火花点燃试验辅助装置设计.pdf

第 4 2卷 第 1 期 2 0 1 6年 1月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 J a n ． 2 01 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 1 0 0 0 4 0 3 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 0 2 朱前伟． 火花点燃试验辅助装置设计E J 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 4 - 6 ． 火花点燃试验辅助装置设计 朱前伟 1 ． 中煤 科工 集 团常州研 究 院有 限公 司 ， 江 苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化股 份有 限公 司 ，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对 火花点 燃试验 装置在 火花点燃 试验过 程 中， 对本 质安 全 电 源短路 后 输 出不恢 复 、 恢 复 时 间过 长 ， 以及 针 对具有 软启 动功 能的 电源试验 时达 不到 GB 3 8 3 6 ． 4 2 0 1 0 爆 炸性 环 境 第 4部 分 由本 质安 全 型 “ i ” 保 护 的设备 要 求的 问题 ， 设 计 了一款 火 花点 燃试 验 辅 助装 置 ， 给 出 了装 置 结构 及 软 、 硬件 设 计 方 案 。该 装置可靠性及动作精度 高， 解决 了现有火花点燃试验装置的问题。 关 键词 火花 点燃 试验装 置 ；本质 安全 电源 ； 软 启动 中图分类 号 T D 6 1 文献 标志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 1 2 3 1 1 5 5 O 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． 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 2 ． h t ml De s i g n o f a s s i s t de v i c e f o r s p a r k t e s t Z HU Qi a n we i ， 1． CC TE G C h a n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a ； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t The r e a r e s o me p r ob l e ms e xi s t e d i n s p a r k t e s t de v i c e du r i ng s p a r k t e s t s uc h a s n o r e c o ve r y o f o ut pu t o r l o ng r e c o v e r y t i me o f i nt r i n s i c s a f e t y p owe r s up pl y a f t e r s ho r t c i r c ui t ， a nd i n a b i l i t y t o s a t i s f y r e q u e s t o f GB 3 8 3 6 ． 4 2 0 1 0 Ex pl o s i v e a t mo s p h e r e s pa r t 4 e q u i pme n t p r o t e c t i o n b y i n t r i n s i c s a f e t y “ i ”f o r po we r s up pl y wi t h s o f t s t a r t i n g f un c t i o n． An a s s i s t d e v i c e f o r s p a r k t e s t wa s de s i g ne d． The d e vi c e s t r uc t ur e a n d s o f t wa r e a n d h a r dwa r e de s i g n s c h e me s we r e g i v e n．