諸葛云 王曉榮 程明霄 蔡 亮 周 凱

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

0 引言

在石油、煤礦開采過程中，存在大量H2S有毒氣體。H2S的爆炸下限為4%，最高允許濃度為10 mg/m3[1]。在易爆有毒性的氣體環(huán)境下，需要一種能實時檢測氣體濃度的報警設(shè)備。該設(shè)備需要具有本安特性。儀表常用的防爆形式是本安型、隔爆型、增安型。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，低功耗器件不斷升級，本安技術(shù)也得到了進一步推廣和應(yīng)用。該技術(shù)在限制能量的同時，也限制產(chǎn)生火花及能量。本安設(shè)備因其具有獨特優(yōu)點而在監(jiān)測和控制等弱電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國外最新本安儀器為美國英思科GASBADGEPLUS，其產(chǎn)品特點為:待機時間長、可同時檢測4種有毒氣體、儀器可持續(xù)記錄15次警報事件、安全系數(shù)得到多家煤礦機構(gòu)的認可，但其價格昂貴、售后服務(wù)差。目前，國內(nèi)最前沿的檢測儀有濟南本安科技。為延長工作時間，該產(chǎn)品采用充電鋰電池。

結(jié)合煤礦安全作業(yè)的需要，采用防爆型錳酸鋰電池[2]，并設(shè)計了穩(wěn)壓限流電路。該本安型[3]檢測儀具有安全度高、體積小、低功耗等特點。

1 硫化氫檢測儀硬件結(jié)構(gòu)

硫化氫檢測儀[4]采用瑞薩公司最新推出的RL78/G13低功耗單片機作為核心處理芯片，通過低功耗單片機實現(xiàn)氣體濃度的實時顯示、多級報警、氣體檢測等功能。由于傳感器輸出的電流信號極其微弱，很容易被噪聲干擾，因此在信號調(diào)理電路中選擇了一款低功耗、雙運算放大器LM358。該芯片能將電流信號轉(zhuǎn)換為0.4～2.0 V的電壓信號。該電壓信號較低，不會在電火花點燃周圍產(chǎn)生爆炸氣體。在信號進入單片機的A/D接口之前，為了提高信號安全性、穩(wěn)定性，加入了電壓跟隨電路及濾波電路。將檢測儀置于安全環(huán)境，通過與上位機串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。當(dāng)硫化氫濃度值大于預(yù)設(shè)報警值時，報警模塊工作;當(dāng)硫化氫濃度值正常，則進行濃度顯示、數(shù)據(jù)保存等操作。硫化氫報警儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the detector

1.1 主要器件的選擇

1.1.1 單片機 RL78/G13

檢測儀的核心是單片機，其性能對整個系統(tǒng)設(shè)計有重要影響，所以選擇一個高速、低功耗和多功能集成化的單片機非常必要。目前，國內(nèi)主流MSP430[5]為低功耗控制芯片，通過比較，無論是在工作模式，還是在待機模式下，RL78/G13的功耗均較MSP430低。RL78/G13芯片還具有高效16位精簡指令結(jié)構(gòu)，內(nèi)含“合并MCU”內(nèi)核。該系列產(chǎn)品采用130 nm制程節(jié)點，更具節(jié)能效益，以32 MHz運行時，可提供4.1×108條指令/s。它在節(jié)約電池供電量的同時也滿足本安要求。

1.1.2 RAE-H2S 電化學(xué)傳感器

由美國華瑞公司生產(chǎn)的RAE-H2S系列電化學(xué)傳感器具有功耗低、體積小、線性范圍寬、靈敏度高、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。同時，它還得到UL本質(zhì)安全認證，是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)、礦下等領(lǐng)域的電化學(xué)式傳感器。

電化學(xué)傳感器的電位極化原理具體如下[6]:利用氣相擴散阻力原理，獲得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件，使H2S在電極上發(fā)生定電勢極化，產(chǎn)生正比于氣體濃度的極限擴展電流，從而測量出H2S的濃度。敏感電極上可能發(fā)生如下3種電極反應(yīng)[7]:

為了防止因電極反應(yīng)生成單質(zhì)硫而毒化工作電極，加入輔助電極使得產(chǎn)物為SO24－:

1.2 本質(zhì)安全電路設(shè)計

本質(zhì)安全設(shè)備的核心就是本質(zhì)安全電路。該電路要求從自身性能上滿足本質(zhì)安全，達到防爆的要求。檢測儀通過限制電路能量，使電路實現(xiàn)本質(zhì)安全性能。在GB 3836.4-2010《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備4部分:本質(zhì)安全型“i”》中，本質(zhì)安全電路定義為:正常工作和規(guī)定的故障條件下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。

電源設(shè)計方案采用穩(wěn)壓限流相結(jié)合的方法，電源升壓模塊由低功耗、輸出具有短路及過流保護的升壓芯片TPS61200、電容、電感組成。國標規(guī)定當(dāng)電源電壓達到3.6 V時，最小點燃電壓為3 A，而TPS61200芯片流過的電流大約為100 mA，其安全系數(shù)為20，符合國標中規(guī)定的正常工作系數(shù)大于1.5的要求。設(shè)計的檢測儀電源電路如圖2所示。

圖2 檢測儀電源電路圖Fig.2 The circuit of power circuit in detector

為了進一步提高本安電路的安全系數(shù)、降低功耗，防止過流工作，限流并控制電流的設(shè)計也是必不可少的，為此，本文設(shè)計了一個檢測儀限流電路[8]，其示意如圖3所示。

