基于數字防爆式的危險品作業場所靜電釋放裝置設計*

李祖勤 刁宏偉 田樹新 王翩翩

(91829部隊 大連 116041)

基于數字防爆式的危險品作業場所靜電釋放裝置設計*

李祖勤 刁宏偉 田樹新 王翩翩

(91829部隊 大連 116041)

針對當前危險品作業場所靜電釋放裝置存在的安全隱患,提出一種具有數顯和防爆功能的靜電釋放裝置設計方法。利用設計合理的人體靜電釋放電阻,有效地控制人體靜電釋放時間與釋放安全;采用直接接觸的方式檢測和顯示人體靜電值,釋放結果可通過聲光報警進行提示。該設計操作簡便,能有效提高危險品作業場所的安全防護等級。

危險品; 靜電釋放; 數字防爆

Class Number O441.4

1 引言

靜電是當物體接觸分離時,因電荷移動而產生電荷不平衡的帶電現象,人體所帶靜電是最為常見和普遍的。由于人體活動摩擦使得每個人的身上都帶有一定程度的靜電,當遇到突然分離或與低電位物體接觸時,就會發生靜電放電火花,引起電子元件的靜電擊穿,在存有易燃、易爆等場所極易引起火災和爆炸。因此,靜電危害問題已經引起世界各國的普遍重視,特別是在危險品生產(如電爆管、雷管、炸藥等)、運輸和貯存以及電子產品(如計算機、COMS器件等)等方面,更為人們所關注[1～8]。

目前,危險品庫房靜電釋放裝置仍存在以下問題:

1) 由于金屬材料接地阻值太低,當人體靜電電位較高時,人體與靜電釋放裝置接觸的瞬間(約幾十ns)釋放電能量轉移高達80%～100%,極易引發靜電火花放電,并對人體有電擊感,對倉庫和洞庫等作業場所的安全帶來了隱患。

2) 銅球材料存在表面氧化現象,增加了導電電阻,同時不能適時掌握靜電釋放裝置與接地電阻的接觸是否良好,從而影響了靜電的釋放。

3) 沒有靜電顯示功能,在人體觸摸釋放器觸摸球釋放靜電時,無法知道是否已經釋放到安全靜電壓100V以下范圍內還是因靜電釋放裝置故障無法釋放靜電,存在嚴重的安全隱患。

因此,設計一型防爆數顯靜電釋放裝置,彌補普通靜電釋放裝置的缺點,更加適用于易燃、易爆及防靜電等場所,以確保人員和設備的安全。

2 數字防爆式靜電釋放裝置設計

2.1 設計思路

防爆數顯靜電釋放裝置的主體思路是先檢測人體靜電值,然后釋放人體靜電并能在釋放過程中顯示靜電值。靜電釋放裝置選用靜電亞導體材料作為觸摸球,采用間接接地,設計合理的人體靜電釋放電阻,有效地控制人體靜電釋放時間,降低瞬間人體靜電釋放能量,使人體靜電安全釋放;采用直接接觸的方式來檢測和顯示人體靜電值、人體與靜電觸摸球接觸可靠性和接地電阻可靠性,通過聲光報警提示靜電消除完畢和低電壓,為了降低和簡化操作設有測試儀表自動上、斷電控制電路。

2.2 硬件組成

主要由防爆靜電釋放裝置、測試儀表和支架等組成。其中靜電釋放裝置由防爆觸摸球、聲光報警裝置、接地檢測裝置、自動上斷電電路、提示牌、立桿、固定裝置和接地線等組成;測試儀表由殼體、觸摸壓動盤、放大電路、AD轉換、MCU數據處理器和顯示器等組成。防爆數顯靜電釋放裝置組成如圖1所示。

圖1 防爆數顯靜電釋放裝置組成圖

2.3 總體結構設計

防爆數顯靜電釋放裝置的結構設計應符合人機工程學的基本要求,整機外形美觀,布局合理,可根據使用要求選用立式或壁式安裝方式,易于固定,便于操作和觀察。防爆數顯靜電釋放裝置結構如圖2所示。

