適用于煤礦井下自動風門地感線圈的研制

摘要：礦井通風系統是礦井的呼吸系統，對礦井通風系統管理的好壞決定礦井的正常生產秩序，決定礦井在災變時的抗災水平，自動風門在這一過程中扮演著十分重要的角色，在很大程度上決定了搶險救災工作的成敗。本文從煤礦現場的實際工作需求出發，設計并制作了一種適用于煤礦井下自動風門的防爆型地感線圈，實踐表明，該線圈能很好的滿足煤礦現場的實際工作的要求。

關鍵詞：煤礦 閉環監測 自動風門 遠程控制 地感線圈

0 引言

礦井通風是煤礦安全生產的基礎，它不但具有向井下各用風地點輸送新鮮風流，保障井下作業人員的呼吸的重要功能，同時，還肩負著稀釋、排除礦井瓦斯與粉塵以及作業區間的降溫等重任[1]。近年來，隨著礦井向集約化發展，大型和特大型礦井的出現已使礦井通風方式突破了原有的中央式、對角式、混合式等簡單方式[2]，而出現了安全可靠性更強的區域式通風布置，即將礦井劃分為若干個區域，每個區域均有一組進、回風井，各個區域相對獨立的通風方式[3]。在這種集約化生產方式下，通風系統就顯得格外重要，更要求通風系統具有較強的穩定性、可靠性和合理性[4]，具有較強的抗災能力。但是，集約化生產同時也給我們帶來許多難題和挑戰，需要我們進一步研究出適應現代化、集約化、大型及特大型礦井通風的技術和裝備。通常情況下，礦井通風系統從監測、分析到控制決策是相互脫節的。如監測系統對通風系統進行監測，然后技術人員再對通風系統的相關數據進行分析（必要時還要進行人工測定）和評價，找出不合理的因素，提出改造方案，最后再對通風系統進行調整和改造[5]。這種從監測、分析到決策控制的開環過程，需要花費較長的時間，待作出通風系統調整或改造的決策后，可能原有的通風系統已經改變。要實現對礦井通風系統實時閉環監測、分析與決策控制，必須從技術上提高現有的通風設施、設備的自動化、智能化水平[6]。

自動風門在礦井通風系統的智能化優化過程中扮演著十分重要的角色，實踐表明，在傳統的自動控制方式很不理想的現實情況下，地感線圈的應用將會解決以往出現的難題。地感線圈是一種埋于地下的電感線圈，在通電的情況下，地感線圈周圍會產生穩定的電磁場，當有金屬導電物質通過并切割磁力線時，磁場和線圈的電感量都會發生改變，這樣就可以利用一些檢測裝置通過檢測其電感量的變化來檢測有無金屬物體通過，再據此發出控制信號。地感線圈技術在近兩年已經得到突飛猛進的發展，已廣泛地應用于交通、住宅小區和停車場等處的大門管理，進行有、無車的識別。當車輛通過埋有地感線圈的地面時，由于車底的鐵板引起電感量的變化，當檢測裝置檢測到電感發生變化后，便得到車輛通過的信息，繼而發出控制信號，控制大門的開、關、停等狀態。地感線圈雖然已經較廣泛地應用于交通等行業，但還沒有應用于煤礦井下，也就是說其產品沒有解決防爆問題。眾所周知，本安電路最關鍵的因素之一是電容和電感元件，而地感線圈本身就是一個大電感元件，檢測電路也是一個基本的LC振蕩回路，要解決防爆問題，首先要優化電路參數，合理匹配振蕩回路的能量。本文經過大量的研究和試驗，終于研制成功可用于煤礦井下的地感線圈。

1 工作原理

測量電感的方法多采用阻抗法和電橋法。阻抗法適宜測量較大的電感，但精度不高；而電橋法雖然測量精度較高，但操作煩瑣，過程較長，浪費時間。采用傳統模擬電路存在難以克服的缺陷，即如果靈敏度設置得太高，環境變化所帶來的影響往往會引起誤動作；如果靈敏度設置得比較低，又可能發生漏檢。本文在大量的調研和實驗研究工作的基礎之上，采用現代電子設計潮流，對地感線圈檢測裝置進行了重新設計，LC回路的原始振蕩信號（模擬信號）被量化。將LC振蕩電路輸出的正弦振蕩信號送入整形電路后，并將得到的方波信號送入89C2051的P3.5（T1）中。在TI的計數器工作方式下，當信號由高電平變為低電平時，計數器加1。定時器T0中斷的同步啟動計數器T1，當定時到5ms以后，用計數值經過運算就可以計算出被測電感的值。計算出的數字信號再通過MCU進行計算，隨時跟蹤微小的頻率漂移，將參考量變成數字化的和動態的，有效克服了模擬電路處理的弊病。特別的，本設計采用了高性能集成電路和手動復位（WDT）的單片機設計而成，具備工作穩定，調試簡單、地感線圈適應性好等特點。地感線圈經過特殊處理和封裝，非常適合具有爆炸危險的場合使用。地感線圈檢測裝置工作原理如圖1所示。