Th e de v i c e ha s hi g h r e l i a b i l i t y a n d a c t i o n pr e c i s i o n，whi c h s o l v e s q ue s t i o ns o f e x i s t i ng s pa r k t e s t d e v i c e． Ke y wo r d s s pa r k t e s t d e v i c e；i nt r i n s i c s a f e t y po we r s u pp l y；s o f t s t a r t i ng 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 卜0 2 ； 修回 E t 期 2 0 1 5 1 2 - 0 2 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 中煤科工集 团常州研究院有限公 司科研项 目 1 4 S Y0 0 6 0 3 。 作者简介 朱前伟 1 9 7 9 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 现主要从事防爆 产品检验工作 ， E ma i l z h u c o n g we i 1 2 6 ． c o i n 。 [ 2] [ 3] [ 4] [5] [6] 刘 贤锋 ， 乔 宏哲． 基 于 AR M 的装载 机远程监 控 系统 设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 9 8 4 8 6 ． 刘屹 ， 石博强 ， 谭章禄． 基 于物联 网的煤炭智 能装车系 统设计 [ J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 1 5 ， 3 4 7 2 2 6 2 2 8 ． 任守纲 ， 徐焕 良， 黎 安 ， 等 ． 基 于 RF I D ／ G I S物联 网 的 肉品跟踪 及追溯 系统设计与实现[ J ] ． 农业工程学 报 ， 2 0 1 0， 2 6 1 0 2 2 9 2 3 5 ． 张秀娟 ， 程飞龙． 基于 S TM3 2的便携式生命体 征监 护 仪设计[ J ] ． 电子技术应用 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 1 2 O 一 2 2 ． 张河 新 ， 王晓辉 ， 黄 晓东． 基于 S TM3 2和 C AN总 线 的智能数 据采 集节 点设 计 E J ] ． 化工 自动化 及仪 表 ， 2 O12， 39 1 7 8 8 O． [7 ] I- 8 ] [9 ] [ 1 O 3 彭刚 ， 袁兵． 基于 双 AR M C o r t e x架构 的移动机 器人 控制器 设 计 [ J ] ． 华 中 科技 大学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 O l 3 ， 4 1 增刊 1 2 8 4 - 2 8 8 ． 陈琦 ， 丁天 怀 ， 李成 ， 等． 基于 GP R S ／ GS M 的低 功耗 无线远程测 控终端设计 [ J ] ． 清华 大学学报 自然科学 版 ， 2 0 0 9 2 2 2 3 2 2 5 ． 金靖． 基 于 Ar c G I S E n g i n e的地理信息系统二次开发 原理和方法[ J ] ． 测绘 与空 间地理 信息 ， 2 0 1 2 ， 3 5 3 46 4 9． 梁庚 ， 李 文． 基 于 分 布 式 0P c、 组 件 连 接 件 和 we b S e r v i c e 的 电站远程监控 系统设计 I- J ] ． 电力 自动化 设 备 ， 2 O 1 2 ， 3 1 1 O 1 3 4 1 3 8 ． 2 0 1 6年 第 1期 朱前 伟 火花 点燃 试验 辅助 装 置设计 5 0 引言 火花点燃试验是检验矿用本质安全型电气设备 安全 性 的一项 重 要 试 验 ， 主 要 检 验 电路 和 电气 设 备 的电火花是否会点燃煤矿井 下瓦斯 ， 以及通过合理 选择电气参数 ， 使设备在正常及故障状态下产生 的 电火花 非 常 小 ， 不 致 于 点 燃 周 围 的 爆 炸 性 混 合 物 。 火 花点 燃试 验 的关 键 问题 是 试验 方法 和试 验装 置 的 选 择 ， 所用 方法 和装 置 既要保 证试 验 安全 ， 又要 利 于 设 计及 制 造 。G B 3 8 3 6 ． 4 2 O 1 O 爆 炸 性 环 境 第 4 部分 由本质安全型“ i ” 保护 的设备 中对 火花点燃 试 验 以及 本质 安 全 电路 用火 花点 燃 试验装 置 进行 了 详细描述[ 1 ] 。本文通过分析现有火花点燃试验装置 的局限性 ， 给出一套火花点燃 试验辅助装置 的设计 方案 。 1火花 点燃 试验 原 理 前苏联 、 英国、 法 国、 德 国、 比利时、 波兰等都 曾 经研 发 了火 花点 燃试 验装 置 。但各 国的火花 点燃 试 验装置得出的数据有时是 矛盾 的， 导致人们对其可 信性产生了怀疑 ， 也为设备的进 出口工作带来 了很 大 困难 j 。国际 电工 委员 会 向其 成 员 国推荐 了 德 国 研 发 的火花 点燃 试 验 装 置 。 目前 ， 中国基 本 上都 在 使 用该 种火 花点 燃试 验装 置 。 