火花點燃試驗輔助裝置設計

朱前偉

(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)

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火花點燃試驗輔助裝置設計

朱前偉1,2

(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)

摘要：針對火花點燃試驗裝置在火花點燃試驗過程中，對本質安全電源短路后輸出不恢復、恢復時間過長，以及針對具有軟啟動功能的電源試驗時達不到GB 3836.4—2010《爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》要求的問題，設計了一款火花點燃試驗輔助裝置，給出了裝置結構及軟、硬件設計方案。該裝置可靠性及動作精度高，解決了現有火花點燃試驗裝置的問題。

關鍵詞：火花點燃試驗裝置； 本質安全電源； 軟啟動

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1550.002.html

Design of assist device for spark test

ZHU Qianwei1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;

2.Tiandi(Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)

Abstract：There are some problems existed in spark test device during spark test such as no recovery of output or long recovery time of intrinsic safety power supply after short circuit, and inability to satisfy request of GB 3836.4-2010 Explosive atmospheres part 4: equipment protection by intrinsic safety “i” for power supply with soft starting function. An assist device for spark test was designed. The device structure and software and hardware design schemes were given. The device has high reliability and action precision, which solves questions of existing spark test device.

[WTHZ]Key words[WTBZ]:spark test device; intrinsic safety power supply; soft starting

0引言

火花點燃試驗是檢驗礦用本質安全型電氣設備安全性的一項重要試驗，主要檢驗電路和電氣設備的電火花是否會點燃煤礦井下瓦斯，以及通過合理選擇電氣參數，使設備在正常及故障狀態下產生的電火花非常小，不致于點燃周圍的爆炸性混合物。火花點燃試驗的關鍵問題是試驗方法和試驗裝置的選擇，所用方法和裝置既要保證試驗安全，又要利于設計及制造。GB 3836.4—2010《爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》中對火花點燃試驗以及本質安全電路用火花點燃試驗裝置進行了詳細描述[1]。本文通過分析現有火花點燃試驗裝置的局限性，給出一套火花點燃試驗輔助裝置的設計方案。

1火花點燃試驗原理

前蘇聯、英國、法國、德國、比利時、波蘭等都曾經研發了火花點燃試驗裝置。但各國的火花點燃試驗裝置得出的數據有時是矛盾的，導致人們對其可信性產生了懷疑，也為設備的進出口工作帶來了很大困難[2]。國際電工委員會向其成員國推薦了德國研發的火花點燃試驗裝置。目前，中國基本上都在使用該種火花點燃試驗裝置。

火花點燃試驗裝置結構如圖1所示。裝置的爆炸容器至少為250 cm3，其內布置2只電極，可在規定的爆炸性試驗混合物內產生閉合火花和開路火花。一只電極由帶2道槽的旋轉鎘電極組成，槽的寬度和深度均為2 mm；另一只電極由4根鎢絲組成，固定在極握上[3]。由電動機帶動的極握轉速為80 r/min，極握與鎘盤齒輪傳動比為50∶12。試驗過程中可使用4，2，1根鎢絲。通過計算可知，2次間隔最短的火花時間是鎢絲通過鎘盤溝槽所需的時間，約為9.6 ms；2次間隔最長的火花時間是1根鎢絲通過鎘盤邊緣所需的時間，約為630 ms。

圖1　火花點燃試驗裝置結構

2火花點燃試驗裝置的局限性

GB 3836.4—2010指出，采用火花點燃試驗裝置測試本質安全電路時，通常受限于以下條件：① 試驗電流不大于3 A；② 對于電阻性和電容性電路，工作電壓不大于300 V；③ 對于電感性電路，電感不大于1 H；④ 電路頻率不超過1.5 MHz。對于不符合上述條件的電路，火花點燃試驗裝置的靈敏度可能發生變化[4]。

筆者在進行火花點燃試驗時，出現了3種超過上述限制條件的情況：① 本質安全電源輸出在1次火花點燃試驗后無法恢復，除非重新給被試設備上電；② 本質安全電源輸出在1次火花點燃試驗后，恢復時間過長，超過了鎢絲通過鎘盤溝槽的最短時間，下一次火花點燃試驗無效，不符合GB 3836.4—2010要求；③ 對于帶有軟啟動功能的本質安全電源，如果在電源輸出未達到最大值時進行火花點燃試驗，則不能測試到最嚴酷的情況。針對上述3種情況，筆者設計了一套火花點燃試驗輔助裝置。

3火花點燃試驗輔助裝置設計

3.1裝置組成及工作原理

火花點燃試驗輔助裝置主要包括微處理器部分、信號檢測部分、輸出控制部分、按鍵部分、LED顯示部分、數據存儲部分等。

針對筆者進行火花點燃試驗時出現的3種情況，可采用該裝置解決。針對情況①，可通過按鍵設定本質安全電源輸出的時間間隔，輸出控制部分周期性地開通和關斷電源的輸入電路，以實現持續輸出；針對情況②，可將信號檢測部分與本質安全電源輸出相連，沒有電源輸出時，微處理器開始計時，保證在小于9.6 ms的時間間隔內通過輸出控制部分實現電源穩定輸出，為下一次火花點燃試驗做準備；針對情況③，首先通過示波器等設備測量帶軟啟動功能的本質安全電源的最大輸出穩定時間，然后接入火花點燃試驗輔助裝置，并通過按鍵設定裝置的輸出間隔時間大于其最大輸出穩定時間，保證輸出穩定后進行火花點燃試驗[5]。

