矿用本质安全超声测距电路系统设计.pdf
第 4 2卷 第 1 0期 2 0 1 6年 1 O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 . 4 2 NO .1 0 0c t .2 O1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 6 l O 一 0 0 6 5 0 5 DOI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 X . 2 0 1 6 . 1 0 . 0 1 5 孔维正 , 靳宝全 , 王宇 , 等. 矿用本质安全超声测距电路系统设计[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 1 0 6 5 6 9 . 矿用本质安全超声测距电路系统设计 孔 维正 , 靳 宝全 , 王 宇 , 王 东 , 张红娟 , 高妍 1 . 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室 ,山西 太原0 3 0 0 2 4 ; 2 . 太原理工大学 电气与动力工程学院,山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 详 细介 绍 了矿 用本质 安 全超 声 测距 电路 系统 中的 驱动 电路 和 回波处理 电路 的 组成和 工作机 理 , 通 过分析输 出电压波形 , 计算了测距 电路 系统各储能元件的最大储能。实验结果表 明, 该测距电路 系统中各储 能元件的最大储能均小于最小点燃能量, 达到 了国家有关标准规定的本质安全型要求。 关键词 超声测距 ;本质安全;储能分析 ;驱动 电路 ;回波处理 电路 ;最小点燃能量 中图分类号 T D6 8 5 文献标志码 A 网络 出版时间 2 0 1 6 0 9 3 0 1 0 0 2 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 6 0 9 3 0 . 1 0 0 2 . 0 0 7 . h t ml De s i g n o f mi n e u s e d i n t r i n s i c s a f e t y t y p e u l t r a s o n i c r a n g i n g c i r c u i t s y s t e m KONG We i z h e n g , J I N B a o q u a n , WANG Yu , WANG D o n g , Z HANG Ho n g j u a n 。 , G AO Y a n 1 . Ke y La b o f Ad v a n c e d Tr a n s d u c e r s a n d I n t e l l i g e n t Co n t r o l S y s t e m o f M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n, Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4,Ch i n a;2 . Co l l e g e o f El e c t r i c a l a n d P o we r E n g i n e e r i n g,Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y,Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ,Ch i n a Abs t r a c t The p a pe r i nt r o du c e d c ompo s i t i o n a nd wor k i ng m e c h a ni s m o f dr i vi ng c i r c ui t a nd e c ho pr o c e s s i ng c i r c ui t o f m i n e us e d i nt r i ns i c s a f e t y