火 花点 燃试 验装 置结 构 如 图 1 所 示 。装 置 的爆 炸 容器 至少 为 2 5 0 c m。 ， 其 内布 置 2只 电极 ， 可 在规 定的爆炸性试验混合物 内产生闭合火花 和开路火 花 。一 只 电极 由带 2道 槽 的 旋 转镉 电极 组 成 ， 槽 的 宽 度和 深度 均 为 2 mm； 另 一 只 电极 由 4根 钨 丝 组 成 ， 固定在极握上 ] 。由电动机带动的极握转 速为 8 0 r ／ mi n ， 极握与镉盘齿轮传动比为 5 O 1 2 。试验过 程 中可使用 4 ， 2 ， 1 根 钨丝 。 通过 计算 可知 ， 2 次 间 图 1 火花点燃试 验装置结构 隔最短 的火 花 时 间 是 钨 丝 通 过 镉 盘 沟 槽 所 需 的时 间 ， 约 为 9 ． 6 ms ； 2次间 隔最 长的火 花 时间是 1根钨 丝通过 镉 盘边缘 所需 的时间 ， 约为 6 3 0 1 T I S 。 2 火 花 点燃试 验装 置 的局 限性 G B 3 8 3 6 ． 4 2 O 1 O指 出 ， 采 用 火 花 点 燃 试 验 装 置 测 试 本 质 安 全 电 路 时 ， 通 常 受 限 于 以下 条 件 ① 试 验 电流不 大于 3 A； ② 对 于 电阻性 和电容 性 电 路 ， 工作 电压不大于 3 0 0 V； ③ 对 于电感性 电路 ， 电 感 不大 于 1 H； ④ 电路频 率不 超过 1 ． 5 MHz 。对于 不符合上述条件的电路 ， 火花 点燃试验装置的灵敏 度 可能 发 生变化 ] 。 笔 者 在进 行 火 花 点燃 试 验 时 ， 出现 了 3种超 过 上述限制条件的情况 ① 本质安全电源输 出在 1次 火花点燃试验后无法恢复， 除非重新给被试设备上 电 ； ② 本 质安 全 电源 输 出 在 1次 火 花 点燃 试 验 后 ， 恢 复 时间 过长 ， 超过 了钨 丝 通 过镉 盘沟 槽 的 最 短 时 间 ， 下一次火花点燃试验无效 ， 不符合 GB 3 8 3 6 ． 4 2 0 1 0要 求 ； ③ 对 于 带 有 软 启 动 功 能 的 本 质 安 全 电 源 ， 如果 在 电源 输 出 未达 到 最 大 值 时进 行 火 花 点 燃 试验 ， 则不能测试到最严酷 的情况 。针对上述 3种 情况 ， 笔 者设计 了一套火 花 点燃试 验辅 助装 置 。 3火花 点燃试 验 辅助装 置 设计 3 ． 1 装 置组 成及 工作 原理 火 花 点 燃 试 验 辅 助 装 置 主要 包 括 微 处 理 器 部 分 、 信 号 检 测 部 分 、 输 出控 制 部 分 、 按 键 部 分 、 L E D 显示 部分 、 数 据存 储部 分等 。 针对 笔 者 进 行 火 花 点 燃 试 验 时 出现 的 3种 情 况 ， 可采用该装置解决 。针对情况① ， 可通过按键设 定本质安全电源输 出的时间间隔 ， 输出控制部分周 期性地开通和关断电源 的输入电路， 以实现持续输 出； 针对情况②， 可将信号检测部分与本质安全电源 输 出相连 ， 没 有 电源 输 出时 ， 微 处 理器 开 始 计 时 ， 保 证 在小 于 9 ． 6 ms的 时间 间 隔 内通 过 输 出控 制部 分 实 现 电源 稳定 输 出 ， 为 下一 次火 花点燃 试验 做 准备 ； 针对情况③ ， 首先通过示 波器等设备测量带软启动 功 能 的本 质安 全 电 源 的最 大 输 出稳 定 时 间 ， 然 后 接 人火 花点 燃试 验辅 助装 置 ， 并 通 过 按 键设 定 装 置 的 输出间隔时间大于其最大输 出稳定时间， 保证输 出 稳 定后 进行 火花 点燃试 验 _ 5 ] 。 3 ． 2 装 置硬 件设 计 微处 理 器采用 C 8 0 5 1 F 3 4 0单 片机 ， 其 处 理性 能 优 越 ， 提 供 丰富 的模拟模 块 ， 工作 温度 范 围为 一4 0 ～ 6 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 1 0 5℃ ， 且抗干扰能力强 。 信号检测部分主要检测本质安全电源 的输出， 接入本质安全电源 的输出回路 ， 其输出的检测信号 经光耦隔离处理后反馈至微处理器。微处理器收到 反馈信号后， 根据程序做出相应处理 。 输出控制部分采用光耦 隔离芯片 P C 8 1 7与控 制芯片 UL N2 0 0 3相结合 的方式控制继 电器线 圈。 UL N2 0 0 3具有电流增益高、 工作 电压高、 温度范围 宽 、 带负载能力强等特点 ， 适用于各类要求高速、 大 功率驱动的场合； 其采用集 电极开路输 出， 输 出电流 大， 内部集成了 1 个可消除线圈反电动势的二极管， 非常适合驱动继电器线圈。继电器选用高可靠性小 型继电器 RX M2 L B 2 P 7 ， 其具有体积小 、 质量轻 、 开 闭容 量 大 、 可 靠 性 好 、 寿命 长 、 回跳 时 间 短 等 特 点 。 