电涡流传感器振动信号传输距离的探讨

樊真

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

压缩机作为化工厂常见设备之一，广泛应用于各类装置中，压缩机机组的可靠运行与工艺流程的稳定密不可分[1]。随着装置服役年限的增长，轴振动成为压缩机组的常见问题，中石油塔里木油田某化工厂合成氨装置2016年开车期间出现空压机高压缸轴振动异常导致其无法正常运行，四川石化公司3 Mt/a渣油加氢装置Ⅰ系列循环氢压缩机频繁出现轴振动高高联锁，导致该装置非计划停车[2-3]。实时监测振动对明确安全问题发生机制和提供解决方案有重要价值。电涡流传感器作为一种常用监测元件，其可靠性与传输电缆长度有密切关系，但目前对电缆长度的判断多以经验进行估测，这也导致实际工程中存在问题。本文以某合成氨项目中压缩机振动测量回路为例，重点分析影响信号衰减的电缆长度和防爆要求两个主要因素。

1 测量原理

电涡流传感器由探头、延长电缆、前置器等部件组成，结构形式如图1所示。前置器与监视器之间采用三线制电缆连接。

图1 电涡流传感器结构形式示意

前置器是具有调制解调功能的电子设备，在24 V直流电源的驱动下，通过高频振荡电路向探头内部线圈提供一个3 MHz的高频正弦交流调制电流信号(RF信号)，探头内部线圈因而产生交变磁场，金属表面产生电涡流。该电涡流所产生的磁场与探头产生的磁场方向相反，因此对探头具有阻抗。探头线圈的等效阻抗Z可表示为

Z=F(σ，μ，f，x，r)

(1)

式中：σ——被测金属导体的电导率；μ——被测金属导体的磁导率；f——激励信号的频率；x——线圈与金属导体的距离；r——线圈的尺寸因子，与线圈的结构、形状以及尺寸相关。

在工程应用时，Z是x的单值函数，该函数为非线性函数，在一定范围内可以近似为线性函数。x的变化最终体现为电压信号的变化，如图2所示。其中图2b)中的虚线为高频信号的包络线，即前置器解调后的输出信号。当线圈与被测物体的表面间隙较小时，电涡流较强，阻抗较大，前置器输出电压的绝对值变小；反之，输出电压的绝对值变大。电涡流传感器正是基于该原理实现对金属导体的位移、振动等参数的测量。

图2 振动信号电压变化示意

由图2可知，电涡流传感器在测量振动信号时输出是交流电压信号，在长距离传输时信号衰减是影响其可靠性的主要因素之一。

2 信号衰减

仪表常用信号一般有电流信号、电压信号等。电流信号在传输过程中一般衰减较小，通常只考虑干扰影响，而电压信号因为电缆本身阻抗原因造成的衰减较大[4]。对于交流电压信号，还有感抗、容抗的影响，传输过程中的趋肤效应、辐射效应等，也使其衰减增大。功率衰减和压降是影响长距离传输信号失真的主要因素，也是工程上常用的监测指标。

2.1 功率衰减

通过监测仪表随频率连续变化的输出信号，可以直观地了解仪表对不同频率信号的响应特性。以Bently 3300XL系列为例，8 mm探头的5 m或1 m系统在使用普通控制电缆(电容不大于100 pF/m)时的不同长度电缆的频率响应曲线如图3所示。通常认为工程上低于-3 dB(0.707倍最大值)的信号功率已降低一半，信噪比已不能达到使用要求[5]。电缆越长，相同频率下信号衰减越快。

该项目采用的蒸汽透平压缩机的轴振动测量属于低频应用范围，蒸汽透平满载时转速为8 600 r/min，标准频率为143.3 Hz。前置器与监视器距离为400 m，从图3可以看出，在使用普通三芯电缆，即电容不大于100 pF/m的情况下，信号几乎不存在衰减。Bently 3300XL系列中所提到的最远距离305 m是在频率接近10 kHz的情况下满足使用要求。在某些低频应用时，只用305 m作为最大电缆允许长度过于保守。

图3 不同电缆长度频率响应曲线示意

2.2 压降计算

根据该系列传感器的使用要求，在监视器配备安全栅的情况下，前置器需要23～26 V的外部直流电压才能可靠工作，当直流电压低于23.5 V时，会造成探头的线性区域减少。该项目中使用的安全栅的最大输出电压为25.2 V。前置器与监视器间的电缆参数见表1所列，安全栅安全参数见表2所列，前置器的相关参数见表3所列。