2 檢測電路的硬件設計

地感線圈檢測裝置的硬件主要由檢測電路和控制電路構成[7，8]。檢測電路用于檢測電感量的變化，控制電路作用是在檢測到電感量變化以后發出控制信號。該電路主要由被測電感（地感線圈）、電容和整形電路組成。其原理是利用LC振蕩電路產生正弦信號，送入整形電路。最后輸出為方波信號。其電路如圖2所示，其中，L1即為地感線圈。

3 檢測電路的軟件設計

檢測電路的軟件流程框圖如圖3所示。電感自檢：如果電感連接不正確或沒有連接電感或電感損壞或電感量超出范圍時，則定時中斷中的記數值d為零。上電以后程序會在一個定時中斷以后檢測變量d，如果d為零，則認為電感存在問題，蜂鳴器報警。否則程序向下執行；初始狀態的設定：有、無車通過的狀態會引起電感的變化，為減小計算誤差，本程序是通過判斷周期的大小來實現電感檢測的，因此，初始狀態的設定就是對初始周期（T1）的設定。在確認電感連接正確以后，判斷是否有按鍵按下，如果有復位鍵按下，則對初始周期進行修改；如果沒有，向下執行程序。

初始周期是對無車狀態的初始設定，記下初始周期的同時就是記下了無車狀態下的電感量。以后只要檢測到某一周期與初始周期的差大于某一數值δT時，即認為有車。初始周期T以及變量δT的計算方法如式1、式2和式3所示。

4 地感線圈靈敏度測算

地感線圈的靈敏度與初始電感量δT有著密切的關系。圖3中LC振蕩電路可知，被測電感可按式4計算：

式中：L——被測電感的電感量，μH；

T——初始周期，μs；

C——有公式5確定的電容值，μF。

將式（1）、（2）分別代入式（3）可得到式（6）。

由式（6）可知影響系統靈敏度的只有記數值d，d越大，δT就越小，系統靈敏度越高。增加d的辦法只有在單位時間內（5ms）增加信號的振蕩頻率，而影響線圈振蕩頻率的因素有兩個：即檢測電路的參數和被測電感的大小。在檢測電路的參數已經確定的情況下，地感線圈的電感量就決定著系統的靈敏度。地感線圈的電感量對系統靈敏度的影響可采用下述方法估計。

根據式（4）可知，T時的電感量L=■，T1時的電感量為L1=■，因此δL如式（7）：

將式（1）、式（2）以及電路參數分別代入式（7），計算可得電感增量：

即只要系統檢測到電感量與標準電感量L1（由初始周期計算出的電感值）的差大于δL，系統就認為有車到來。由式（8）可知影響δL的只有變量d，d與δL成反比例關系，而d會隨地感線圈電感量的變化而不同，當地感線圈的電感L增加時，周期T增加，頻率F減小，則d減小，δL增加。因此地感線圈本身的電感量越大，系統的靈敏度就越小。為防止因電感的漂移所帶來的誤操作，應保證δL≥1μH，即地感線圈的電感應大于150μH。

5 地感線圈的芯線與封裝處理

地感線圈的芯線采用截面積0.75mm2的多股護套線，如圖4所示。將多股護套線穿入PVC管中，然后用環氧樹脂封裝，并引出兩條接線，就形成了可用于煤礦井下的防爆、防水、防潮及防腐的地感線圈。

6 結論

本文研制了適用于煤礦井下的自動風門的地感線圈，該線圈較傳統的控制方法具有如下的優點：結構簡單，埋在地面以下，可以避免意外破壞和人為破壞，也不占用井下巷道空間；線圈可以密封在保護外套內，可以防水防潮；傳感器線圈無其它電子元件，使用壽命長；地感線圈傳感器僅感測金屬礦車的通過，對工人的通行沒有感應，有效地做到了人、車信號分離，有利于進行程序控制，同時也避免了上下班時頻繁地啟動氣動裝置，有利于提高自動風門的壽命。實踐表明，該線圈能很好的滿足煤礦井下實際工作的需要。

參考文獻：

[1]王洪德，馬云東.礦井通風系統可靠性理論與應用研究[M].北京：煤炭工業出版社，2004.

[2]杜棟，龐慶華.現代綜合評價方法與案例精選[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]葉義成，柯麗華，黃德育.系統綜合評價技術及其應用[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[4]王英敏.礦井空氣動力學與礦井通風系統[M].北京：冶金工業出版社，1994.

[5]黃祥瑞.可靠性工程[M].北京：清華大學出版社，1990.

[6]劉法治.PLC在礦井通風控制系統中的應用[J].化工自動化及儀表，2007，34（6）：88-89.

[7]張國建.掘進工作面智能通風控制系統的設計與應用[J].煤炭科學技術，2008，36（5）：76-79.

[8]盛同平，彭擔任.掘進工作面通風監控系統的OPC通訊[J].礦業安全與環保，2009，36（03）：41-42，45.

作者簡介：

王俊章（1972-），山西襄垣人，畢業于山西礦院，目前從事煤礦技術管理工作。