继 电器线 圈采 用直 流 电压进 行 驱 动 和控 制 ， 继 电器 触点选用双刀双掷结构 ， 以实现多组触点常开和常 闭 ， 增加 输 出方式 。 按 键 部分 采 用 4位 按键 ， 可设 定 输 出控 制信 号 的 间隔时 间 ， 并 通 过 按 键 组 合 ， 设 定 常 用 的 间 隔 时 间 ， 如 0 ． 5 ， 1 ， 1 ． 5 ， 2 S 等 。 L E D显示部分采用共 阳极 4位、 单红色高性能 L E D 0 4 0 4 1 ， 其具有耐燃烧 、 耐破裂 、 耐高低温、 超强 抗 冲 击 老 化 、 寿 命 长 、 亮 度 高 等 优 点 。考 虑 到 C 8 0 5 1 F 3 4 0具有 3 2 个 可 复 用 的输 入 、 输 出管 脚 ， 因 此 C 8 0 5 1 F 3 4 0可直接通 过 电阻 限流来驱 动 L E D， 节 省 了成本 和 空 间 。L E D 显 示 设 定 的输 出 控 制 信 号 时 间 间隔 ， 可 显示 1 ～9 9 9 9 ms 。 数据存储部分采用 2 k B串行电可擦除存储芯 片 AT2 4 C 0 2 ， 采 用两线 串行 总线 与 C 8 0 5 1 F 3 4 0通 信 。AT2 4 C 0 2存储数据可在断 电的情况至少保存 1 0 0 a ， 具有 1 0 0万次的擦写周期 ， 使用温度范 围宽。 通过 按键 设 定 的 时 间 间 隔 通 过 C 8 0 5 1 F 3 4 0的 I C 总线存储到 AT 2 4 C 0 2中， 在装 置突然掉 电或下 次 重新上电时， 仍保持设置好 的时间间隔， 避免重 复 操作 。 3 ． 3装 置软件 设计 装置软件部分采用单 片机 C语言的模块化 设 计方 案， 主要包括 信号 的采 集和捕 获、 按键 处理 、 L E D显示 、 输出控制、 数据存储等模块 ] 。 4 结语 火花 点燃试 验辅 助装 置是火 花点燃 试验 装置 的 补充 ， 适用 于 不 同保 护 方式 、 不 同输 人 ／ 输 出 电压 等 级 的本质 安全 电源 的检测 ， 提 高 了试 验 的公 正 性 和 准 确 性 。该 装 置 具 有 结 构 简 单 、 可 靠 性 高 、 设 计 合 理 、 动作精度高等特点， 在不影响原试验电路 的前提 下 ， 很好 地解决 了火 花点燃 试验 装置 的问题 。 参 考 文献 E l l G B 3 8 3 6 ． 4 2 O 1 O爆 炸性环 境 第 4部分 由本 质安 全 型“ i ” 保护 的设备[ s ] ． [ 2 ] 章 良海 ， 宋雅亭 ， 刘小 周． 安全火花原理及 应用[ M] ． 北 京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 8 4 ． [ 3 ] 付淑玲． 可控硅保 护式本 安 电源 自动恢 复装 置[ J ] ． 煤 矿 安 全 ， 2 0 0 0 ， 3 1 1 3 2 - 3 4 ． [ 4 ] 朱前 伟． 矿 用本 质安 全 电源 的基本 要 求 和设 计 方法 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 2 2 2 2 5 ． [ 5 ] 张岩． 电路瞬态能量 分析 的计 算机仿 真方 法[ J ] ． 电气 防爆 ， 2 0 1 4 4 1 9 2 2 ． E 6 3 朱前伟 ， 孙小进 ， 赵小兵 ， 等． 基于单片机的一氧化碳传 感 器 的设 计 E J 3 ． 计 算 机 测 量 与 控 制 ， 2 0 1 5 ， 1 7 7 】 44 5 一 】 4 46 ． S i p l u s C MS 1 2 0 0状态 监测 系统 西门子研发的 S i p l u s C MS 1 2 0 0状态监测系统是 S 7 ～ 1 2 0 0控制器的扩展模块， 是基 于 S M1 2 8 1的状态 监测模块 。用户可通过结合多达 7 块 S M1 2 8 1模块来创建一个高效 的监测系统， 且每个模块可连接 4个振 动加速度传感器和 1个速度传感器。该系统可用于连续监测如电动机 、 发电机、 通风机和泵等设备的机械部 件 。在用 S i p l u s C MS 1 2 0 0状态监测系统进行预测性维护时， 磨损所导致的重大变化可在早期被发现， 从而 使用户能够更好地规划维护工作 ， 并按计划完成 。 S i p l u s C MS 1 2 0 0 状 态监测 系统 还具 备多样 化 的 分 析能 力 ， 包括 基 于参 数 的频 段 选 择 分析 和 趋 势分 析 ， 用 于监 测 特 定 频 率 范 围 内 的 限 值 。通 过 指 纹 比对 ， 可 轻 松 定 位 损 伤 部 位 。基 于 参 数 的 诊 断 可 直 接 在 S M1 2 8 1 模块上进行 ， 并可通过网页浏览器访问 ， 以避免生产控制网络的通信周期受大数据量的详细频率诊 断所影 响 。 朱 建 芸