閾值自調(diào)節(jié)與抗干擾礦用開停傳感器研制

紀(jì)亞強，郝葉軍，王 璐，蔣 澤

（1.中煤科工集團(tuán)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）

開停傳感器主要用于監(jiān)測煤礦井下機電設(shè)備的開停狀態(tài)，是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)必備產(chǎn)品，也是風(fēng)電瓦斯閉鎖功能的重要組成部分，開停傳感器與被測設(shè)備沒有直接的電氣連接，其工作原理是利用檢測被測設(shè)備磁場大小的方式，間接地測定設(shè)備的工作狀態(tài)[1-2]。使用時將傳感器卡固在被測設(shè)備的供電電纜上，通過檢測電纜磁場值大小判定設(shè)備的開停狀態(tài)。目前，市場上大多數(shù)的開停傳感器都是基于感應(yīng)線圈的磁場檢測原理[3]，由于線圈探頭差異性大、工藝難以保證，不能定量的反映出磁場的大小和電流的關(guān)系，增大了現(xiàn)場調(diào)試難度。此外，在井下干擾大，易導(dǎo)致傳感器偶爾出現(xiàn)誤判等問題[4-5]。在其它行業(yè)中，磁場檢測主要有感應(yīng)線圈、霍爾效應(yīng)、磁電阻效應(yīng)等方式[6-8]。

近些年新材料、新技術(shù)出現(xiàn)突破性的進(jìn)展，磁電阻傳感器以其獨特的優(yōu)點廣泛的應(yīng)用于磁場測量、數(shù)據(jù)存儲、汽車電子和工業(yè)控制、智慧城市等各個領(lǐng)域[9-12]。磁電阻效應(yīng)是導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場作用下電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，具有溫度穩(wěn)定性，低功耗，線性度高等優(yōu)點[13]?；诖烹娮杓夹g(shù)的諸多優(yōu)點，通過理論研究和實驗驗證，將其檢測技術(shù)應(yīng)用于井下開停設(shè)備的檢測，可實現(xiàn)傳感器自調(diào)節(jié)開/停閾值，減少開停傳感器安裝調(diào)試工作量。

針對開停傳感器井下易受外界干擾而導(dǎo)致狀態(tài)誤判的問題，研究磁場屏蔽技術(shù)，分析不同金屬材料的磁場屏蔽性能，用于屏蔽外界設(shè)備或電纜的干擾，提高開停傳感器的抗干擾性能，通過實驗驗證選用06Cr13 不銹鋼作為屏蔽材料性價比最高。

1 電纜模型和電纜電流磁場強度

在工程應(yīng)用中，35 kV 電壓等級以下的三相電力系統(tǒng)電纜輸配電工程則多采用三芯電纜，電纜內(nèi)三相芯線有對稱與不對稱之分，而在電纜外皮上總可找到一個不對稱點，電纜的磁場值以靠近該點的芯線起主導(dǎo)作用，通過檢測該主導(dǎo)相芯線的磁感應(yīng)信號，間接的檢測出電纜中的電流大小，最終用來判定被測設(shè)備的開停狀態(tài)。

1.1 電纜模型

三芯電力電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，其中電纜中心為O，A、B、C 分別是電纜各芯線的位置，傳感器芯片SA安裝在電纜的任意位置，SA到電纜中心的半徑為R。電纜中心到A、B、C 芯線的距離分別為r1、r2、r3?？稍O(shè)y 軸與OA 重合，則A 點坐標(biāo)為（0，r1）。OB、OC與x 軸正方向的夾角分別為α、β，故B 點的坐標(biāo)為（r2cosα，r2sinα），C 點的坐標(biāo)為（r3cosβ，-r3sinβ），SA與x 軸的夾角為γ。A、B、C 三相電流分別為IA、IB、IC。

圖1 三芯電力電纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of three-core power cable

根據(jù)余弦定理，傳感器SA到A、B、C 芯線的距離SAA、SAB、SAC分別為：

根據(jù)安培環(huán)路定理，A 相電流IA在SA處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度BSAA為：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，4π×10-3（Gs·m）/A。

定義磁傳感器沿圓周方向為n，沿徑向方向為r，BSAA沿n 方向和r 方向的分量BSAAn、BSAAr分別為：

同理，B、C 相電流IB、IC在SA處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度BSAB、BSAC分別為：

同理，BSAB、BSAC沿n 方向和r 方向的分量BSABn、BSACn、BSABr、BSACr分別為：

可得到SA處的磁感應(yīng)強度沿n 方向和沿r 方向的分量BSAn和BSAr為：

對于對稱式三芯電力電纜，則r1=r2=r3=r，α=150°，β＝30°，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線使得電纜1 根芯線磁場起主導(dǎo)作用，即傳感器在S′A處，則γ＝90°，代入式（11）和式（12），可得S′A處磁感應(yīng)強度沿n 方向和r 方向的分量分別BS′An、BS′Ar為：

