閾值自調節與抗干擾礦用開停傳感器研制

紀亞強，郝葉軍，王 璐，蔣 澤

（1.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇常州 213015；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州 213015）

開停傳感器主要用于監測煤礦井下機電設備的開停狀態，是煤礦安全監控系統必備產品，也是風電瓦斯閉鎖功能的重要組成部分，開停傳感器與被測設備沒有直接的電氣連接，其工作原理是利用檢測被測設備磁場大小的方式，間接地測定設備的工作狀態[1-2]。使用時將傳感器卡固在被測設備的供電電纜上，通過檢測電纜磁場值大小判定設備的開停狀態。目前，市場上大多數的開停傳感器都是基于感應線圈的磁場檢測原理[3]，由于線圈探頭差異性大、工藝難以保證，不能定量的反映出磁場的大小和電流的關系，增大了現場調試難度。此外，在井下干擾大，易導致傳感器偶爾出現誤判等問題[4-5]。在其它行業中，磁場檢測主要有感應線圈、霍爾效應、磁電阻效應等方式[6-8]。

近些年新材料、新技術出現突破性的進展，磁電阻傳感器以其獨特的優點廣泛的應用于磁場測量、數據存儲、汽車電子和工業控制、智慧城市等各個領域[9-12]。磁電阻效應是導體或半導體在磁場作用下電阻值發生變化的現象，具有溫度穩定性，低功耗，線性度高等優點[13]。基于磁電阻技術的諸多優點，通過理論研究和實驗驗證，將其檢測技術應用于井下開停設備的檢測，可實現傳感器自調節開/停閾值，減少開停傳感器安裝調試工作量。

針對開停傳感器井下易受外界干擾而導致狀態誤判的問題，研究磁場屏蔽技術，分析不同金屬材料的磁場屏蔽性能，用于屏蔽外界設備或電纜的干擾，提高開停傳感器的抗干擾性能，通過實驗驗證選用06Cr13 不銹鋼作為屏蔽材料性價比最高。

1 電纜模型和電纜電流磁場強度

在工程應用中，35 kV 電壓等級以下的三相電力系統電纜輸配電工程則多采用三芯電纜，電纜內三相芯線有對稱與不對稱之分，而在電纜外皮上總可找到一個不對稱點，電纜的磁場值以靠近該點的芯線起主導作用，通過檢測該主導相芯線的磁感應信號，間接的檢測出電纜中的電流大小，最終用來判定被測設備的開停狀態。

1.1 電纜模型

三芯電力電纜結構示意圖如圖1，其中電纜中心為O，A、B、C 分別是電纜各芯線的位置，傳感器芯片SA安裝在電纜的任意位置，SA到電纜中心的半徑為R。電纜中心到A、B、C 芯線的距離分別為r1、r2、r3。可設y 軸與OA 重合，則A 點坐標為（0，r1）。OB、OC與x 軸正方向的夾角分別為α、β，故B 點的坐標為（r2cosα，r2sinα），C 點的坐標為（r3cosβ，-r3sinβ），SA與x 軸的夾角為γ。A、B、C 三相電流分別為IA、IB、IC。

圖1 三芯電力電纜結構示意圖Fig.1 Structure of three-core power cable

根據余弦定理，傳感器SA到A、B、C 芯線的距離SAA、SAB、SAC分別為：

根據安培環路定理，A 相電流IA在SA處產生的磁感應強度BSAA為：

式中：μ0為真空磁導率，4π×10-3（Gs·m）/A。

定義磁傳感器沿圓周方向為n，沿徑向方向為r，BSAA沿n 方向和r 方向的分量BSAAn、BSAAr分別為：

同理，B、C 相電流IB、IC在SA處產生的磁感應強度BSAB、BSAC分別為：

同理，BSAB、BSAC沿n 方向和r 方向的分量BSABn、BSACn、BSABr、BSACr分別為：

可得到SA處的磁感應強度沿n 方向和沿r 方向的分量BSAn和BSAr為：

對于對稱式三芯電力電纜，則r1=r2=r3=r，α=150°，β＝30°，旋轉導線使得電纜1 根芯線磁場起主導作用，即傳感器在S′A處，則γ＝90°，代入式（11）和式（12），可得S′A處磁感應強度沿n 方向和r 方向的分量分別BS′An、BS′Ar為：