t y p e u l t r a s oni c r a ng i ng c i r c u i t s y s t e m .By a na l y z i ng o ut pu t v o l t a g e wa v e f o r m ,i t c a l c u l a t e d t h e ma x i mu m e n e r g y s t o r a g e o f e a c h e n e r g y s t o r a g e e l e me n t i n t h e r a n g i n g c i r c u i t s y s t e m . The e x pe r i m e nt a l r e s u l t s s ho w t ha t t h e l a r g e s t e ne r gy s t o r a g e of e a c h e ne r gy s t o r a g e e l e m e nt i s l e s s t ha n t h e m i n i m u m i g ni t i on e ne r g y i n r a n gi n g c i r c ui t s ys t e m , whi c h r e a c he s s t i pul a t e d i nt r i ns i c s a f e t y r e q ue s t of n a t i o na l s t a nda r ds . Ke y wo r dsu l t r a s o n i c r a n gi ng; i n t r i ns i c s a f e t y; a na l y s i s o f e ne r g y s t o r a ge; d r i v i ng c i r c u i t; e c ho pr oc e s s i n g c i r c u i t ;mi n i m u m i gn i t i o n e n e r gy 0 引 言 超声波因其突出的环境适应能力而被优先使用 于燃 爆 环境 下 的物 位 测 量 、 水 位 测 量 、 流 量 测 量 、 厂 区安全距离预警和特殊车辆 倒车雷达等口 ] 。然 而 在燃爆性环境中 , 当仪器设备 的电路系统 中释放的 能量高于环境中物质 的最小点燃能量 时, 便会引燃 引爆周 围的易燃易爆气体 , 造成严重的安全生产事 故 。目前 , 本质安全设备 因其安全性最好 、 使用最方 便而成为最佳 的防爆手段 ] , 同时可省去 隔爆外壳 及其他复杂结构 , 兼有重量 轻、 尺寸小 、 成本低等优 点[ 4 ] , 为此 , 矿用仪器设备的电路系统必须优先考虑 进行 本质 安全 化设 计r 5 ] , 以满 足实 际安 全生 产需求 。 近年来国内学者针对燃爆环境下检测设备的本 质安全化开展了很多研究 。其 中, 杨健健等 通过 解决矿用阻燃电缆模块非本安化难点 , 设计了矿用 本安型振动传感器。赵舒畅等[ 7 针对本质安全要求 设计了一种煤矿运输声光报警装置 , 然而 , 目前针对 超声测距系统 的本质安全设计 和研 究 目前 尚且 空 白。为此 , 本文采用可实现高低压切换功能 的高速 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 4 0 8 ; 修回 日期 2 0 1 6 - 0 8 2 2 ; 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 5 0 4 1 6 1 。 作者简 介 孔 维正 1 9 9 O 一 , 男 , 湖北武汉人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为煤矿电气安全 , E - ma i l k w z _ mt j s 1 6 3 . c o m。 6 6 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 光耦 器 件 , 设 计 了矿用 超 声测距 电路 系统 , 再配 合本 质安全电源电路和阻抗匹配驱动电路 , 实现了矿用 超 声测 距 电路 系统 的本 质安 全化 设计 。