羅孝兵，王建勇，藍 彥，鄭水華

（1．國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211116；2．新安江水電廠，浙江省建德市 311600）

一種電渦流式擺度監(jiān)測傳感器溫度綜合補償方法

羅孝兵1，王建勇2，藍 彥1，鄭水華1

（1．國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 211116；2．新安江水電廠，浙江省建德市 311600）

發(fā)電機組擺度監(jiān)測傳感器要求越來越趨向一體化和小型化，現(xiàn)在主要使用的電渦流式擺度監(jiān)測傳感器，需要進行溫度補償才能達到準確測量。本文提出了一種適用于電機組擺度監(jiān)測使用的一體化電渦流位移傳感器的溫度綜合補償方法，其在線性校正網(wǎng)絡中增加一個溫度綜合補償網(wǎng)路，能夠?qū)鞲衅魅販囟蕊h移進行補償，其特點是使用器件極少，方法簡單巧妙。

溫度漂移；綜合補償；電渦流；擺度監(jiān)測

0 引言

目前市場上實現(xiàn)發(fā)電機組擺度監(jiān)測主要采用電渦流式位移傳感器，這種傳感器的優(yōu)點是可以實現(xiàn)非接觸式測量、靈敏度高、響應快，但是其缺點是容易受到溫度的影響。

本文根據(jù)發(fā)電機組擺度監(jiān)測傳感器實際應用要求，在開發(fā)一體化、小型化的電渦流式擺度監(jiān)測傳感器過程中，巧妙的在線性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡中增加溫度綜合補償網(wǎng)絡，既達到綜合溫度補償效果，又實現(xiàn)傳感器一體化、小型化之目的。

1 電渦流傳感器溫漂因素

電渦流傳感器是載流線圈與被測金屬體的統(tǒng)一體，根據(jù)克西荷夫定律，可以推導出線圈受金屬導體影響后的等效阻抗Z為[1]：

由此得等效電感為：

等效損耗電阻為：

其溫度穩(wěn)定性主要取決于以下幾個因素：

（1）傳感器探頭電學特性的溫度漂移，它主要使探頭線圈電阻R1變化，其將引起損耗電阻R的變化。線圈骨架機械結構的材料溫度特性，導致電感L1的變化。

由于銅導線電導率ρ隨溫度升高而增大傳感器探頭線圈電阻R1隨溫度升高而增大，R1∝ρ1（1+a1T）。

（2）被測體短路環(huán)損耗電阻R2的溫度特性。因被測金屬體在電渦流效應下產(chǎn)生的短路環(huán)同樣存在電阻率的溫度影響，導致短路環(huán)電阻R2隨溫度而變化，R2∝ρ2（1+a2T）。

被測體短路環(huán)損耗電阻R2的變化將引起等效電感L和等效損耗電阻R的變化，對于調(diào)幅調(diào)頻式測量電路，這些變化將引起品質(zhì)因數(shù)和輸出頻率變化，最終影響輸出電壓變化。傳感器輸出電壓的高低要看電感L和電阻R升高程度的比值大小[2]。

（3）振蕩回路及其附屬電路參數(shù)的漂移使振蕩電路的品質(zhì)因素發(fā)生變化，使輸出電壓峰值出現(xiàn)漂移[3]。

2 現(xiàn)有補償溫度方法及缺點

由以上分析此可知，電渦流位移傳感器受溫度影響的因素幾乎包括傳感器系統(tǒng)的所有部件和材料。

目前這類傳感器現(xiàn)有的溫度補償硬件方法主要有：雙路差動補償?shù)姆椒?、線圈串聯(lián)負溫度系數(shù)（NTC）電阻補償、無感線圈補償法、采用多股辮線降低線圈電阻法等。這種采用傳統(tǒng)的單一參數(shù)溫度補償，只能滿足一般的要求，若要精確測量，很難達到理想的效果。

如果采用溫度綜合補償法, 既能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抑制溫漂的能力，同時改善傳感器的線性關系。但是，目前已知的綜合補償方法主要采用源反饋電路、取樣電路，配套補償線圈的補償方法，原理較復雜，使用器件較多。在機組擺度監(jiān)測傳感器要求趨向一體化、小型化，最小一體化外形要求探頭直徑小于8mm，電路尺寸僅有6mm寬，長度不超過60mm，因此，已有綜合溫度補償方法方法不能用于制造體積要求小的機組擺度監(jiān)測傳感器，必須需找新的適用的小型化溫度補償方法。

