礦用雜散電流檢測裝置製造方法
2023-05-09 16:23:51
礦用雜散電流檢測裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種礦用雜散電流檢測裝置，特別用於井下電纜和各種管路的雜散電流的檢測。檢測裝置主要包括五個部分，即信號檢測單元、信號處理單元、聚磁單元、磁屏蔽單元和防爆外殼；信號檢測單元通過磁阻傳感器採集雜散電流信號，信號處理單元對檢測到的信號進行數字濾波、電流解算和誤差補償校準，再實時顯示於液晶顯示屏；聚磁單元實現增強被測磁場強度的目的；磁屏蔽單元屏蔽現場與檢測信號不相關的磁場信息；防爆外殼將檢測裝置主電路板與外界隔離，既避免內部火花對井下環境造成的危險，又屏蔽主電路板對磁阻傳感器產生的電磁幹擾；本發明適用於井下各種雜散電流的檢測，具有安全、可靠、精度高、便於組網等優點，可為井下雜散電流防治措施的制定提供判斷依據。
【專利說明】礦用雜散電流檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種礦用雜散電流檢測裝置，尤其是一種能夠實現井下mA級雜散電流檢測的裝置。
技術背景
[0002]近年來，在各類礦井瓦斯爆燃和瓦斯爆炸事故中，雜散電流所引起的安全事故佔有很大的比重。據統計，在我國煤礦機電事故中，雜散電流弓I發的火災和瓦斯爆炸事故約佔總數的259Γ35%，因此由雜散電流引起的各類安全事故已成為影響井下安全生產的重要隱患。井下雜散電流不僅能導致電雷管發生早爆現象，還能引起瓦斯爆燃和爆炸事故。除此之外，它還腐蝕電纜外皮及風、水、瓦斯管路，甚至導致井下漏檢裝置發生誤動作，影響井下供電系統和通訊系統的正常工作。可見，研製礦用mA級雜散電流檢測儀器，為雜散電流治理提供數據支撐，這對保障礦井安全生產具有非常重要的現實意義和社會意義。
[0003]國外對雜散電流的研究起步較早，制定的防護標準也比較完善，但存在檢測精度低、抗幹擾能力差、需要施加陰極保護電流、過分依賴操作者經驗和不針對井下設計等問題。目前，國外最先進的SCM檢測技術雖然具有快速、便利、高精度和非接觸式檢測等優點，但相關裝備造價太高，核心技術對外不公開，且只適用於金屬管路雜散電流的檢測，所以並不適合我國煤礦的使用和推廣。我國對雜散電流的研究起步較晚，且大多局限於鐵軌和管道防腐方面。針對礦用雜散電流檢測儀，以FZY-3型和CZLl型兩個典型檢測儀為例，其檢測方式雖然具有操作簡單和便於實施等優點，但其檢測精度並不能滿足井下的檢測需求，不能對井下mA級微小雜散電流進行準確檢測；此外，其金屬表筆接觸式的檢測方式存在安全隱患，嚴重影響檢測過程的安全性。針對以上問題，本發明設計了一種檢測精度高、檢測方式安全可靠並支持遠程監測的礦用雜散電流檢測裝置。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於針對井下現有檢測設備存在的局限性及瓶頸問題，提供一種檢測精度高、反應靈敏和檢測方式安全可靠的礦用雜散電流檢測裝置，解決現有裝置難以準確檢測井下雜散電流、檢測安全性差等缺點。涉及的理論和技術有各向異性磁阻效應、電磁場理論、聚磁/磁屏蔽技術、信號傳輸技術和數據通訊技術等。能實現井下不同類型設施、不同位置雜散電流的檢測，為礦井雜散電流防治措施的制定提供判斷依據，保證煤礦安全生產。
[0005]本發明為了實現上述目的所採用的技術方案是:一種礦用雜散電流檢測裝置，由磁場強度信號檢測單元、磁場強度信號處理單元、聚磁單元、磁屏蔽單元、通訊單元、防爆外殼組成；