1.2 電纜電流磁場強度

井下的設備大多采用三芯鎧裝電纜，選擇電纜型號為MYPT-8.7/103×150+3×50+3×2.5，電纜的各參數為：外徑尺寸91.0～101.5 mm，單相導線的半徑為7 mm，r=25 mm，R=60 mm，將參數代入式（13）和式（14），通過仿真可知在S′A處電纜周圍磁場值的矢量和在1.5～15.3 Gs 之間變化，磁場有效值為9.8 Gs。改變輸入的電流值，可知磁場值與電流值有一定的線性關系，電流在0～100 A 變化時，磁場的有效值范圍在0～9.8 Gs 之間，可用于指導傳感器開/停閾值的調節。

2 抗干擾性能研究

在工業生產中，低頻磁場屏蔽干擾易導致電子設備工作異常，特別是大電流的低頻干擾[14]。在煤礦井下，開停傳感器易受周圍電纜或大型設備干擾導致開停狀態誤判，因此屏蔽外界磁場的干擾，保證開停傳感器正常工作尤為重要。

查閱相關資料，對于屏蔽頻率較低的干擾源，主要考慮對磁場的屏蔽，一般選用高導磁率的材料可有效的對低頻干擾進行屏蔽[15-16]。開停傳感器外殼結構選擇1J85 坡莫合金、06Cr13 不銹鋼（410S 不銹鋼）和06Cr19Ni10 不銹鋼（304 不銹鋼）材料，擬通過仿真分析選擇合適的屏蔽材料。

仿真實驗條件：選擇干擾電纜的型號與上述相同，開停傳感器距離干擾電纜距離為10 cm。仿真步驟如下：首先，在Ansoft Maxwell 電磁仿真軟件中建立幾何模型，其次對材料屬性的定義，分別定義選用幾種屏蔽材料相對磁導率和電導率等參數，其次對激勵源與邊界條件定義，給干擾電纜施加幅值為100 A 三相正弦電流激勵信號，在設備空間中施加空間邊界條件，然后對求解選項參數設定及模型自檢，最后在后處理中分析仿真的結果。得出的不同金屬外殼材料抗干擾仿真結果（仿真圖略）為：

1）當傳感器金屬外殼材料為1J85 坡莫合金時，磁電阻芯片處的磁場值約為0.01 Gs。

2）當傳感器金屬外殼材料為06Cr13 不銹鋼時，磁電阻芯片處的磁場值約為0.1 Gs

3）當傳感器金屬外殼材料為06Cr19Ni10 不銹鋼時，磁電阻芯片處的磁場值約為1.2 Gs。

通過對比仿真分析可知，06Cr13 不銹鋼屏蔽性能稍差于1J85 坡莫合金，明顯強于06Cr19Ni10 不銹鋼，但1J85 坡莫合金價格昂貴。

3 開停傳感器設計

3.1 傳感器硬件

開停傳感器硬件框圖如圖2。

圖2 開停傳感器的硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of start-stop sensor

開停傳感器包括：電源部分、磁電阻模塊、外部存儲、RS485 模塊，遙控模塊、復位電路和數碼管顯示等。開停傳感器采用DC（9～24）V 電壓供電，通過電源模塊轉化供各模塊工作電壓，磁電阻模塊采用3.3 V 供電，工作時將檢測的磁場信號通過IIC 與MCU 通訊，通過相應的軟件算法處理后輸出檢測的磁場值。開停傳感器與分站或上位機采用RS485 通訊，可將傳感器檢測到電纜磁場值和設備開停狀態上傳至上位機軟件，傳感器支持本地和上位機調節開/停閾值。

3.2 開停傳感器軟件

傳感器軟件流程如圖3。首先讀取外部存儲默認數據，然后磁電阻芯片定時采集磁場值，為了避免外界干擾磁場導致的傳感器誤判，通過交流采樣，并經過數字濾波后輸出磁場有效值，再與開/停閾值比較，通過判斷輸出傳感器的開停狀態。

圖3 傳感器軟件流程圖Fig.3 Flow chart of sensor software

傳感器開/停閾值自動調節流程如圖4。傳感器可通過本地或上位機自動調節開/停閾值，安裝時讓傳感器繞被測電纜旋轉一周，傳感器可根據檢測電纜磁場最大值或最小值自動調節傳感器開/停閾值。也可通過上位機標記歷史數據區間，傳感器根據標記區間磁場值自動調節開/停閾值，降低傳感器現場維護工作，提高傳感器的智能化程度。

圖4 開/停閾值自動調節流程圖Fig.4 Flow chart of automatic adjustment of start / stop threshold

