
图17（第30页）显示了由电机驱动并采用滑动轴承的API 617 IGC压缩机的典型系统布置。此外，机器使用推力支撑环，且机器上唯一的推力轴承位于大齿轮轴上。总体而言，监控由以下测量组成：
每个径向轴承上的X-Y探头
大齿轮轴上的双轴向探头
所有小齿轮轴以及电机（驱动）轴上的相位参考探头
所有输入均已显示。为了清楚起见，仅针对单个5580/SW5580显示输出，并且复制每个设备的输出。
电源的考虑因素
当通过MX2034提供监控时，电源来自机器的控制系统，因为每个MX2034都是回路供电的。
当通过5580/SW5580提供监控时，可以从任何信誉良好的供应商处选择24V直流电源，若需要提高可靠性，还可以使用冗余方案。选择电源时，请对每个5580/SW5580使用以下尺寸调整注意事项。
上面的表格假设了最坏的情况，其中所有继电器都通电，所有传感器都是趋近式探头，功耗12mA@24V的最大功率，所有记录器输出都处于20mA的满量程，并且所有缓冲输出都以最大信号幅度驱动现场接线的最大允许长度。
外壳的考虑因素
将系统安装在机器上时，建议使用合适的外壳来保护电子设备免受元件的影响。此外，在CSA Class I, Div 2、IECEx和ATEX二区危险环境中，可能会强制性要求安装外壳。如果需要本地显示状态和当前值，请选择带有窗口的外壳。
对外壳进行尺寸调整时，请参阅5580/SW5580数据表（文件编号：1874512），了解散热要求，以确保足够的气流，并且温度升高不会使设备在最大额定值之外运行。确保在这些计算中还包括电源。请咨询工厂或您当地的Metrix销售专业人员以获得帮助，包括安装和项目建议。
图16-使用MX2034趋近式变送器的API 672空气压缩机典型系统布置
图17-使用SW5580双通道监视器的API 617工艺压缩机典型系统布置