通 过分 析测 距电路系统的输 出电压波形 , 计算了测距 电路系统 各储能元件的最大储 能。结果表明, 基于高速光耦 的本质安全超声测距 电路系统中各储能元件的最大 储能均小于最小点燃能量, 达到了相关 国家标准l_ 8 ] 规 定 的本安 要 求 。 l超 声驱 动 电路 超声 测距 电路 系统 包 括超 声驱 动 电路和 超 声 回 波 处 理 电路 2个部 分 。其 中驱 动 电路对 换能 器进 行 驱动 , 使其发射超声波 , 回波处理电路对换能器接收 的回波进 行处理。由于 回波处理 电路供 电 电压单 一 、控制简单 , 而驱动电路供 电电压不 同、 驱 动控制 复杂 , 因此 , 将供 电电路、 光耦转换电路 、 匹配调理电 路组 合 为超 声驱 动 电路 , 如 图 l 所 示 。 图 l驱 动 电 路 组 成 供 电电路输入 1 8 V本安直流电压 , 1 8 V直流 电压连接 电阻 R 给光耦转 换电路 中的光耦 4 N2 5 引脚 5供电, 并通过 1 8 / 1 2 V, 1 e / 5 V转换元件输出 5 V给 单 片 机 C 8 0 5 1 F 0 4 0供 电 。光 耦 转 换 电 路 从 单片机 s 。输入低压驱 动脉 冲, 并转换 为输 出约 为 1 8 V的高压脉冲 U。 , 在 4 N2 5引脚 4输出。高压脉 冲 U。 送 入 匹 配 调 理 电路 后 驱 动 换 能 器 发 射 超 声 波 。超声波经障碍物反射回来后经换能器转换为超 声 回波信号 , 经 匹配调理电路送入 回波处理 电路处 理后输 出脉冲信号 . 单片机检测 S 。 端 口发射脉冲时 刻和 s 端 口回波脉冲信号时刻时差 △ £ , △ f 即为超 声波飞行时间。 按照超声波距离计算公式 d一0 . 5 v a t 为超声波在空气中传播速度 , 计算 出换能器 与障碍物的距离 。 1 . 1 供 电 电 路 供 电电路 如图 1 所 示 。由于线性 稳压 器具 有反 应速度快、 输出纹波小 、 工作时产生 噪声较低等特 点 , 选 取 线 性 转 压 芯 片 I M7 8 1 2和 AMS 1 1 1 7 ~ 5 . 0 作为第 1 、 第 2级 电压转换 电路 , 将 l 8 V 本安 直流 输 入 电 压 分 别 转 换 为 1 2 V 和 5 V 输 出 。 其 中 C, 、 C 。 、 C 。 、 C 分别 为 输 入 端 和输 出端 滤波 电容 。同 时 在 第 1 级 稳压 转换 电路 的输 出端 , 选择 电阻 R 及 电 容 C 和 C 。分 别构 成 了 7 r 型 R C滤波 电路 , 本 安输 入电压经过多重滤波后 , 降低 了电压中的谐波分量 , 减小 了供 电 电路 输 出直流 纹波 。 1 . 2光耦 转换 电路 光耦转换 电路如 图 2所示。光 耦转换 电路输 入 、 输 出电压 信 号分 别 为 Ui 和 【 , 。 , 光 耦 4 N2 5输 入 电流为 i D , 当 i ≤i 。 ≤i i ㈠ i 分别 为 光耦 4 N2 5工 作 于放 大 区间 的最 小 电流 和最 大 电流 时 , B 。脱 离 截 止 区而工 作 于 放 大 区 , 此 时 流 经 B 的 电流 i 。 随 流经二极管 D 。的电流 i 。线性 变化, 因此, 从光耦 4 N2 5引脚 4输 出 的电压 U。 随 引脚 2端 口电压线性 变 化 。 m, 图 2光 耦 转 换 电 路 由于 U 为一 连 串低压 控制 脉 冲 , 为保证 输 出 电 压 U。 随 【 , 线 性变 化 , 流 经 D 。的 电 流 i 应 满 足 如 下条件 c≤ 一 F 式 中 U 为 集 电极 B 的 电压 ; R 为二极 管 D 。 导 通 时的等效电阻。 通过外置电阻 R 。 并选择 三极管 B 参数 , 使 电 流 工作于式 1 的区间, 这样 U。 随 Un线性变化 , 而 U 随 U. 线性变化 , 所 以, U。随 u, 线性变化 , 且 U。 为 占空 比与 【 , , . 相同的高压脉冲。 1 . 3 匹 配 调 理 电路 对超声 换能 器进 行 阻抗 匹配会 提升 换能 器的 电 能一 机械能和机械能一 电能的转换效率 g ] , 换能器匹 配调 理过程 如 图 3 所 示 。 