大功率電法勘探發(fā)射機輸出電纜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分析

劉曉瓊, 彭家林,2, 李 廣, 石福升, 常雪良, 楊曉柏, 丁 雪

(1.江西省防震減災(zāi)與工程地質(zhì)災(zāi)害探測工程研究中心(東華理工大學(xué)),江西 南昌 330013； 2.中國廣核集團有限公司,廣東 深圳 518000)

1 緒論

大功率電法勘探廣泛用于礦產(chǎn)資源勘探以及工程勘查等領(lǐng)域，其輸出功率高達數(shù)百千瓦[1-2]。由于輸出電纜長達數(shù)千米，鋪設(shè)工作量較大，為提高效率，電纜鋪設(shè)以后直到施工結(jié)束時才回收[3]。輸出電纜通常為截面積較大的銅芯電纜，價值較高，電纜被盜事件時有發(fā)生。長時間置于野外的電纜容易受到車輛碾壓或動物啃咬而破損。當(dāng)輸出電纜遭到破損時，不僅會造成經(jīng)濟損失和工期延誤，更重要的是，電纜斷裂處裸露在地表，會造成極大的安全隱患，危及斷口處人畜的生命安全[4-6]。為防止此類事件的發(fā)生，通常的做法是指派專人進行不間斷巡視，長時間的巡視不僅工作量大，且人類肉眼巡查有時并不容易發(fā)現(xiàn)電纜的斷裂或者破損之處[7]。此外，現(xiàn)有的電法勘探發(fā)射機通常不具備接地電阻測量的功能。測量接地電阻時，通常需要將輸出電纜斷開，然后利用蓄電池、萬用表等設(shè)備進行間接測量，操作繁瑣且精度不高。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于ARM高性能處理器、可安裝于電法勘探發(fā)射機并能監(jiān)測其輸出回路狀態(tài)的系統(tǒng)。用于在發(fā)射機停止工作時(如開機施工前及晚上停機休息時)監(jiān)測接地電阻或者發(fā)射機輸出電纜的連接狀態(tài)，實現(xiàn)在回路遭到破壞時即時發(fā)出聲光報警，并通過無線通信手段通知工作人員，防止因電纜損壞造成次日施工時發(fā)生安全事故。

2 方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。根據(jù)監(jiān)測功能的需要，系統(tǒng)的主要模塊包括：STM32主控制器模塊、電纜狀態(tài)信息采集模塊、DHT11溫濕度模塊、聲光報警模塊、DS1302實時時鐘模塊、AT24C02存儲模塊、GSM無線通信模塊、LCD顯示模塊。其中電纜狀態(tài)信息采集模塊用于獲取輸出電纜的連接狀態(tài)以及測量接地電阻[8]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊的功能是監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，當(dāng)溫度太高或濕度過大時，及時通知工作人員當(dāng)前溫濕度不適合大功率電法勘探作業(yè)[9]。DS1302實時時鐘模塊能夠準(zhǔn)確記錄故障或事件發(fā)生的時間。GSM無線通信模塊型號為SIM800C，用于輸出電纜遭到破壞等緊急事件發(fā)生時實時呼叫勘探人員并將當(dāng)前發(fā)生的緊急事件的具體信息發(fā)送至勘探人員的手機。AT24C02存儲模塊用于記錄系統(tǒng)發(fā)生的故障或者輸出電纜遭破壞等緊急事件發(fā)生的時間，便于后續(xù)勘探人員或者維修人員查看。系統(tǒng)選用的顯示模塊為3.5寸的TFT型LCD屏幕，該模塊通過FSMC總線與STM32主控制器芯片相連，以提高顯示屏的刷新速率。

2.2 輸出電纜狀態(tài)監(jiān)測方法及電路模型

電纜狀態(tài)信息采集模塊為本系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，其功能有二：一是采集代表輸出回路狀態(tài)的電壓量以實現(xiàn)對當(dāng)前輸出回路狀態(tài)的判斷；二是通過采集到的電壓信息計算當(dāng)前輸出回路的接地電阻阻值。圖2為本監(jiān)測系統(tǒng)的電纜狀態(tài)信息采集模塊的等效電路原理圖。

圖2 輸出電纜狀態(tài)監(jiān)測等效電路原理圖

其中Ra、Rb為已知阻值的高精度電阻，Rx為極間接地電阻。接地電阻測量原理為：將VCC分別通過Ra、Rb流經(jīng)電纜接入大地后，再分別通過電阻Ra和Rb獲取代表輸出回路狀態(tài)的電壓信號Va、Vb，隨后將采集到的模擬電壓信號Va、Vb輸入主控制器模塊STM32芯片的內(nèi)部ADC。通過分析Va、Vb的值，便能求得極間接地電阻Rx和判斷發(fā)送電纜A、B的狀態(tài)。當(dāng)忽略輸出電纜自身電阻時，極間接地電阻Rx的求取公式為：

IRx=(VCC-Va)/Ra

(1)

進而：

Rx=Va/IRx(VCC-Va)

(1)

發(fā)送電纜A、B的狀態(tài)判斷見表1。

表1 發(fā)射機輸出電纜狀態(tài)判斷方法

上表中Va測得值的求取公式為：

IRx=IRa=VCC/(Ra+Rx)

(3)

進而：

Va=IRx×Rx=Rx×VCC/(Ra+Rx)

(4)

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)開機后，若首先檢測GSM模塊連接狀態(tài)，連接正常則顯示“Connected”，連接異常則顯示“Unconnected”。GSM模塊連接正常后，即可用于電纜狀態(tài)監(jiān)測功能的測試。

當(dāng)保持輸出電纜B正常連接，斷開輸出電纜A時，系統(tǒng)立即觸發(fā)聲光報警，同時將該情況通過短信通知工作人員并在液晶顯示器上顯示。事件發(fā)生后，按下查詢按鍵便可以讀取存儲器內(nèi)記錄下的緊急事件內(nèi)容及發(fā)生時間。如圖3所示為按下查詢按鍵后的查詢結(jié)果。從圖3中可以看出2020年6月28日23時02分47秒發(fā)生了輸出電纜A斷開的事件。此外，系統(tǒng)屏幕上實時顯示了當(dāng)前時間、接電阻、溫度、濕度以及GSM連接狀態(tài)等信息。隨后，我們對B電纜斷開、A和B兩電纜同時斷開等情況分別進行了測試。測試結(jié)果與表1所述情況一致。

圖3 事件查詢結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對大功率電法勘探在生產(chǎn)實踐過程中所遇到的問題提出了一種輸出電纜狀態(tài)監(jiān)測方法，并設(shè)計出一款實用的發(fā)射機輸出回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠可靠地排查出電法勘探發(fā)射機輸出電纜斷裂時存在的安全隱患，減輕了發(fā)射機值守人員的工作負擔(dān)，并具有自動測量接地電阻的功能。系統(tǒng)還具有體積小、功耗低、即時報警、安裝方便等優(yōu)點。

當(dāng)輸出電纜破損但沒有斷開時，也存在極大的安全隱患，本文所述監(jiān)測系統(tǒng)沒有考慮這種情況。此外，在極少數(shù)偏遠地區(qū)，如戈壁灘、沙漠、深山老林等沒有GSM信號或者GSM信號弱的區(qū)域，本文所述系統(tǒng)的使用將受到一定的限制，因此，后續(xù)改進的升級版將致力于解決上述問題。