所述磁場強度信號檢測單元由磁阻傳感器(I)、磁場強度信號調理電路(U1)、磁阻傳感器偏置電流驅動電路(U2)、磁阻傳感器電橋偏置調節電路(U3)和磁阻傳感器置/復位電路(U4)組成，實現對雜散電流信號的採集和調理；磁阻傳感器(I)安裝在防爆殼體(7)之夕卜，通過喇叭口(6)實現與主電路板(8)的電氣連接；磁阻傳感器(I)的敏感軸一側與聚磁裝置(2)的磁感應線匯集端相連接；磁場強度信號調理電路(Ul)的輸入端與磁阻傳感器Cl)的輸出管腳Xout+和Xout-相連接，調理後的信號傳輸至C8051F020晶片(U9)的A/D接口 ；磁阻傳感器偏置電流驅動電路(U2)的輸出口和磁阻傳感器(I)的offset-管腳相連接；磁阻傳感器電橋偏置調節電路(U3) —端與+5V電源相連，另一端與磁阻傳感器(I)的輸出管腳Xout+和Xout-相連接；磁阻傳感器置/復位電路(U4)的脈衝輸出口與磁阻傳感器(I)的管腳S/R+相連接；
所述磁場強度信號處理單元由08051?020晶片(現)、復位電路(仍0)、時鐘電路(仍1)、JTAG接口電路(U12)和電源轉換電路(U13)組成，實現對信號的數字濾波、電流解算和實時存儲，復位電路(U10)、時鐘電路(Ull)、JTAG接口電路(U12)和電源轉換電路(U13)與C8051F020晶片(U9)對應的管腳相連接；
所述的聚磁單元由聚磁裝置(2)、連接杆(4)、上部轉軸(3)和下部轉軸(5)組成，實現增強被測磁場強度的目的，聚磁裝置(2)和磁阻傳感器(I)安裝在上部轉軸(3)上，經連接杆(4)和下部轉軸(5)固定在防爆殼體(7)的上部；
所述的磁屏蔽單元由磁屏蔽板(9)和轉軸(10)組成，實現屏蔽幹擾磁場的目的，磁屏蔽板(9)通過轉軸(10)固定在防爆殼體(7)的上部邊緣；
所述的防爆外殼包括防爆殼體(7)和內置的液晶顯示屏(13)，防爆殼體(7)由鋼板焊接而成，防爆殼體(7)上開有用於磁阻傳感器電氣進線的喇叭口(6)，側面開有用於通訊的喇叭口( 11)和用於電源進線的喇叭口( 12 )，液晶顯示屏(13 )置於防爆殼體(7 )內部；
所述的通訊單元是基於C8051F020晶片的串口擴展的RS485接口電路(U18)。
[0006]本發明的有益效果在於:1)該裝置實現了井下微小雜散電流的非接觸式檢測，有效解決了現有檢測設備檢測精度低、安全性差和缺乏數據存儲功能等問題；2)該裝置採用了各向異性磁阻傳感器和聚磁裝置，實現了井下mA級雜散電流的檢測；3)該裝置具有輕巧和移動便利的特點，適合井下不同類型設施、不同位置雜散電流的檢測；4)該裝置中的硬體電路結構簡單、可靠性高，易於推廣應用；5)該裝置支持遠程實時在線監測，可及時發現和排除因雜散電流引起的危險；6)該裝置為井下雜散電流的研究和防治措施的制定提供可靠的數據支持。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1礦用雜散電流檢測裝置的組成框圖；
圖2礦用雜散電流檢測裝置的結構圖；
圖3礦用雜散電流檢測裝置硬體電路原理圖；
圖4磁場強度信號調理電路；
圖5磁阻傳感器偏置電流驅動電路；
圖6磁阻傳感器電橋偏置調節電路；
圖7磁阻傳感器置/復位電路；
圖8檢測裝置電源電路；
圖9檢測裝置通訊電路。
[0008]圖中1、磁阻傳感器；2、聚磁裝置；3、上部轉軸；4、連接杆；5、下部轉軸；6、用於磁阻傳感器電氣進線的喇叭口 ；7、防爆殼體；8、主電路板；9、磁屏蔽厚板；10、轉軸；11、用於通訊的喇叭口 ；12、用於電源進線的喇叭口 ；13、液晶顯示屏；U1為磁場強度信號調理電路；U2為磁阻傳感器偏置電流驅動電路；U3為磁阻傳感器電橋偏置調節電路；U4磁阻傳感器置/復位電路；U5為±12V電源；U6和U7為±12V轉±5V電源電路；U8為+3.3V轉+1.8V電源電路；U9為C8051F020晶片；U10為復位電路；U11為時鐘電路；U12為JTAG接口電路；U13為電源轉換電路；U14為VCC3.3去耦電路；U15為VDD3.3去耦電路；U16為模擬量輸入高頻濾波電路;U17為VREF接地電路;U18為檢測裝置通訊電路。