2 0 1 6年第 1 O期 孔维正等 矿用本质安全超声测距 电路 系统设计 6 7 图 3 a 为换 能器 匹配电路 , L 、 C 、 R 分别为 放大 匹配 电感、 电容 和 电阻。换能 器 匹配后 的 电路 如 图 3 b 所示 , 虚线框 内为换能器等效 电路 , C 。为静 态电容 , L 和 C 分别为动态 电感和动态 电容 , R 为串联支路等效 电阻。换能器驱动时动态支路等效 为电阻 R 。系统驱动时换能器匹配 电路如 图 3 c 所示 , 驱动时换能器总电路如图 3 d 所示 , 其 中 R 。 为二极管 D 导通的等效电阻。 L 等效电路 L l上 0 I 上 p T 1 _【 I b 换能器匹配后的电路 c 系 统 驱 动 时 的 换 能 器 匹 配 电 路 d 系 统 驱 动 时 换 能 器 总 电路 图 3 超声波换能器 匹配过 程 如 图 3所 示 , 对 换 能 器 进 行 匹 配 时 , 匹 配 电感 L 与 C 0 有关 , 为减小匹配 电感 L 的储能 , 增加 匹 配电容 C 。 可改变 L 。的大小 。经阻抗匹配之后电路 总 阻抗 为 7 一 璺 一_; 1 ∞C o R 一 讦面co C o -- C p R m 2 式 中 叫为换能器谐振频率。 为减少 Z的虚部造成的无功损耗 , 应使 z的虚 部 为 0 , 得 到 L 的表 达 式 ㈤ 一 干 由式 3 可知 阻抗 匹配后 , 电感 L 的感抗 与 C 。 和 的容抗在谐振频率 处抵消 , 此 时换能器 表 现为 纯 电阻 , 消 除 了总 阻 抗 虚 部 的无 功损 耗 。此 外 , 为减小流经电感 L 的电流, 增加了限流电阻 R 进行分流 , 以进一步减小电感 L 的储能。 2超 声 回波 处理 电路 发射 出的超声 波信号遇 到障碍物后返 回换能 器 , 经机械能一 电能转换变为电信号 , 再经信号调理 电路实现对 回波电信号的放 大与解调 , 超声 回波处 理电路如图 4所示。其中, A为二级放大, B为滤波 图 4超 声 回波 处 理 电路 回波经二级放大后 , 输入滤波放大电路进行滤 波和 放 大 , 其 中 滤 波 放 大 电 路 由 放 大 器M L M3 3 9 , 外置 电 阻 R 。 、 R 。 和 电容 C 。 、 C 。 构 成 , 电 路中心频率为 f o一 1 r 丽1 去 ] 一 4 一 l 十 j 通过设置 R 。 、 R 。 、 C 、 C 。 可改变 电路的中心滤 波频率 , 滤除 f 0以外频率 的杂波。滤波放大后 回波 送人由 C 、 C 。 、 R 、 R 和二极管 D 。组成 的峰值检 测 电路 , 将 回波信号整形为幅值连续 的回波信号 , 最 后 送 人 比较 器 M 和 直 流 电压 。 进 行 比较 , 电压 取值 如下 V。 Vc c J 1 [ 1 7 5 当峰值检测输 出回波电压信号的峰值大于 , 比较器 M 输 出一个 高电平脉 冲, 并送入单 片机端 口 S , 单片机通过检测此脉冲来识别超声波回波。 3 本 质安 全参数 设 计 本质安全电路是指电路在正常和非正常工作时 短路或断路等 都能达到本质安全要求的电路。对 电路的本质安全性能进行分 析评 价的方法有很 多 种, 其 中采用最小点燃 能量进行定量分析和设计的 评 价 方 法 可 以 避 免 复 杂 实 验 , 且 设 计 可 信 度 较高[ ] 。 3 . 1 驱动电路本质安全参数设计 超声波测距电路系统的驱动 电路储能元 件 如 电感L和电容C等 的储能较 大 , 所 以 , 最难 达到本 卧一 rL_ 、_-■____ 6 8 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 质安全要求, 也是超声波测距 电路系统本质安全参 数设计的主要考虑因素。驱动电路中电感和电容的 储能 计算公 式如 下 l Wv r L一-- r r 2J 1一 6 式 中 为 流 过 电 感 L 的 电 流 ; U 为 电 容 C 两 端 电压 。 按照图 3 d 中驱动时的等效电路 , 设流经 电阻 R 。