表1 电缆特性参数

表2 安全栅安全参数

表3 本安仪表安全参数

根据欧姆定律，电缆的最大压降Umax计算如式(2)所示：

Umax=Ii×Rcable=0.14×25×0.4=1.4(V)

(2)

式中：Ii——仪表最大输入电流，A；Rcable——电缆总电阻，Ω/km。

前置器最低工作电压Umin计算如式(3)所示：

Umin=Uo-Umax=25.2-1.4=23.8(V)

(3)

式中：Uo——安全栅最大输出电压。

可以看出，前置器与监视器距离为400 m时，Umin能够满足前置器工作要求。

3 本安回路验证

前置器与监视器之间的连接电缆存在分布电容和分布电感，特别是距离较远时需要考虑分布参数和限制配线长度。这是因为分布电容和分布电感均为储能元件，在电缆发生故障时，这些能量会以电火花或热效应的形式释放出来，不同程度上有增加点燃的危险性，影响系统的本安性能[6]。

本安回路一般由本安型仪表、本安电缆、安全栅(关联设备)三部分组成。该项目中的振动测量回路属于本安回路，尽管回路中各个元件均有本安防爆认证，但当这些元件组合使用的时候是否满足本质安全参数认证仍需详细计算，其计算结果也限制了电缆的最大允许长度。GB/T 3836.18《爆炸性环境 第18部分： 本质安全电气系统》规定了简单本质安全系统评定的基本方法，满足式(4)～式(8)的系统才符合本质安全：

Uo≤Ui

(4)

Io≤Ii

(5)

Po≤Pi

(6)

Cc≤Co-Ci

(7)

Lc≤Lo-Li

(8)

式中：Ui——仪表最大输入电压；Io——安全栅最大输出电流；Po——安全栅最大输出功率；Pi——仪表最大输入功率；Cc——最高允许电缆电容；Co——电源允许电容；Ci——仪表输入电容；Lc——最高允许电缆电感；Lo——电源允许电感；Li——仪表输入电感。

本安仪表、本安电缆及安全栅的相关安全参数通常可以从产品的防爆证书及手册中获得。表1，表2，表3为该项目中振动测量回路中本安设备的相关参数，所选安全栅和危险区仪表需满足式(4)～式(6)的要求。

电缆生产厂家样本中单位长度等效电容量只是一个等效的近似值，在工程中有多个不同的计算公式。对称电缆回路的电容分为工作电容和部分电容，传输线一次参数中的电容指的是工作电容[7]。

对称多芯电缆的工作电容计算公式如式(9)所示：

(9)

或者采用经验公式：

(10)

式中：C——工作电容，F/km；λ——总的绞合系数，取1.02～1.04；εr——组合绝缘介质的等效相对介电常数，聚乙烯取2.3，聚氯乙烯取4～6，橡胶取3～5；Ψ——由于接地金属套和邻近导线产生影响而引起的修正系数，由线组类型决定。线组类型分为屏蔽对线组和无屏蔽对线组，屏蔽对线组取0.6；无屏蔽对线组取0.94；a——本安回路两导线间距离，mm；d——导电线芯直径，mm；D——线组直径，mm；α——校正系数，与线组的绞合类型有关，对绞组取0.94，星绞组取0.75，复对绞组取0.65。

该项目振动测量回路所用电缆实际长度为0.4 km，结合表1中电缆分布电容与分布电感参数计算：Cc=100×0.4=40(nF)、Lc=1×0.4=0.4(mH)、Co-Ci=96-47=49(nF)、Lo-Li=4.59-1.46=3.13(mH)。满足式(7)、式(8)要求，因此该振动测量回路满足本安要求。

4 结束语

以Bently 3300XL系列为例，通过电涡流传感器频率响应曲线的分析，证明了该传感器在振动信号测量时，前置器与监视器间电缆长度可以超过305 m。项目实际执行过程中，应根据实际测量对象对信号的衰减情况具体分析，并依据电缆特性参数和防爆区域划分情况对本质安全回路进行验证。为电涡流传感器的电缆配线距离的判断提供理论支持，确保轴振动信号的可靠监测及机组的稳定运行。