電渦流傳感器振動信號傳輸距離的探討

樊真

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

壓縮機作為化工廠常見設備之一，廣泛應用于各類裝置中，壓縮機機組的可靠運行與工藝流程的穩定密不可分[1]。隨著裝置服役年限的增長，軸振動成為壓縮機組的常見問題，中石油塔里木油田某化工廠合成氨裝置2016年開車期間出現空壓機高壓缸軸振動異常導致其無法正常運行，四川石化公司3 Mt/a渣油加氫裝置Ⅰ系列循環氫壓縮機頻繁出現軸振動高高聯鎖，導致該裝置非計劃停車[2-3]。實時監測振動對明確安全問題發生機制和提供解決方案有重要價值。電渦流傳感器作為一種常用監測元件，其可靠性與傳輸電纜長度有密切關系，但目前對電纜長度的判斷多以經驗進行估測，這也導致實際工程中存在問題。本文以某合成氨項目中壓縮機振動測量回路為例，重點分析影響信號衰減的電纜長度和防爆要求兩個主要因素。

1 測量原理

電渦流傳感器由探頭、延長電纜、前置器等部件組成，結構形式如圖1所示。前置器與監視器之間采用三線制電纜連接。

圖1 電渦流傳感器結構形式示意

前置器是具有調制解調功能的電子設備，在24 V直流電源的驅動下，通過高頻振蕩電路向探頭內部線圈提供一個3 MHz的高頻正弦交流調制電流信號(RF信號)，探頭內部線圈因而產生交變磁場，金屬表面產生電渦流。該電渦流所產生的磁場與探頭產生的磁場方向相反，因此對探頭具有阻抗。探頭線圈的等效阻抗Z可表示為

Z=F(σ，μ，f，x，r)

(1)

式中：σ——被測金屬導體的電導率；μ——被測金屬導體的磁導率；f——激勵信號的頻率；x——線圈與金屬導體的距離；r——線圈的尺寸因子，與線圈的結構、形狀以及尺寸相關。

在工程應用時，Z是x的單值函數，該函數為非線性函數，在一定范圍內可以近似為線性函數。x的變化最終體現為電壓信號的變化，如圖2所示。其中圖2b)中的虛線為高頻信號的包絡線，即前置器解調后的輸出信號。當線圈與被測物體的表面間隙較小時，電渦流較強，阻抗較大，前置器輸出電壓的絕對值變小；反之，輸出電壓的絕對值變大。電渦流傳感器正是基于該原理實現對金屬導體的位移、振動等參數的測量。

圖2 振動信號電壓變化示意

由圖2可知，電渦流傳感器在測量振動信號時輸出是交流電壓信號，在長距離傳輸時信號衰減是影響其可靠性的主要因素之一。

2 信號衰減

儀表常用信號一般有電流信號、電壓信號等。電流信號在傳輸過程中一般衰減較小，通常只考慮干擾影響，而電壓信號因為電纜本身阻抗原因造成的衰減較大[4]。對于交流電壓信號，還有感抗、容抗的影響，傳輸過程中的趨膚效應、輻射效應等，也使其衰減增大。功率衰減和壓降是影響長距離傳輸信號失真的主要因素，也是工程上常用的監測指標。

2.1 功率衰減

通過監測儀表隨頻率連續變化的輸出信號，可以直觀地了解儀表對不同頻率信號的響應特性。以Bently 3300XL系列為例，8 mm探頭的5 m或1 m系統在使用普通控制電纜(電容不大于100 pF/m)時的不同長度電纜的頻率響應曲線如圖3所示。通常認為工程上低于-3 dB(0.707倍最大值)的信號功率已降低一半，信噪比已不能達到使用要求[5]。電纜越長，相同頻率下信號衰減越快。

該項目采用的蒸汽透平壓縮機的軸振動測量屬于低頻應用范圍，蒸汽透平滿載時轉速為8 600 r/min，標準頻率為143.3 Hz。前置器與監視器距離為400 m，從圖3可以看出，在使用普通三芯電纜，即電容不大于100 pF/m的情況下，信號幾乎不存在衰減。Bently 3300XL系列中所提到的最遠距離305 m是在頻率接近10 kHz的情況下滿足使用要求。在某些低頻應用時，只用305 m作為最大電纜允許長度過于保守。

