非接地式矿用馈电状态传感器设计.pdf

第 4 2卷 第 1期 2 0 1 6年 1月 工矿 自 动化 I ndus t r y a nd M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ．1 J a n．2 0 1 6 文 章编 号 1 6 7 1 ～ 2 5 1 X 2 0 1 6 0 1 0 0 0 7 0 3 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ ] ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 0 3 黄春． 非接地式矿用馈电状态传感器设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 7 - 9 ． 非接地式矿用馈电状态传感器设计 黄春 1 ． 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆4 0 0 0 3 9 ； 2 ． 重庆 市矿 山物 联 网关键 技术 工程 技 术研究 中心 ，重庆4 0 0 0 3 9 摘 要 针 对现有 馈 电状 态传 感 器需要 进行接 地 处理 且 易受 干扰 的 问题 ， 提 出非接 地 式矿 用馈 电状 态传 感 器设 计方 案 。该传 感 器将信 号探 头 包裹在 负荷 侧 线缆 上 ， 并采 用屏 蔽层对 极板 进行 防干扰 处理 ， 保 证 了极 板 和信号处理电路采用相 同的参考地 ， 能够在不接地的情况下准确检测 出馈 电状 态。 关 键词 馈 电状 态传 感 器 ；接地 处理 ；防 干扰 处理 中图分类号 TD 6 0 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 1 2 3 1 1 5 5 0 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 1 2 3 1 ． 1 5 5 0 ． 0 0 3 ． h t ml De s i g n o f mi n e us e d u n gr o un de d f e e d s t a t e s e ns o r HU ANG Chu n ， 1． CCTEG Cho ng q i ng Re s e a r c h I ns t i t ut e，Cho n gq i ng 4 0 0 03 9， Chi n a；2． Cho ng q i ng En gi n e e r i ng Re s e a r c h Ce nt e r o f Ke y Te c hno l og i e s of M i ne I nt e r ne t o f Th i ngs ， Cho n gq i ng 40 0 03 9，Chi n a Ab s t r a c t I n vi e w of p r ob l e m t ha t e xi s t i ng f e e d s t a t e s e ns or n e e d t o be g r o und e d a nd i t i s s us c e p t i bl e t o i n t e r f e r e n c e ，a d e s i g n s c h e me o f mi n e u s e d u n g r o u n d e d f e e d s t a t e s e n s o r wa s p r o p o s e d．Th e s e n s o r wr a p s s i g n a l p r o b e s o n t h e l o a d s i d e c a b l e ，a n d u s e s s h i e l d f o r a n t i i n t e r f e r e n c e p r o c e s s i n g o f e l e c t r o d e p l a t e s ，i t e ns u r e s t ha t t he p l a t e s a nd t he s i gn a l p r o c e s s i ng c i r c u i t us e t h e s a me r e f e r e n c e ，a nd c a n a c c ur a t e l y de t e c t t he f e e d s t a t u s i n t he c a s e o f u ng r ou nd e d． Ke y wo r d s f e e d s t a t e s e ns or ；g r ou nd i ng ha nd l i ng；a nt i i n t e r f e r e nc e ha n dl i n g 0引言 关量信号 ， 从而间接检测 出负荷侧馈电状态 。 根 据 煤 矿 安全 规 程 规 定 ， 在煤 矿 井 下 各 种 控 制设备开关的负荷侧应设 置馈 电状态传感器 ， 用于 检测 负荷侧是否断 电成功， 保证安全生产r 】 ] 。