1.2 電纜電流磁場強度

井下的設(shè)備大多采用三芯鎧裝電纜，選擇電纜型號為MYPT-8.7/103×150+3×50+3×2.5，電纜的各參數(shù)為：外徑尺寸91.0～101.5 mm，單相導(dǎo)線的半徑為7 mm，r=25 mm，R=60 mm，將參數(shù)代入式（13）和式（14），通過仿真可知在S′A處電纜周圍磁場值的矢量和在1.5～15.3 Gs 之間變化，磁場有效值為9.8 Gs。改變輸入的電流值，可知磁場值與電流值有一定的線性關(guān)系，電流在0～100 A 變化時，磁場的有效值范圍在0～9.8 Gs 之間，可用于指導(dǎo)傳感器開/停閾值的調(diào)節(jié)。

2 抗干擾性能研究

在工業(yè)生產(chǎn)中，低頻磁場屏蔽干擾易導(dǎo)致電子設(shè)備工作異常，特別是大電流的低頻干擾[14]。在煤礦井下，開停傳感器易受周圍電纜或大型設(shè)備干擾導(dǎo)致開停狀態(tài)誤判，因此屏蔽外界磁場的干擾，保證開停傳感器正常工作尤為重要。

查閱相關(guān)資料，對于屏蔽頻率較低的干擾源，主要考慮對磁場的屏蔽，一般選用高導(dǎo)磁率的材料可有效的對低頻干擾進(jìn)行屏蔽[15-16]。開停傳感器外殼結(jié)構(gòu)選擇1J85 坡莫合金、06Cr13 不銹鋼（410S 不銹鋼）和06Cr19Ni10 不銹鋼（304 不銹鋼）材料，擬通過仿真分析選擇合適的屏蔽材料。

仿真實驗條件：選擇干擾電纜的型號與上述相同，開停傳感器距離干擾電纜距離為10 cm。仿真步驟如下：首先，在Ansoft Maxwell 電磁仿真軟件中建立幾何模型，其次對材料屬性的定義，分別定義選用幾種屏蔽材料相對磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等參數(shù)，其次對激勵源與邊界條件定義，給干擾電纜施加幅值為100 A 三相正弦電流激勵信號，在設(shè)備空間中施加空間邊界條件，然后對求解選項參數(shù)設(shè)定及模型自檢，最后在后處理中分析仿真的結(jié)果。得出的不同金屬外殼材料抗干擾仿真結(jié)果（仿真圖略）為：

1）當(dāng)傳感器金屬外殼材料為1J85 坡莫合金時，磁電阻芯片處的磁場值約為0.01 Gs。

2）當(dāng)傳感器金屬外殼材料為06Cr13 不銹鋼時，磁電阻芯片處的磁場值約為0.1 Gs

3）當(dāng)傳感器金屬外殼材料為06Cr19Ni10 不銹鋼時，磁電阻芯片處的磁場值約為1.2 Gs。

通過對比仿真分析可知，06Cr13 不銹鋼屏蔽性能稍差于1J85 坡莫合金，明顯強于06Cr19Ni10 不銹鋼，但1J85 坡莫合金價格昂貴。

3 開停傳感器設(shè)計

3.1 傳感器硬件

開停傳感器硬件框圖如圖2。

圖2 開停傳感器的硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of start-stop sensor

開停傳感器包括：電源部分、磁電阻模塊、外部存儲、RS485 模塊，遙控模塊、復(fù)位電路和數(shù)碼管顯示等。開停傳感器采用DC（9～24）V 電壓供電，通過電源模塊轉(zhuǎn)化供各模塊工作電壓，磁電阻模塊采用3.3 V 供電，工作時將檢測的磁場信號通過IIC 與MCU 通訊，通過相應(yīng)的軟件算法處理后輸出檢測的磁場值。開停傳感器與分站或上位機采用RS485 通訊，可將傳感器檢測到電纜磁場值和設(shè)備開停狀態(tài)上傳至上位機軟件，傳感器支持本地和上位機調(diào)節(jié)開/停閾值。

3.2 開停傳感器軟件

傳感器軟件流程如圖3。首先讀取外部存儲默認(rèn)數(shù)據(jù)，然后磁電阻芯片定時采集磁場值，為了避免外界干擾磁場導(dǎo)致的傳感器誤判，通過交流采樣，并經(jīng)過數(shù)字濾波后輸出磁場有效值，再與開/停閾值比較，通過判斷輸出傳感器的開停狀態(tài)。

圖3 傳感器軟件流程圖Fig.3 Flow chart of sensor software

傳感器開/停閾值自動調(diào)節(jié)流程如圖4。傳感器可通過本地或上位機自動調(diào)節(jié)開/停閾值，安裝時讓傳感器繞被測電纜旋轉(zhuǎn)一周，傳感器可根據(jù)檢測電纜磁場最大值或最小值自動調(diào)節(jié)傳感器開/停閾值。也可通過上位機標(biāo)記歷史數(shù)據(jù)區(qū)間，傳感器根據(jù)標(biāo)記區(qū)間磁場值自動調(diào)節(jié)開/停閾值，降低傳感器現(xiàn)場維護(hù)工作，提高傳感器的智能化程度。

圖4 開/停閾值自動調(diào)節(jié)流程圖Fig.4 Flow chart of automatic adjustment of start / stop threshold