3.2裝置硬件設計

微處理器采用C8051F340單片機，其處理性能優越，提供豐富的模擬模塊，工作溫度范圍為-40~105 ℃，且抗干擾能力強。

信號檢測部分主要檢測本質安全電源的輸出，接入本質安全電源的輸出回路，其輸出的檢測信號經光耦隔離處理后反饋至微處理器。微處理器收到反饋信號后，根據程序做出相應處理。

輸出控制部分采用光耦隔離芯片PC817與控制芯片ULN2003相結合的方式控制繼電器線圈。ULN2003具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適用于各類要求高速、大功率驅動的場合；其采用集電極開路輸出，輸出電流大，內部集成了1個可消除線圈反電動勢的二極管，非常適合驅動繼電器線圈。繼電器選用高可靠性小型繼電器RXM2LB2P7，其具有體積小、質量輕、開閉容量大、可靠性好、壽命長、回跳時間短等特點。繼電器線圈采用直流電壓進行驅動和控制，繼電器觸點選用雙刀雙擲結構，以實現多組觸點常開和常閉，增加輸出方式。

按鍵部分采用4位按鍵，可設定輸出控制信號的間隔時間，并通過按鍵組合，設定常用的間隔時間，如0.5，1，1.5，2 s等。

LED顯示部分采用共陽極4位、單紅色高性能LED 04041，其具有耐燃燒、耐破裂、耐高低溫、超強抗沖擊老化、壽命長、亮度高等優點。考慮到C8051F340具有32個可復用的輸入、輸出管腳，因此C8051F340可直接通過電阻限流來驅動LED，節省了成本和空間。LED顯示設定的輸出控制信號時間間隔，可顯示1~9 999 ms。

數據存儲部分采用2 kB串行電可擦除存儲芯片AT24C02，采用兩線串行總線與C8051F340通信。AT24C02存儲數據可在斷電的情況至少保存100 a，具有100萬次的擦寫周期，使用溫度范圍寬。

通過按鍵設定的時間間隔通過C8051F340的I2C總線存儲到AT24C02中，在裝置突然掉電或下次重新上電時，仍保持設置好的時間間隔，避免重復操作。

3.3裝置軟件設計

裝置軟件部分采用單片機C語言的模塊化設計方案，主要包括信號的采集和捕獲、按鍵處理、LED顯示、輸出控制、數據存儲等模塊[6]。

4結語

火花點燃試驗輔助裝置是火花點燃試驗裝置的補充，適用于不同保護方式、不同輸入/輸出電壓等級的本質安全電源的檢測，提高了試驗的公正性和準確性。該裝置具有結構簡單、可靠性高、設計合理、動作精度高等特點，在不影響原試驗電路的前提下，很好地解決了火花點燃試驗裝置的問題。

參考文獻：

[1]GB3836.4—2010 爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備[S].

[2]章良海，宋雅亭，劉小周.安全火花原理及應用[M].北京：煤炭工業出版社，1984.

[3]付淑玲.可控硅保護式本安電源自動恢復裝置[J].煤礦安全，2000，31(1):32-34.

[4]朱前偉.礦用本質安全電源的基本要求和設計方法[J].工礦自動化,2012,38(2):22-25.

[5]張巖.電路瞬態能量分析的計算機仿真方法[J].電氣防爆,2014(4):19-22.

Siplus CMS1200狀態監測系統

西門子研發的Siplus CMS1200狀態監測系統是S7-1200控制器的擴展模塊，是基于SM1281的狀態監測模塊。用戶可通過結合多達7塊SM1281模塊來創建一個高效的監測系統，且每個模塊可連接4個振動加速度傳感器和1個速度傳感器。該系統可用于連續監測如電動機、發電機、通風機和泵等設備的機械部件。在用Siplus CMS1200狀態監測系統進行預測性維護時，磨損所導致的重大變化可在早期被發現，從而使用戶能夠更好地規劃維護工作，并按計劃完成。

Siplus CMS1200狀態監測系統還具備多樣化的分析能力，包括基于參數的頻段選擇分析和趨勢分析，用于監測特定頻率范圍內的限值。通過指紋比對，可輕松定位損傷部位。基于參數的診斷可直接在SM1281模塊上進行，并可通過網頁瀏覽器訪問，以避免生產控制網絡的通信周期受大數據量的詳細頻率診斷所影響。

(朱建蕓)

朱前偉.火花點燃試驗輔助裝置設計[J].工礦自動化，2016,42(1)：4-6.

中圖分類號：TD61

文獻標志碼：A網絡出版時間：2015-12-31 15:50

文章編號：1671-251X(2016)01-0004-03DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.002