圖2 防爆數顯靜電釋放裝置結構圖

2.3.1 觸摸壓動盤和靜電釋放觸摸球設計

觸摸壓動盤采用不銹鋼,具有良好的導電性,外形為圓盤型,適合手掌觸摸,在外力的作用下能夠沿著導向管自由伸縮,當外力撤除后自動復位。靜電觸摸球采用靜電亞導體材料,外形為中間開孔的圓球形,用于安裝觸摸壓動盤,當觸摸壓動盤壓下后,成為一個完整的圓球形,在側面開有燈光指示孔和報警器安裝孔,內部裝有鋰電池和電路,通過螺釘與立桿固定。

2.3.2 靜電釋放裝置立桿和固定裝置設計

靜電釋放裝置立桿選用304不銹鋼管,直徑為38mm,壁厚為3mm,可根據使用要求適當調整立桿的長度,其上部可與靜電觸摸連接,下部可與固定裝置連接,接地線和測試電線從中間穿過。固定裝置選用厚為10mm的不銹鋼板,在圓環上鉆直徑為10mm的圓孔,用固定螺栓與地樁固定。

2.3.3 靜電測試儀表支架和殼體設計

儀表支架選用304不銹鋼管,直徑為20mm,壁厚為1.5mm,兩段連接在一起,其兩端分別固定在立桿和測試儀表殼體上,支架連接處可自由活動。測試儀表殼體選用塑料材料,尺寸為120mm×80mm×60mm,內裝測試儀表電路和顯示器。

2.4 防爆特性設計

2.4.1 人體物理特性分析

1) 人體靜電電壓統計如表1所示[9]所示。

表1 人體靜電電壓統計表

2) 易燃、易爆最小引燃能量統計如表2所示。

表2 易燃、易爆最小引燃能量統計表

3) 人體通常帶電靜電放電電能分析

人體靜電放電能量計算公式:

(1)

式中:W為放電能量,單位J;C為等效電容,單位F;V為電位差,單位V;人體電容100pF～400pF,通常帶電2kV～5kV,帶入式(1)得:

Max[W]=0.4mJ～2.5mJ

若大于可燃物的最小引燃能量時,就有引燃危害。

4) 人體靜電消除安全指標[10]

放電電荷轉移量小于0.1μC;轉移能量μJ級;觸摸后人體殘余電壓小于100V;釋放過程中人體安全電流小于5mA;殘余能量小于0.1mJ。

5) 人體靜電的消除

消除靜電就是提供一條靜電電荷泄露的通道,泄放導體上積聚的電荷,使導體與大地等電位,使導體間電位差小于100V以下范圍內。

人體靜電電容電壓釋放計算公式為

U=U0e-t/RC

(2)

LnU=LnU0-(t/RC)

T=RC(LNU0-LNu)8.518-4.6

式中:U為靜電釋放后安全電壓,單位V;U0為靜電釋放前電壓,單位V;t為靜電釋放時間,單位s;C為人體電容,單位pF。

2.4.2 普通靜電釋放裝置存在的危險

普通靜電釋放裝置的設計是通過直接接地的方式,通過觸摸銅球或不銹鋼結構觸摸球直接放電,其電阻約等于0,當人體與觸摸球接觸時與大地電阻在幾十歐之間,人體對地間電容大概有200pF,假設人體自帶有U0=5000V靜電電壓,將其釋放到100V安全電壓范圍以內,帶入式(2),求得靜電釋放時間在t=0.0001～0.00001之間。

這種直接通過金屬導體使物體接地的釋放靜電的方式,釋放時間極短,人體對地金屬體瞬間(約幾十ns)放電能量轉移高達80%～100%,靜電能量瞬間集中釋放,極易引發靜電火花放電,其引燃引爆能力極強,足以點燃易然、易爆物品。

2.5 防爆靜電釋放裝置的設計

防爆靜電釋放裝置的設計是通過間接接地的方式,通過非金屬導電材料或防靜電材料以及防靜電制品使物體接地,間接釋放靜電。按照人體靜電消除安全指標的要求和人體靜電電容電壓釋放計算公式,將靜電在1s內把5000V的靜電電壓降到100V以下,將U=100V,U0=5000V,t=1s和C=200pF帶入式(2),求得R=1.28×109Ω,選用靜電亞導體防爆觸摸球,其電阻值在106Ω～109Ω之間,符合人體靜電消除安全和防爆要求。