圖3 不同電纜長度頻率響應曲線示意

2.2 壓降計算

根據該系列傳感器的使用要求，在監視器配備安全柵的情況下，前置器需要23～26 V的外部直流電壓才能可靠工作，當直流電壓低于23.5 V時，會造成探頭的線性區域減少。該項目中使用的安全柵的最大輸出電壓為25.2 V。前置器與監視器間的電纜參數見表1所列，安全柵安全參數見表2所列，前置器的相關參數見表3所列。

表1 電纜特性參數

表2 安全柵安全參數

表3 本安儀表安全參數

根據歐姆定律，電纜的最大壓降Umax計算如式(2)所示：

Umax=Ii×Rcable=0.14×25×0.4=1.4(V)

(2)

式中：Ii——儀表最大輸入電流，A；Rcable——電纜總電阻，Ω/km。

前置器最低工作電壓Umin計算如式(3)所示：

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

(3)

式中：Uo——安全柵最大輸出電壓。

可以看出，前置器與監視器距離為400 m時，Umin能夠滿足前置器工作要求。

3 本安回路驗證

前置器與監視器之間的連接電纜存在分布電容和分布電感，特別是距離較遠時需要考慮分布參數和限制配線長度。這是因為分布電容和分布電感均為儲能元件，在電纜發生故障時，這些能量會以電火花或熱效應的形式釋放出來，不同程度上有增加點燃的危險性，影響系統的本安性能[6]。

本安回路一般由本安型儀表、本安電纜、安全柵(關聯設備)三部分組成。該項目中的振動測量回路屬于本安回路，盡管回路中各個元件均有本安防爆認證，但當這些元件組合使用的時候是否滿足本質安全參數認證仍需詳細計算，其計算結果也限制了電纜的最大允許長度。GB/T 3836.18《爆炸性環境 第18部分： 本質安全電氣系統》規定了簡單本質安全系統評定的基本方法，滿足式(4)～式(8)的系統才符合本質安全：

Uo≤Ui

(4)

Io≤Ii

(5)

Po≤Pi

(6)

Cc≤Co-Ci

(7)

Lc≤Lo-Li

(8)

式中：Ui——儀表最大輸入電壓；Io——安全柵最大輸出電流；Po——安全柵最大輸出功率；Pi——儀表最大輸入功率；Cc——最高允許電纜電容；Co——電源允許電容；Ci——儀表輸入電容；Lc——最高允許電纜電感；Lo——電源允許電感；Li——儀表輸入電感。

本安儀表、本安電纜及安全柵的相關安全參數通常可以從產品的防爆證書及手冊中獲得。表1，表2，表3為該項目中振動測量回路中本安設備的相關參數，所選安全柵和危險區儀表需滿足式(4)～式(6)的要求。

電纜生產廠家樣本中單位長度等效電容量只是一個等效的近似值，在工程中有多個不同的計算公式。對稱電纜回路的電容分為工作電容和部分電容，傳輸線一次參數中的電容指的是工作電容[7]。

對稱多芯電纜的工作電容計算公式如式(9)所示：

(9)

或者采用經驗公式：

(10)

式中：C——工作電容，F/km；λ——總的絞合系數，取1.02～1.04；εr——組合絕緣介質的等效相對介電常數，聚乙烯取2.3，聚氯乙烯取4～6，橡膠取3～5；Ψ——由于接地金屬套和鄰近導線產生影響而引起的修正系數，由線組類型決定。線組類型分為屏蔽對線組和無屏蔽對線組，屏蔽對線組取0.6；無屏蔽對線組取0.94；a——本安回路兩導線間距離，mm；d——導電線芯直徑，mm；D——線組直徑，mm；α——校正系數，與線組的絞合類型有關，對絞組取0.94，星絞組取0.75，復對絞組取0.65。

該項目振動測量回路所用電纜實際長度為0.4 km，結合表1中電纜分布電容與分布電感參數計算：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)。滿足式(7)、式(8)要求，因此該振動測量回路滿足本安要求。

4 結束語

以Bently 3300XL系列為例，通過電渦流傳感器頻率響應曲線的分析，證明了該傳感器在振動信號測量時，前置器與監視器間電纜長度可以超過305 m。項目實際執行過程中，應根據實際測量對象對信號的衰減情況具體分析，并依據電纜特性參數和防爆區域劃分情況對本質安全回路進行驗證。為電渦流傳感器的電纜配線距離的判斷提供理論支持，確保軸振動信號的可靠監測及機組的穩定運行。