非接地式礦用饋電狀態(tài)傳感器設計

黃春

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶　400039；

2.重慶市礦山物聯(lián)網關鍵技術工程技術研究中心， 重慶　400039)

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非接地式礦用饋電狀態(tài)傳感器設計

黃春1,2

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶400039；

2.重慶市礦山物聯(lián)網關鍵技術工程技術研究中心， 重慶400039)

摘要：針對現有饋電狀態(tài)傳感器需要進行接地處理且易受干擾的問題，提出非接地式礦用饋電狀態(tài)傳感器設計方案。該傳感器將信號探頭包裹在負荷側線纜上，并采用屏蔽層對極板進行防干擾處理，保證了極板和信號處理電路采用相同的參考地，能夠在不接地的情況下準確檢測出饋電狀態(tài)。

關鍵詞：饋電狀態(tài)傳感器； 接地處理； 防干擾處理

0引言

根據《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在煤礦井下各種控制設備開關的負荷側應設置饋電狀態(tài)傳感器，用于檢測負荷側是否斷電成功，保證安全生產[1]。基于參考文獻[2]中提出的饋電檢測原理設計的饋電狀態(tài)傳感器需要進行接地處理，才能夠正確檢測出饋電狀態(tài)，且易受周邊環(huán)境干擾而出現誤判現象。針對該問題，本文提出非接地式礦用饋電狀態(tài)傳感器設計方案，結合接觸式電場感應檢測方式[2-5]，將信號探頭包裹在負荷側線纜上，對探頭內2個極板感應的微弱電場信號差進行放大等處理，并轉換為開關量信號，從而間接檢測出負荷側饋電狀態(tài)。

1現有饋電狀態(tài)傳感器檢測原理

現有饋電狀態(tài)傳感器檢測電路如圖1所示，圖中A點和B點與處在電場中的2個探頭連接，利用通電時饋電電纜周圍交替電場的不平衡原理檢測設備的饋電狀態(tài)。2個探頭卡在饋電電纜的任意位置。如果饋電電纜沒有通電,則其周圍的電場為零，A點和B點的電位差幾乎為零；如果饋電電纜處于通電狀態(tài)，則其周圍存在交替電場，由于不同位置的電場不平衡，A點和B點處的電容C兩端感應出不同的微弱交流電壓信號，對2個信號進行差分放大處理可得到饋電狀態(tài)。

圖1　現有饋電狀態(tài)傳感器檢測電路

現有檢測方法需要接地的原因：A點和B點處的探頭感應的電壓參考都是大地，將感應的電壓接入到處理電路后，需要將處理電路的地與大地連接，這樣探頭和處理電路都有共同的參考大地，才能夠正確地檢測出饋電狀態(tài)。如果處理電路不接大地，則經過運算放大器跟隨并且差分后的信號與探頭的感應信號參考地不相同，穩(wěn)定性不能保證且不能真實反映A點和B點的感應電壓。

現有檢測方法易受干擾的原因：探頭在感應檢測時置放在電纜的任意位置，現有煤礦開關處電纜交疊復雜，其余電纜泄露的電場會影響探頭，使得檢測出的結果易受周邊干擾。

2非接地式礦用饋電狀態(tài)傳感器設計

2.1總體設計

非接地式礦用饋電狀態(tài)傳感器的總體設計如圖2所示。傳感器將采集的饋電狀態(tài)轉換為驅動開關量的高低電平，為了滿足不同監(jiān)控系統(tǒng)的開關量接入要求，可以通過調整電阻的大小以輸出不同的電流信號。

圖2傳感器總體設計

2.2電場采集探頭設計

電場采集探頭結構如圖3所示，屏蔽層銅網、極板和屏蔽線纜放置于防水包裹布料內層和外層之間，電場采集探頭將采集的信號通過屏蔽線纜傳遞到信號處理裝置。

電場采集探頭極板結構如圖4所示。極板的頂層和底層鋪銅并噴錫，只保留一個線纜連接的焊盤，極板的中間層填充PCB制作材料。

圖3　電場采集探頭結構

圖4　電場采集探頭極板結構

連接探頭和信號處理裝置的是兩芯的屏蔽線纜，兩芯線分別與兩極板的正面連接，極板的負面與屏蔽層銅網連接，同時兩芯線的屏蔽層也與屏蔽層銅網連接。連接完畢后，利用防水包裹布料外層與內層將銅網屏蔽層、兩極板進行封裝，封裝完成后將其包在負荷側的線纜上，如圖5所示。

圖5　探頭安裝

極板1放置在電場中，一面與電纜連接，另外一面與屏蔽層連接。極板1的正負兩端類似于電容，屏蔽線纜將極板1感應的微弱電壓信號傳遞到主機；同理，將極板2感應的微弱電壓信號也傳遞到主機。屏蔽線纜的屏蔽層連接到主機的參考地，使得探頭和主機有相同的參考地。在相同參考地的基礎上，通過對極板1和極板2在電場中不同位置感應的微弱電壓信號差間接得到饋電狀態(tài)。