2.6 測試、顯示電路設計

采用接觸式測量,直接測試人體靜電,用放大電路放大,AD轉換經過MCU數據處理送顯示器顯示,特點是檢測精度較高,實現較容易,但靜電衰減快。

當有人靠近防爆數顯靜電釋放裝置時,上電電路自動接通測試儀表的電源,當手接觸到觸摸壓動盤時,人體靜電的電壓值將顯示出來,測試儀表連續顯示人體靜電值。用手繼續向下壓動,手掌接觸到靜電釋放球,靜電釋放裝置開始聲光報警,開始釋放靜電,人體靜電釋放完畢后,靜電釋放裝置停止聲光報警,測試儀表顯示人體殘余靜電電壓。

測試、顯示電路原理如圖3所示。

圖3 近距空中支援

2.7 聲光報警電路設計

2.7.1 組成

聲光報警電路由靜電釋放、接地電阻不良和低電壓報警電路組成。

2.7.2 功能

靜電釋放報警電路的功能是當靜電釋放開始時指示燈紅燈閃爍,蜂鳴器報警,說明人體與觸摸球接觸可靠,靜電正在釋放,請勿離開,當綠燈閃爍,蜂鳴器不報警,人體靜電釋放完畢,可以進入危險場所作業。

接地電阻不良報警電路功能是兩根接地線不能滿足規定阻值的回路時,黃燈閃爍,蜂鳴器報警,說明接地電阻值>55Ω,請及時檢查接地線。

低電壓報警電路功能是當鋰電池電壓低于V時,蜂鳴器報警,說明需要及時更換同型號的電池。

聲光報警電路原理如圖4所示。

圖4 聲光報警電路原理框圖

2.8 自動上電、斷電電路設計

2.8.1 組成

自動上、斷電電路由喚醒電路和紅外感應電路組成。

2.8.2 功能

喚醒電路功能是當手掌可靠接觸觸摸球時,靜電釋放裝置主要電路開始上電工作,當手掌離開觸摸球1min后,靜電釋放裝置主要電路斷電停止工作,處于休眠狀態。

紅外感應電路功能是當人體距離靜電釋放裝置10mm時,測試儀表上電工作,當人體離開后自動斷電停止工作。

3 結語

該裝置能有效提高危爆品在存儲、報廢處理、技術檢查、燃料化驗、加注等各個環節的安全防護水平。

[1] 陳廣文,常天海.靜電防護的有效方法—接地設計[J].現代電子技術,2005,195(4):111-113.

[2] 常天海,李鐵虎.基于LABVIEW的靜電電位動態測試系統[J].科學技術與工程,2010,10(26):6394-6397.

[3] 王帥,常天海,尹俊勛.危險品倉庫靜電隱患的測量、評估與防護鐵路危險品貨場靜電防護技術[J].安全,2005(6):30-33.

[4] 劉東,朱拓,彭衛紅,等.靜電和空間靜電的危害及消除方法[J].印制電路信息,2011(z1):49-55.

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[6] 趙世宜,陳金旺,王勝,等.彈藥運輸中的靜電危害與防護對策研究[J].裝備環境工程,2011,8(3):66-69.

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[8] 呂俊霞,胡雪梅.靜電的預防措施和方法[J].照明工程學報,2010,21(1):87-90.

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[10] GB12158-2006防止靜電事故通用導則[S].北京:國家標準.

Design of the Electrostatic Discharge Device for the Hazard Workplace Based on the Digital Explosion-proof

LI Zuqin DIAO Hongwei TIAN Shuxin WANG Pianpian

(No. 91829 Troops of PLA, Dalian 116041)

For the security risks of the electrostatic discharge, a design for the electrostatic discharge with the function of digital display and explosion-proof is proposed. By calculating the electrostatic discharge resistance, the release time for the human electrostatic discharge can be controlled. The static value can be detected and displayed by contacting directly and the release results can be prompted through sound and light alarm. The design can improve the security level of dangerous workplace effectively.

dangerous goods, electrostatic discharge, digital explosion

2014年6月6日,

2014年7月26日

李祖勤,男,工程師,研究方向:安全防護。刁宏偉,男,工程師,研究方向:安全防護。田樹新,男,工程師,研究方向:系統建模與仿真。王翩翩,女,助理工程師,研究方向:安全防護。

O441.4

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.054