3 機組振擺綜合溫度補償原理

圖1所示的發(fā)電機組擺度傳感器電路結構，由溫度綜合補償網(wǎng)絡、線性校正網(wǎng)絡、振蕩器、檢波器、濾波器、輸出級溫度補償網(wǎng)絡、放大電路、探頭線圈和被測體等構成統(tǒng)一的整體（其中除被測金屬體和探頭線圈外，其余部分構成前置檢測器）。

相對一般的前置檢測器，其在前置檢測器的線性校正網(wǎng)絡中增加了溫度綜合補償網(wǎng)絡，而線性校正網(wǎng)絡是振蕩器的負反饋網(wǎng)絡，能夠綜合傳感器探頭的溫漂、被測金屬體的電磁參數(shù)溫漂以及前置檢測器振蕩器的溫度漂移等各種因素。

圖1 具有溫度綜合補償網(wǎng)絡的擺度傳感器電路框圖

線性校正網(wǎng)絡的特性是當電阻增大時，振蕩器的負反饋增強，傳感器輸出電壓減??；而當電阻減小時，振蕩器的負反饋減弱，傳感器輸出電壓增大（如圖2所示）。

圖2 線性校正網(wǎng)絡阻值對輸出影響趨勢

而傳感器的輸出因各種參數(shù)的溫度漂移而發(fā)生變化（如圖3所示），當溫漂升高時，輸出電壓增大，相當于線性校正網(wǎng)絡的電阻減??；當溫度降低時，輸出電壓減小，相當于線性校正網(wǎng)絡的電阻增大。

圖3 溫度對輸出影響趨勢

結合以上線性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡電阻值及溫度變化影響輸出電壓趨勢關系，當溫漂升高時，通過將溫度綜合補償網(wǎng)絡的電阻增大，使線性校正網(wǎng)絡電阻增大；反之，當溫度降低時，通過將溫度綜合補償網(wǎng)絡的電阻減小，使線性校正網(wǎng)絡的電阻減??；適當調(diào)節(jié)溫度綜合補償網(wǎng)絡的溫度補償系數(shù)，就可以補償傳感器的各位移點的溫度漂移，實現(xiàn)溫度綜合補償。

4 綜合溫度補償實現(xiàn)

具體補償電路如圖4所示（圖中用虛線框?qū)⒏鞴δ芫W(wǎng)絡/電路分隔開）。

圖4 具有溫度綜合補償?shù)那爸脵z測器電路

前置檢測器電路包括溫度綜合補償網(wǎng)絡Ⅰ、線性校正網(wǎng)絡Ⅱ、振蕩器Ⅲ、檢波器Ⅳ、濾波器Ⅴ、輸出級溫度補償網(wǎng)絡Ⅵ、放大電路Ⅶ等。溫度綜合補償網(wǎng)絡Ⅰ與線性校正電阻R4串聯(lián)在一起,構成新型線性校正網(wǎng)絡Ⅱ，是振蕩器的負反饋網(wǎng)絡的一部分。

綜合溫度補償網(wǎng)絡電路如圖5所示，線性校正網(wǎng)絡由濾波電感L1及可調(diào)電阻R4構成，綜合溫度補償網(wǎng)絡由線性正溫度系數(shù)熱敏電阻R1及溫度系數(shù)調(diào)節(jié)電阻R2構成。

為實現(xiàn)發(fā)電機組的擺度傳感器綜合溫度補償，可以下按步驟操作：

（1）首先使R2=0Ω，獲取擺度傳感器線性校正網(wǎng)絡電阻R4與輸出電壓的非線性調(diào)節(jié)關系；

（2）通過溫度影響實驗獲取擺度傳感器溫度與輸出關系；

（3）根據(jù)線性校正網(wǎng)絡的非線性調(diào)節(jié)關系和溫度—輸出關系，求出線性校正網(wǎng)絡電阻變化值與溫度的關系式：

圖5 綜合溫度補償網(wǎng)絡構成

（4）調(diào)節(jié)R2，使綜合溫度補償網(wǎng)絡的溫漂系數(shù)與所求得的值基本一致，如式5所示，即可獲得傳感器的綜合溫度補償網(wǎng)絡電阻匹配值；

