浅谈电涡流传感器测量系统中信号干扰的消除

穆卫京

(陕西咸阳化学工业有限公司，陕西 西咸新区 712000)

电涡流传感器测量系统易受外界磁场的干扰，引起测量值的瞬间跳变，导致机组保护系统误动作，电涡流传感器测量系统主要由以下几部分组成：

1) 前置器。前置器内置的电子线路可以产生1个无线电频率信号，通过该频率信号可以探测到能量的损耗；同时产生1个输出电压，该电压与所测间隙成正比。前置器有两种： 一种配置5 m电特性的电缆，另一种配置9 m电特性的电缆。在低无线电频率下的1 m物理长度的理想同轴电缆的电特性再加上某安全系数，即为1 m电特性。对于一个完整的传感器测量系统，探头所带电缆和延伸电缆均应有正确的电特性，以保证测量系统的正确运行。

2) 探头。探头是测量系统的传感器部分，靠近旋转机械轴的表面，能探测出探头顶部与旋转机械轴表面之间的间隙。探头实际上是由1个直径约5 mm的线圈与厚度约3 mm的聚苯撑硫保护层组成，从而使探头直径增加到约8 mm。聚苯撑硫保护层可以增加探头的强度，在危险环境中对探头起保护作用。

3) 延伸电缆。延伸电缆两端连接探头和前置器，并使整个测量系统配置的电缆满足5 m或9 m电特性的要求。延伸电缆和探头所配置的电缆，均带有编织铠装屏蔽层，电缆外部还有一层绝缘的特氟隆外皮。该编织铠装与不锈钢铠装屏蔽层不同，编织铠装屏蔽层可防止内部电缆被切坏。

1 电涡流传感器测量系统工作原理

电涡流传感器测量系统的前置器会产生1个低功率无线电频率信号，该信号由延伸电缆送至探头端部的线圈上。在信号传输过程中，如果周边不存在导体，则释放的能量都会传送到探头；如果有导体接近探头顶端，则该信号会在导体表面形成小的电涡流，该电涡流使无线电频率信号产生能量损耗。导体表面距离探头顶部越近，能量损耗越大，电涡流传感器测量系统通过测量该能量损耗，并将其转换为前置器的输出电压，用于测量旋转机械轴位移或轴振动。

前置器输出电压与探头顶部和旋转机械轴表面之间的间隙在一定的宽度范围内成线性比例关系。Bently3300系列8 mm电涡流传感器测量系统线性测量范围为2 mm，在该范围内，该系统前置器输出电压与间隙间的曲线斜率为7.78 V/mm，在较大的温度范围内，测量间隙时，系统具有灵敏度高的性能，满足了测量精度的需求。

2 传感器测量系统存在的问题

某公司现有2套空分装置，单套设计生产能力为4.3×104m3/h，每套空分装置带有2台膨胀机，一开一备。膨胀机轴系上2个振动测点呈90°安装，2个振动测点的测量值参与膨胀机的联锁保护，任意1个测点的测量值达到联锁值时，振动探头经过前置器，将电压信号转换为4～20 mA信号送至控制室，实现膨胀机停机。

2012-02-09T22： 40，该公司空分工段工艺操作人员反映，第2套空分A膨胀机膨胀端轴向轴承温度指示出现波动。仪表人员先在中心控制室检查温度测点，未发现温度测量信号异常；现场检查过程中，中心控制室监测到A膨胀机膨胀端轴振动B波动较大，仪表人员测量完热电阻阻值后，返回中心控制室后得知A膨胀机已跳车。在工程师站服务器上打开SOE事件记录，查找跳车原因，事件记录显示2012-02-09T22： 50 A膨胀机膨胀端轴振动B振动值高高，膨胀机跳车，历史趋势如图1所示。

图1 膨胀机振动和温度测点DCS历史趋势

从图1可以看出，故障时的振动值波动幅度较为明显，而且是尖脉冲。停车后经过反复实验，模拟事故发生时的操作，发现当膨胀机就地控制柜柜门打开测量温度测点时，振动测点的测量值波动幅度就很大，最高达到满量程100 um。放大曲线观看，达到跳车值49.8 um时的持续时间已经超过了3 s的延时时间，造成膨胀机停车，其历史趋势如图2所示。

图2 测量温度测点时振动测点波动曲线

3 膨胀机振动测量回路

3.1 工作原理

膨胀机上有2个振动测点，监测信号从电涡流传感器探头经延伸电缆进入膨胀机就地电控柜，再接入安装在就地电控柜中的前置器；前置器将转换信号引至分散控制系统(DCS)，操作人员可以在中心控制室DCS电脑屏幕上监视到膨胀机轴系振动的测量值。

3.2 干扰原因分析

检查振动测量回路中的所有环节，首先检查现场控制柜至机柜间的控制电缆，发现电缆的绝缘性能等良好。对于膨胀端轴向轴承温度指示出现波动的原因，现场经过多次试验，波动呈无规律且有峰值现象。膨胀机的振动测量回路和膨胀机就地控制柜安装在同一只机柜内，当柜门关闭时，由于机柜的屏蔽作用，能起到一定的抗干扰作用；当柜门打开后，振动测量回路易受环境中的电磁干扰，测量值产生波动。最初分析主要原因是电磁干扰引起的：

1) 膨胀机振动测量回路中，从电涡流传感器出来的延伸电缆与电气控制电缆敷设在同一层电缆桥架内，控制电缆与电气电缆没有分开，从而导致出现信号干扰。

2) 前置器是无线电频率信号的发生和接收装置，将其安装在膨胀机的就地电控柜内，是整个电涡流传感器测量系统中易受干扰的环节，因此柜门打开时，就会出现振动测量值跳变的现象。

3.3 测量系统中信号干扰的消除

膨胀机振动测量回路中，探头至前置器是回路中易受电磁干扰的部分；同时延伸电缆的敷设及前置器的安装位置存在缺陷。因此，从上述两方面入手，可消除膨胀机轴振动测点信号的干扰问题：

1) 电涡流传感器至前置器的延伸电缆敷设时，应远离电气电缆并单独穿管敷设，以增加延伸电缆的抗干扰能力。

2) 将前置器放置在仪表接线箱内，该仪表接线箱应密闭且接地良好。

2012年7月检修过程中，笔者对膨胀机测量回路进行了改造，改造后电涡流传感器测量系统的测量值非常稳定，彻底解决了该公司膨胀机安全稳定运行存在的隐患。

4 结束语

利用电涡流传感器测量大型旋转机械的轴系振动时，传感器探头至前置器的测量回路易受电磁信号的干扰，设计、施工和安装时，应采取抗干扰措施，将影响降至最低。此外，仪表电缆的规范敷设、前置器单端接地等在抗干扰过程中也是非常必要的。