基于 参考文献I- 2 ] 中提出的馈 电检测原理设 计的馈 电状 态传感器需要进行接地处理 ， 才能够正 确检测 出馈 电状态 ， 且易受周边环境干扰而出现误判现象 。针 对该 问题 ， 本 文 提 出非 接 地 式 矿 用馈 电状 态 传 感 器 设计方案 ， 结合接触式 电场感应检测方式口 ] ， 将信 号探 头包 裹 在负 荷侧 线 缆 上 ， 对探 头 内 2个 极 板 感 应的微弱电场信号差进行放大等处理 ， 并转换 为开 1 现有馈 电状态传 感器 检 测原理 现有馈电状态传感器检测 电路如 图 1所示 ， 图 中 A 点和 B点与处 在 电场 中的 2 个 探 头 连接 ， 利 用 通 电时馈 电电缆周 围交 替 电场 的不平衡 原 理检测 设 备的馈 电状态 。2个探头卡 在馈 电电缆 的任 意位 置。如果馈电电缆没有通电， 则其周围的电场为零， A点 和 B点 的 电位差 几 乎 为零 ； 如果 馈 电 电缆 处 于 通 电状态 ， 则其 周 围存在 交替 电场 ， 由于不 同位置 的 电场不平衡 ， A点和 B点处 的电容 C两端感应 出不 同的微弱交流电压信号 ， 对 2个信号进行差分放大 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 2 8 ； 修 回 日期 2 0 1 5 一 1 0 1 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 2 0 1 4年 国家物联网发展专项资金项 目 2 0 1 4 0 8 3 1 0 5 。 作者简介 黄春 1 9 8 4 一 ， 男 ， 重庆人 ， 硕士 ， 现主要从 事煤 矿安全监 控技术 及仪器仪 表 、 无线通 信技术 等方面 的研究 工作 ， E ma i l z h a n g x b 3 Z O I 2 f o x ma i l ． c o rn。 2 0 1 6年 第 1期 黄 春 非接 地式 矿 用馈 电状 态传感 器设 计 9 ’ 图 6 电场采集信号处 理电路 接 ， 负面通过电缆与地连接 ， U 近似为 A点处极板 电阻 R 。 分得的电压小于有信号时电容 C Ⅲ的最低 的感应 电压 ， 【 厂 近 似为 B点 处极 板 的感 应 电压。 电压 ， 就可以通过比较器 u 。 将输出的信号转换为 【 ， 为 u 经过运算放大器后的跟随电压 ， u磁为 u 高低电平 ， 从而间接反映馈电状态 。 经过运算放大器后的跟随电压 。跟随前和跟随后的 电压值近似相 等， 极性相 同。根据运算 放大器 的虚 短 和虚 断可 得 一 U ] 2 -- VO U T 1 R 5 R8 ⋯ 一 R7 2 U2一 U。 3 式 中 R6 一R7 ； R5 一R8 。 由式 1 一式 3 可得输 出电压 Vo 的数学表 达 式 为 Vo u T UB 2 一 A 2 4 2 ． 3 ． 2 信号 转换 处 理 电路设 计 微 弱信号 经 过放 大处 理后 仍然 是 交流 信号 或者 方波信号， 如果用该信号驱动后级的 1 ／ 5 mA 电路 则会 出现错误 ， 因此 ， 对输入的交流信号和方波信号 进行转换处理， 转换为能够反映馈电状态 的高低 电 平信号 。信号转换处理电路如图 7所示 。 图 7信 号 转 换 处 理 电 路 输 入信 号 、 ， r 经 过二 极 管 D 后 ， 利 用 正 弦 信 号 或者方波信号的正电平对电容 C 进行充 电处理 ， 负电平时， 由于二极管作 用被限制 ， 电容通 过 电阻 R Ⅲ进行放 电处理。当有信号输入时 电容 C ⋯ 的电 压 如图 8所示。适当调节 电阻 R 。 和 R 1 ， 使得 图 8有 信 号 输 入 时 的 电容 电压 3 结 语 详细讨论了现有馈电状态传感器的不足 ， 对探 头 和电路 进行 了改 进 ， 设 计 了 非 接地 式 矿 用馈 电状 态传感器 。该传感器在不接地 的情况下 ， 能够准确 地测 出负荷侧 的馈 电状 态 ； 探 头 采用 屏 蔽 层 对极 板 进行防干扰处理， 具有 良好的抗干扰性和稳定性 此 方法只能检测非屏蔽线缆 的馈电状态 ； 将采集的馈 电状态转换为高低 电平控制开关量 的输出， 满足了 监控系统 的接入要 求， 可 实时 地将馈 电状态 传至 地 面 。 参考文献 [ 1 ] 煤炭 工业 部安 全司． 矿井 安全 监 控原 理与应 用 [ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 孙小进 ， 陆铮． 智 能馈电状 态传感器 的研究[ J ] ． 工矿 自 动化 ， 2 0 0 6 ， 3 2 4 5 5 5 6 ． [ 3 1 高永清， 孙继平， 商丹． 新型馈 电状态传感器的研究 [ J ] ． 电子设计应用 ， 2 0 0 4 1 2 9 4 9 5 ． E 4 3 商丹 ， 高 永清． 电容式矿 用馈 电状 态传 感器 研 究[ J ] ． 传感技术学报 ， 2 0 0 5 ， 1 8 4 7 1 7 7 2 1 ． E 5 3 高永清． 矿用 馈 电状 态传感 器研 究[ D] ． 北京 中国矿 业大学 北京 ， 2 0 0 4 ． 0‰ 0 0