4 實驗驗證

4.1 三芯鎧裝電纜電流與磁場值實驗測試

將設(shè)計的開停傳感器進(jìn)行測試驗證，實驗器材參數(shù)為：①三相電流發(fā)生器：三相電流輸出0～200A；②MYPT-8.7/103×150+3×50+3×2.5 三芯鎧裝電纜；③高斯計：0～1 000 Gs。磁電阻芯片的安裝位置參考圖1 S′A處，高斯計的探針放在芯片安裝位置的S′A處，與磁電阻芯片的測量值做對比，改變電纜中電流值大小，測試三芯鎧裝電纜中電流值與磁場值的關(guān)系，三芯鎧裝電纜中不同電流的磁場測量值與理論對比圖如圖5。

圖5 三芯鎧裝電纜中不同電流的磁場測量值與理論對比圖Fig.5 Comparison of magnetic field measurement and theory of different current in three-core armored cable

如圖5，通過試驗測試可以得出磁場的有效值與電流大小有一定的線性關(guān)系，和磁強計測試的磁場值相同。但測試值與理論值有一定的差值，是因為電纜帶有鎧裝層，會對磁場進(jìn)行屏蔽，但磁場值和電流值存在一定的線性關(guān)系，可通過相應(yīng)算法進(jìn)行修正。

通過上述的仿真分析和實驗結(jié)果，在電纜同一位置磁場值和電流值有一定的線性關(guān)系，但是在實際使用中傳感器芯片的安裝位置和電纜的位置難以確定，通過理論分析和測量驗證，讓傳感器繞電纜按照相同的速度轉(zhuǎn)1 圈，測量不同位置電流值與磁場變化的關(guān)系，不同電流與電纜周圍磁場值關(guān)系如圖6。

圖6 不同電流與電纜周圍磁場值關(guān)系Fig.6 Relationship between different current and magnetic field around cable

由圖6 可知在不同電流下，電纜不同位置磁場值在一定范圍內(nèi)變化，傳感器可通過檢測的不同位置磁場值變化范圍得到電纜電流值，即可根據(jù)磁場值的最大值和最小值反算出電纜中電流值，以此自動調(diào)節(jié)傳感器開/停閾值。

4.2 屏蔽材料實驗測試

參照上述仿真條件，設(shè)計實驗驗證材料的屏蔽性能，干擾電纜距離開停傳感器10 cm，改變干擾電纜的電流大小，并更換開停傳感器金屬外殼材料，對此測試06Cr13 不銹鋼和06Cr19Ni10 不銹鋼的屏蔽性能，不同屏蔽材料對比測試數(shù)據(jù)如圖7。

圖7 不同屏蔽材料對比測試數(shù)據(jù)Fig.7 Data of different shielding materials

由圖7 可知，開停傳感器外殼材質(zhì)選用06Cr13不銹鋼比06Cr19Ni10 不銹鋼屏蔽磁場性能好，干擾電纜的電流為100 A，06Cr13 不銹鋼可屏蔽約1 Gs的干擾磁場。綜合考慮開停傳感器外殼結(jié)構(gòu)材料的強度、耐腐蝕性和成本等因素，選擇06Cr13 不銹鋼作為屏蔽材料可有效提高傳感器的抗干擾性能。

4.3 現(xiàn)場試驗

將設(shè)計的開停傳感器安裝于煤礦井下局部通風(fēng)機和局部備用通風(fēng)機供電的鎧裝電纜上，其中開停傳感器1 安裝于局部通風(fēng)機的鎧裝電纜上，開停傳感器2 安裝于局部備用通風(fēng)機的鎧裝電纜上，開停傳感器現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如圖8。

圖8 開停傳感器現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Fig.8 Field test data graph of start-stop sensor

局部通風(fēng)機開時傳感器1 磁場值在2～4 Gs 波動，傳感器2 磁場值為0。局部通風(fēng)機、局部備用通風(fēng)機切換時，測試樣機1 磁場值在1～2 Gs，測試樣機2 磁場值約0，傳感器可連續(xù)的檢測電纜磁場值和設(shè)備狀態(tài)開停，局部通風(fēng)機和局部備用通風(fēng)機切換時傳感器未產(chǎn)生誤判。

5 結(jié) 語

將磁電阻效應(yīng)檢測技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下設(shè)備開停檢測，設(shè)計實驗驗證電纜不同位置電流值與磁場變化的關(guān)系，用于指導(dǎo)傳感器自調(diào)節(jié)開/停閾值。研究磁場屏蔽技術(shù)，通過實驗驗證06Cr13 不銹鋼可有效的屏蔽外界干擾磁場。通過現(xiàn)場試驗驗證了所設(shè)計開停傳感器的穩(wěn)定性，解決現(xiàn)有市面上開停傳感器閾值難以調(diào)節(jié)和易受外界設(shè)備干擾等問題，提高了傳感器的穩(wěn)定性和降低了現(xiàn)場維護(hù)成本。此外，傳感器還可以通過上位機標(biāo)記自調(diào)節(jié)開/停閾值，提高了傳感器的智能化程度。