2.3信號處理電路設計

2.3.1電場采集信號處理電路

電場采集信號處理電路由電阻、電容、嵌位二極管、運算放大器等基本器件構成，如圖6所示。A，B分別連接屏蔽電纜的兩芯線，G與屏蔽線纜的屏蔽層連接。這種連接方式可以保證A點和B點處極板、信號處理電路都是采用相同的參考地，解決了需要將傳感器接入大地才能夠準確測試饋電狀態(tài)的問題。C1和C2為隔直電容，用于消除直流干擾的影響。R1和R4為限流電阻，用于防止因電流太大而損壞器件。電場感應變化時電壓也是變化的，因此，采用雙電源進行嵌位保護，以防止器件被損壞。為了保證信號極性不被破壞，對運算放大器采用雙電源模式供電。

圖6電場采集信號處理電路

電場采集探頭極板的正面通過電纜與C1端連接，負面通過電纜與地連接，UA1近似為A點處極板的感應電壓，UB1近似為B點處極板的感應電壓。UA2為UA1經過運算放大器后的跟隨電壓，UB2為UB1經過運算放大器后的跟隨電壓。跟隨前和跟隨后的電壓值近似相等，極性相同。根據運算放大器的虛短和虛斷可得

(1)

(2)

(3)

式中：R6=R7；R5=R8。

由式(1)—式(3)可得輸出電壓VOUT的數學表達式為

(4)

2.3.2信號轉換處理電路設計

微弱信號經過放大處理后仍然是交流信號或者方波信號，如果用該信號驅動后級的1/5mA電路則會出現錯誤，因此，對輸入的交流信號和方波信號進行轉換處理，轉換為能夠反映饋電狀態(tài)的高低電平信號。信號轉換處理電路如圖7所示。

圖7　信號轉換處理電路

輸入信號VIN經過二極管D1后，利用正弦信號或者方波信號的正電平對電容C111進行充電處理，負電平時，由于二極管作用被限制，電容通過電阻R112進行放電處理。當有信號輸入時電容C111的電壓VC如圖8所示。適當調節(jié)電阻R110和R111，使得

電阻R110分得的電壓小于有信號時電容C111的最低電壓，就可以通過比較器U11D將輸出的信號轉換為高低電平，從而間接反映饋電狀態(tài)。

圖8　有信號輸入時的電容電壓

3結語

詳細討論了現有饋電狀態(tài)傳感器的不足，對探頭和電路進行了改進，設計了非接地式礦用饋電狀態(tài)傳感器。該傳感器在不接地的情況下，能夠準確地測出負荷側的饋電狀態(tài)；探頭采用屏蔽層對極板進行防干擾處理，具有良好的抗干擾性和穩(wěn)定性(此方法只能檢測非屏蔽線纜的饋電狀態(tài))；將采集的饋電狀態(tài)轉換為高低電平控制開關量的輸出，滿足了監(jiān)控系統(tǒng)的接入要求，可實時地將饋電狀態(tài)傳至地面。

參考文獻：

[1]煤炭工業(yè)部安全司.礦井安全監(jiān)控原理與應用[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1996.

[2]孫小進,陸錚.智能饋電狀態(tài)傳感器的研究[J].工礦自動化,2006,32(4):55-56.

[3]高永清,孫繼平,商丹.新型饋電狀態(tài)傳感器的研究[J].電子設計應用,2004(12):94-95.

[4]商丹,高永清.電容式礦用饋電狀態(tài)傳感器研究[J].傳感技術學報,2005,18(4):717-721.

[5]高永清.礦用饋電狀態(tài)傳感器研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(北京),2004.

分析研究

黃春.非接地式礦用饋電狀態(tài)傳感器設計[J].工礦自動化，2016,42(1)：7-9.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1550.003.html

Design of mine-used ungrounded feed state sensor

HUANG Chun1,2

(1.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039，China； 2.Chongqing Engineering

Research Center of Key Technologies of Mine Internet of Things，Chongqing 400039， China)

Abstract:In view of problem that existing feed state sensor need to be grounded and it is susceptible to interference, a design scheme of mine-used ungrounded feed state sensor was proposed. The sensor wraps signal probes on the load side cable, and uses shield for anti-interference processing of electrode plates, it ensures that the plates and the signal processing circuit use the same reference, and can accurately detect the feed status in the case of ungrounded.

Key words:feed state sensor; grounding handling; anti-interference handling

作者簡介：黃春(1984-)，男，重慶人，碩士，現主要從事煤礦安全監(jiān)控技術及儀器儀表、無線通信技術等方面的研究工作，E-mail:zhangxb32012@foxmail.com。

基金項目：2014年國家物聯(lián)網發(fā)展專項資金項目(2014083105)。

收稿日期：2015-07-28；修回日期：2015-10-15；責任編輯：胡嫻。

中圖分類號：TD605

文獻標志碼：A網絡出版時間：2015-12-31 15:50

文章編號：1671-251X(2016)01-0007-03DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.003