的 电流 为 i , 流 经 匹配 电感 L 的电 流为 i , 对 电 路分析得到电流 i 和 i 的计算公式 f . R R。 U。 J R R R G R R ⋯ 1 一 垦 ⋯ l R R R G R R 电阻 R 。 和 R 对 电流 i 进 行 分 流 , 得 到 i , 将 i 代入式 6 得到电容 C 的储存能量 w 和电感 L 的储 存能量 W 一 1 c [ 丽 R m瓣R p U o 一 号 L I 瓦 R pU o 2 超声驱动电路参数如下 R。 一5 0 Q, R 。 一1 k Q, R 一 2 0 0 Q。 由 于 U。 【 , , I N , 设 计 时 将 U。按 照 U 值来设计 L 和 C 。 取值 范 围。依据 国家标准 , I 类 甲烷 ~ 空气 点燃 最 小 能 量 W⋯ 一0 . 2 8 m J ] , C 。 两端储存能量应满足 w w i , 进而得到驱动 电路电容 c 取值范围为 C 0 . 7 4 F。 假定 电容 C 。同换能器静态 电容 C 。 换能器静 态阻抗值 约为 2 0 0 0 p F 数 量 级大 致相 同, 选 取 C 。 一2 2 0 0 p F , 将 电阻 R 。 、 R 。 、 R 代 入式 3 , 则 有 L 一1 6 7 H。将 Ll值 代 入 式 8 , 得 W L _一 0 . 4 1“ J , 小于 i , 因此 , 电感 L 参数取值符合本 质安 全要求 。 3 . 2 回 波处理 电路本 质安 全参数设 计 由图 4可知 , 回波处 理 电路 最大 电压 V 一 5 V。根据 国家 标 准 ] , 电容 储 量 需 满 足 。 w ⋯依据 式 6 可 得 回波 电路 中 电容 最大取 值 C ≤9 . 9 6肚 F 。考虑 回波处理 电路对电容滤波需 求 , 设计了回波处理电路 电容本质安全参数。驱动 电路电容 C 。 和电感 L , 供 电电路电容 C 一C 及回 波处理电路 C 一C 的本质安全参数设计及对应元 件最 大储能 见表 1 。 表 1 测距 电路 器件参数及其最大储能 4实验结 果分 析 为验证以上本质安全电路系统设计的合理性 , 按照图 1和图 4设计 了测距 电路系统 , 并选用型号 为 NU4 0 A2 5 T R的收发一体超声波换能器 , 同时选 择匹配电感 L 1 1 6 7 H, C 一2 2 0 0 p F 。 4 . 1 正常 工作状 态波形 驱动 电路正 常工作 时的 波形如 图 5所示 , 即 图 1中的波形测 试点 a 的测试 波形 。正常 驱 动时 , 驱 动 电路 的最 大电压 U 。 ma x 为 1 5 . 5 V, 小 于设计 计算取值 1 8 . 0 V 。 图 5驱 动 电路 正 常 波形 随后 测 试 了 回 波 经 二 级 放 大后 M 输 出 的波 形 , 即图 4中波 形测 试 点 b 的波 形 , 如 图 6所 示 。 可观察到回波幅值 电压小于 5 V , 因此, 回波 电路中各储能元件的最大储能可依照表 1中的最大 储能值来考虑。由以上对驱动电路和回波电路的波 形 分析 和计算 可知 , 实 测 正 常工 作 时 电路 最 大 能 量 与所设计的能量值不 同, 需要重新计算元件储能。 5 4 之 3 出 脚 2 1 O 回波 一 - 【 ~ . ..- - .u J. 1L 。 I-r 一一r 1 1 一 r 1l r ’ J I I 2 4 6 8 l O 1 2 1 4 1 6 1 8 时间/ ms 图 6 超声波 回波二级放大波形 2 0 1 6年第 1 O期 孔维正等 矿用本质安全超声测距 电路 系统设计 6 9 4 . 2非正 常 工作状 态波形 为判定驱动电路在电路非正常时 开路和短路 上 电最 大能 量 , 测试 了 电源 和 驱 动 电路 开 路 和 短 路 时的电压波形 。本质安全 电源输入电压 U 在上电 瞬间和断电瞬间的电压波形如图 7 所示 。 20 1 5 之l 0 出 脚5 O 一 5 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0 4 5 5 0 时 间/ 图 7 本质 安全电源输入 L , 上电和断 电瞬间 的电压波形 高压驱动脉冲在换能器正端上电瞬间产生的电 弧和驱动 结束 后 的电弧放 电波形 如 图 8所 示 , 从 图 8可知 , 实际驱动脉冲上电瞬间最大电弧电压 幅 值 U。 