（5）將綜合溫度補償網(wǎng)絡與線性校正網(wǎng)絡的串聯(lián)在一起，構成新型線性校正網(wǎng)絡；利用其非線性調(diào)節(jié)特性，即可動態(tài)地改變擺度傳感器的溫度補償量，達到綜合溫度補償目的。

在完成綜合溫度補償后，最終進行綜合的溫度影響度測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度補償前后溫度影響度測試對比表

由表1中數(shù)據(jù)可見,利用綜合溫度補償網(wǎng)絡，可將傳感器的溫度漂移系數(shù)控制在較低的0.05%范圍內(nèi)，優(yōu)于JJG+644-2003+振動位移傳感器檢定規(guī)程的0.1%/℃要求。

5 綜合溫度補償擺度傳感器驗證

采用綜合溫度補償技術所研制的電渦流式發(fā)電機組擺度監(jiān)測傳感器于2015年3月5～7日，在新安江水電站進行了國內(nèi)外傳感器對比實驗。

具體實驗方法是在新安江進行9號機組上導X向安裝自制NEJ03002擺度傳感器，在上導Y向采用國外申克的擺度傳感器，擺度實際監(jiān)測獲得的波形如圖6所示，所監(jiān)測到的波形、波幅基本一致，其

圖6 新安江水電廠對比測試結果圖

中2.5Hz附近的基頻幅度自制NEJ03002擺度傳感器為35.5um，申克的擺度傳感器為37.2um，滿量程為2mm，相互之間互差小于0.1%FS。可見，采用綜合溫度補償技術所研制的電渦流式發(fā)電機組擺度監(jiān)測傳感器測量效果完全到達國內(nèi)外相應傳感器先進水平。

6 結束語

采用在電渦流傳感器的線性校正網(wǎng)絡中增加一綜合溫度補償網(wǎng)絡，綜合補償傳感器探頭溫漂、被測金屬體的電磁參數(shù)溫漂以及前置檢測器振蕩電路器件溫度漂移等情況，解決了發(fā)電機組一體化、小型化擺度傳感器的綜合溫度補償技術難題。

對于不同的被測體，僅需要對綜合溫度補償網(wǎng)絡有關參數(shù)進行適當調(diào)整即可達到相應地補償，因而可適用于各類電渦流傳感器的綜合溫度補償，具備廣泛的實用性。

目前，已在松江河、豐滿水電站、富春江水電站等獲得實際應用。

[1] 袁希光．傳感器技術手冊[M]．北京：國防工業(yè)出版社,1996．

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[5] 李其朋,丁凡．一類耐高壓電渦流位移傳感器的溫度補償研究．傳感器學報，2006，19（1）：219-221．

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[7] 杜寶強,葉會英．電渦流傳感器溫漂的綜合補償．半導體技術，2004，29（10）：50-52．

羅孝兵（1973—），男，高級工程師，主要研究方向：監(jiān)測儀器與電力自動化技術。E-mail：lxbrobin@163．com

王建勇（1963—），男，工程師，主要研究方向：水電廠自動化監(jiān)控現(xiàn)場檢修技術。

藍 彥（1969—），男，高級工程師，主要研究方向：監(jiān)測儀器與電力自動化技術。

A method for temperature comprehensive compensation of eddy current type pendulum monitoring sensor

LUO Xiaobing1, WANG Jianyong2, LAN Yan1, ZHENG Shuihua1（1 State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211116,China; 2 Xin’An River Hydropower Plant Jiande Zhejiang 311600，China）

The generator set monitoring sensor requires more and more tend to the integration and miniaturization.Temperature compensation is needed for the eddy current sensor, which is mainly used for pendulum monitoring now, in order to achieve accurate measurement. A new temperature compensation method was proposed in this paper, which can compensate comprehensively the temperature drift for the eddy current displacement sensor. An integrated compensation network is added to the linear correction network. It can compensate all components of the sensor for temperature drift and its characteristics is of minimal use in devices and simple.

temperature drift; comprehensive compensation;eddy current; pendulum monitoring