圖3 檢測儀限流電路Fig.3 The current limiting circuit of detector

圖3中，R4是一個滑動電阻，用來調(diào)節(jié)電壓的大小，使得負載可在3.6 V的恒壓下工作，同時也能夠輸出恒定的電流。

根據(jù)計算式:U1=U4=R4Iload，通過調(diào)節(jié)R4，就使得負載在恒定的電壓電流下工作。

2 檢測儀火花放電計算

檢測儀的硬件電路部分共分為7個模塊，每個模塊與電源相連的地方都設(shè)置有一個本安電阻，其阻值的大小是根據(jù)器件的工作電流和整個電路允許電流的范圍來確定的。

通過下文本安電流及總能量計算來確定本安電阻是否合理;同時電路中的電感、電容的分析都必須通過國標的標準來驗證。

2.1 火花電流計算

為了能夠證實檢測儀滿足本安的環(huán)境，可參考GB 3836.4-2010中的電壓與設(shè)備級別相對應(yīng)的允許短路電流表，其數(shù)值如表1所示。其中，IIC級×1.5是氣體是容易被點燃最高等級，其對應(yīng)的安全電流都小于其他等級的電流。

表1 電壓對應(yīng)允許短路電流Tab.1 The allowable short-circuit current corresponding to voltage

當(dāng)電路中的器件都出現(xiàn)了短路故障時，通過最壞情況計算，檢測儀的最大短路電流為476.02 mA。在此電路中，短路電流應(yīng)參考IIC類設(shè)備安全系數(shù)×1.5的標準，計算得到其最大短路電流為714.03 mA。由表1可知，短路電流在安質(zhì)安全范圍之內(nèi)。

2.2 總熱能的計算

總熱能計算如表2所示，輸入電壓為3.6 V，電阻誤差精度小于1%，且7個模塊的總功耗之和小于1.1 W(溫度為80℃)。

根據(jù)GB 3836.4-2010可知:當(dāng)所有的器件不超過20 mm2時，需滿足最高升溫小于275℃即可。根據(jù)查閱對應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊可知，所有的元器件工作時溫升都不會超過275℃。

表2 總熱能的計算Tab.2 The calculation of total energy

2.3 電感分析

電感的允許最大能量如表3所示，根據(jù)GB 3836.4-2010中電感、電流及能量的關(guān)系來確定電路是否本質(zhì)安全。

在本安型檢測儀中，感性器件分別為蜂鳴器和振動電機。國標中規(guī)定電感最大不超過1 H，其最大能量都可以通過公式Q=0.5I2L計算得到，可以參考國標曲線來驗證本設(shè)計的可行性。IIC類電路允許的最大感性能量為40 μJ。

表3 電感的允許最大能量Tab.3 The maximum allowable energy of inductor

電感的最大允許電流如表4所示。

表4 電感的最大允許電流Tab.4 The maximum allowable current of inductor mA

2.4 電容分析

對于電路中的電容元件，國標根據(jù)電壓與電容關(guān)系來確定。電壓對應(yīng)的允許電容如表5所示。已知電壓為3.6 V，安全系數(shù)應(yīng)選取IIC類×1.5的標準，則參考電壓為5.4 V，通過計算可驗證本設(shè)計的可行性。IIC類電路允許的最大電容為100 μF，將電路中的電容值算數(shù)相加，得到總電容值為63.2 μF，標準詳見GB 3836.4-2010中附錄A-3本安電容電路的評定。

表5 電壓對應(yīng)的允許電容Tab.5 The allowable capacitance corresponding to voltage

3 結(jié)束語

本文采用TPS61200及限流檢流電路相結(jié)合對H2S檢測儀進行了本質(zhì)安全設(shè)計。該設(shè)計提高了電路的穩(wěn)定性，滿足本安電源的設(shè)計要求。同時對硬件電路進行了火花[10]及熱能的計算，設(shè)計結(jié)果完全符合GB 3836.4-2010的要求。該硫化氫檢測儀具有高安全性、低功耗、低電壓等特點。目前，檢測儀正在申請礦用產(chǎn)品安全標志，一旦取得安全標志，即投入煤礦生產(chǎn)中。

[1] 王森.在線分析儀器手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:247－256.

[2] 王小琿，王晶禹，王麗，等.本質(zhì)安全型紅外甲烷報警儀設(shè)計[J].中北大學(xué)，2011(6):758 －762.

[3] 劉建華，王崇林，姜建國.電流電阻本質(zhì)安全電路低能電弧放電分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)，2003(4):440－442.

[4] 朱亮，嚴龍，鄒兵，等.便攜式硫化氫檢測儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(3):31－33.

[5] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004:115－238.

[6] 毓升，解永平，文濤.三電極電化學(xué)傳感器的恒電位儀設(shè)計[J].大連理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009(9):36－39.

[7] 王又容，嚴河清，王鄂鳳.硫化氫電化學(xué)傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].武漢大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2000(6):701－705.

[8] 岡村廸夫(日).OP放大電路設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社.2004:180－203.

[9] 趙宇航.智能氣體檢測儀研究和設(shè)計[D].上海:上海交通大學(xué)，2011:49－55.

[10] 劉建華.爆炸性氣體環(huán)境下本質(zhì)安全電路放電理論及非爆炸評價方法的研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué)，2008:25－34.