4 實驗驗證

4.1 三芯鎧裝電纜電流與磁場值實驗測試

將設計的開停傳感器進行測試驗證，實驗器材參數為：①三相電流發生器：三相電流輸出0～200A；②MYPT-8.7/103×150+3×50+3×2.5 三芯鎧裝電纜；③高斯計：0～1 000 Gs。磁電阻芯片的安裝位置參考圖1 S′A處，高斯計的探針放在芯片安裝位置的S′A處，與磁電阻芯片的測量值做對比，改變電纜中電流值大小，測試三芯鎧裝電纜中電流值與磁場值的關系，三芯鎧裝電纜中不同電流的磁場測量值與理論對比圖如圖5。

圖5 三芯鎧裝電纜中不同電流的磁場測量值與理論對比圖Fig.5 Comparison of magnetic field measurement and theory of different current in three-core armored cable

如圖5，通過試驗測試可以得出磁場的有效值與電流大小有一定的線性關系，和磁強計測試的磁場值相同。但測試值與理論值有一定的差值，是因為電纜帶有鎧裝層，會對磁場進行屏蔽，但磁場值和電流值存在一定的線性關系，可通過相應算法進行修正。

通過上述的仿真分析和實驗結果，在電纜同一位置磁場值和電流值有一定的線性關系，但是在實際使用中傳感器芯片的安裝位置和電纜的位置難以確定，通過理論分析和測量驗證，讓傳感器繞電纜按照相同的速度轉1 圈，測量不同位置電流值與磁場變化的關系，不同電流與電纜周圍磁場值關系如圖6。

圖6 不同電流與電纜周圍磁場值關系Fig.6 Relationship between different current and magnetic field around cable

由圖6 可知在不同電流下，電纜不同位置磁場值在一定范圍內變化，傳感器可通過檢測的不同位置磁場值變化范圍得到電纜電流值，即可根據磁場值的最大值和最小值反算出電纜中電流值，以此自動調節傳感器開/停閾值。

4.2 屏蔽材料實驗測試

參照上述仿真條件，設計實驗驗證材料的屏蔽性能，干擾電纜距離開停傳感器10 cm，改變干擾電纜的電流大小，并更換開停傳感器金屬外殼材料，對此測試06Cr13 不銹鋼和06Cr19Ni10 不銹鋼的屏蔽性能，不同屏蔽材料對比測試數據如圖7。

圖7 不同屏蔽材料對比測試數據Fig.7 Data of different shielding materials

由圖7 可知，開停傳感器外殼材質選用06Cr13不銹鋼比06Cr19Ni10 不銹鋼屏蔽磁場性能好，干擾電纜的電流為100 A，06Cr13 不銹鋼可屏蔽約1 Gs的干擾磁場。綜合考慮開停傳感器外殼結構材料的強度、耐腐蝕性和成本等因素，選擇06Cr13 不銹鋼作為屏蔽材料可有效提高傳感器的抗干擾性能。

4.3 現場試驗

將設計的開停傳感器安裝于煤礦井下局部通風機和局部備用通風機供電的鎧裝電纜上，其中開停傳感器1 安裝于局部通風機的鎧裝電纜上，開停傳感器2 安裝于局部備用通風機的鎧裝電纜上，開停傳感器現場測試數據如圖8。

圖8 開停傳感器現場測試數據Fig.8 Field test data graph of start-stop sensor

局部通風機開時傳感器1 磁場值在2～4 Gs 波動，傳感器2 磁場值為0。局部通風機、局部備用通風機切換時，測試樣機1 磁場值在1～2 Gs，測試樣機2 磁場值約0，傳感器可連續的檢測電纜磁場值和設備狀態開停，局部通風機和局部備用通風機切換時傳感器未產生誤判。

5 結 語

將磁電阻效應檢測技術應用于煤礦井下設備開停檢測，設計實驗驗證電纜不同位置電流值與磁場變化的關系，用于指導傳感器自調節開/停閾值。研究磁場屏蔽技術，通過實驗驗證06Cr13 不銹鋼可有效的屏蔽外界干擾磁場。通過現場試驗驗證了所設計開停傳感器的穩定性，解決現有市面上開停傳感器閾值難以調節和易受外界設備干擾等問題，提高了傳感器的穩定性和降低了現場維護成本。此外，傳感器還可以通過上位機標記自調節開/停閾值，提高了傳感器的智能化程度。