一1 5 . 4 V 大于计算值 U。 一1 5 V 。 图 8 驱动 时换 能器 上电和断电 电弧波形 4 . 3 电路本 质 安全 分析 和对 比 由 4 . 1 节和 4 . 2节对超声测距 电路系统正常与 非正常情况下的波形对 比分析可知, 参数设计 时所 选用的电压值和实际电压值不同, 所以, 需对电路元 器件实际储能进行校准 。由图 5和图 8可知 , 驱动 最大 电压 U。 ma x 一1 5 . 5 V, 代 入 式 8 得 W 一 0 . 2 6 , W L _ 一0 . 4 1 。由图 7可知, 本质安全输 入电源 【 , 上电电弧最大 幅值约为 1 9 . 5 V, 大于设 计电压 1 8 . 0 V, 于是 选择 将 U。 一1 9 . 5 V 代 入 式 6 得到 电容 C 和 C 。的储 能 W 一 1 9 . 0 , w c ,一1 8 . 6 。可知 wc 和 wc 。 相对表 1中的数值 变 大 。 对于短路时的能量分析 , 主要考虑容易导致短 路情况发生 的电阻 R 。 、 R 、 R 对 匹配 电感 L 和 电 容 C 的储能值变化的影响及 电感 L 1 短路时匹配 电 容 C 的储能变化 的影响 。电阻 R 。 、 R 、 RD 分别短 路时, 计算电感 L 的最大储能为 0 . 4 7 ; 电阻 R 。 、 R 、 R p和 电感 L 分 别短 路 时, C 的最 大 储能 为 0. 2 6 u J。 电路 正 常工作 、 断路及 短路 时 , 各 元 器件最 大储 能值如图 9所示 。图 9中, 工为供电电路 区间、 Ⅱ为 回波处理电路区间、 Ⅲ为驱动电路区间的最大储能 , 横坐标 1 1 3分别代表元件器 C 一C 、 C 一C 、 C 。 和 L 对应 的序号 。 2 5 20 1 5 薹 1 0 斗 5 0 5 I C l C 4 一设计能量 . 实际能量 I I C6 --Cl 2 I I I 。 \ 、 、 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 l 1 2 l 3 储能元件序号 图 9 设计元件最大储能和元件实际最大储能对 比 由图 9可知, 通 过实测波形计算所得储能与设 计元器件计算储能相差不大 , 均小于国家标准规定 的最 小点 燃能 量 0 . 2 8 mJ [ 8 ] , 所 以 , 设 计 的超 声 测 距电路系统符合国家标准规定的本质安全要求。 5 结语 给 出了符 合本 质安 全要 求 的超声 测距 电路 系统 中驱动电路、 回波电路及供电电路的设计参数 , 通过 对测距电路系统关键 引脚 的波形 分析 , 得 出了电路 系统满足本质安全要求 的结论 。 参考文献 孙利 , 李 庆昭 , 潘守 国. 矿用 雷达料位计 的设 计[ J ] . 工 矿 自动化 , 2 0 1 2 , 3 8 2 5 6 5 8 . 戴绍港. 基于超声波测距的 自动寻迹泊车系统模 型设 计[ J ] . 电子器件, 2 0 1 2 3 2 0 4 2 0 7 . 赵曼. 防爆型 电气设备及 电路本质安全性 能评价 [ J ] . 电子科技 , 2 0 1 3 5 1 7 4 1 7 6 . 蔡利新. 本安 电路参数设计及元件要求 简介[ J ] . 电气 防爆 , 2 0 0 8 3 2 l 一 2 3 . 张刚. 煤 矿井 下 本质 安全 电气 系统设 计及 技 术发 展 [ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 2 , 3 8 9 2 7 3 4 . 杨健健 , 薛光辉 , 赵 国瑞 , 等. 矿用本 安型振 动传感 器 的研制 [ J ] . 煤炭科学技术 , 2 0 1 3 , 4 1 2 7 1 7 4 . 赵舒 畅, 曹利波 , 任 玉东 . 煤矿运输安全声光报警 装置 设计 [ J ] . 煤 矿机械 , 2 0 1 4 , 3 5 8 2 1 4 2 1 7 . 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