【具體實施方式】
[0009]下面結合附圖，進一步詳細描述本發明提出的礦用雜散電流檢測裝置的結構和工作原理。
[0010]如圖1所示，一種礦用雜散電流檢測裝置的組成框圖，包括磁場強度信號檢測單元、磁場強度信號處理單元、聚磁單元、磁屏蔽單元和防爆外殼；所述磁場強度信號檢測單元由磁阻傳感器(I)、磁場強度信號調理電路(U1)、磁阻傳感器偏置電流驅動電路(U2)、磁阻傳感器電橋偏置調節電路(U3)和磁阻傳感器置/復位電路(U4)組成，通過磁阻傳感器(I)和電路(Ul)實現被測信號的採集和調理，通過電路(U2)、(U3)和(U4)實現對磁阻傳感器(I)的控制和調節；所述磁場強度信號處理單元由C8051R)20晶片(U9)、復位電路(U10)、時鐘電路(Ull)、JTAG接口電路(U12)、電源轉換電路(U13)和RS-485通訊電路(U18)組成，通過信號處理單元實現信號的數字濾波、電流解算、實時存儲和數據通訊；所述的聚磁單元由聚磁裝置(2)、連接杆(4)、上部轉軸(3)和下部轉軸(5)組成，通過聚磁單元實現增強被測磁場強度的目的；所述的磁屏蔽單元由磁屏蔽板(9)和轉軸(10)組成，通過磁屏蔽單元來屏蔽檢測現場存在的幹擾磁場；所述的防爆外殼包括防爆殼體(7)和內置的液晶顯示屏(13)，通過防爆殼體(7)可以避免內部火花對井下環境造成的危險，同時也可以屏蔽主電路板對磁阻傳感器造成的電磁幹擾。所述的磁場強度信號處理單元將調理過的磁場強度信號傳送到工控機，實現檢測信息的實時顯示。
[0011]如圖2所示，一種礦用雜散電流檢測裝置的結構圖。磁阻傳感器(I)安裝在防爆外殼(7)之外，通過喇叭口(6)實現與主電路板(8)的電氣連接，磁阻傳感器(I)的敏感軸一側與聚磁裝置(2)的磁感應線匯集端相連接；聚磁裝置(2)和磁阻傳感器(I)安裝在上部轉軸(3)上，經連接杆(4)和下部轉軸(5)固定在防爆殼體(7)的上部；磁屏蔽板(9)通過轉軸(10)固定在防爆殼體(7)的上部邊緣，磁屏蔽板(9)的長度應大於連接杆(4)的長度；防爆殼體(7)上面開有用於磁阻傳感器電氣進線的喇叭口(6)，側面開有用於通訊的喇叭口(11)和用於電源進線的喇叭口(12)，液晶顯示屏(13)置於防爆殼體(7)內部。
[0012]如圖3所示為檢測裝置硬體電路原理圖，包括磁阻傳感器(I)、磁阻傳感器外圍電路、單片機最小系統和電源轉換電路。所述的磁阻傳感器外圍電路包括信號調理電路(U1)、磁阻傳感器偏置電流驅動電路(U2)、磁阻傳感器電橋偏置調節電路(U3)和磁阻傳感器置/復位電路(U4)，實現被測信號的採集和調理，同時完成對磁阻傳感器的控制和調節；所述的單片機最小系統包括C8051F020晶片(U9)、復位電路(U10)、時鐘電路(Ull)、JTAG接口電路(U12 )、和RS-485通訊電路(U18 )，實現被測信號的數字濾波、電流解算、實時存儲和數據通訊；接地電路部分包括VCC3.3及VDD3.3去耦電路(U14和U15)、模擬量輸入高頻濾波電路(U16)和VREF接地電路用來防止晶片數字噪音的串擾(U17);所述的電源以及轉換電路包括±12V電源(U5)、±12V轉±5V電源電路(U6和U7)、+5V轉+3.3V電源電路(U13)和+3.3V轉+1.8V電源電路(U8)，實現對檢測裝置硬體電路各個部分的供電。
[0013]如圖4所示為磁場強度信號調理電路(U1)，主要包括一階差分濾波電路(RF1、RF2、CFl和CF2組成)、差分放大電器(UFl)和反相器(UF2)，實現信號的調理；磁場強度信號調理電路(Ul)的差分輸入端和磁阻傳感器(I)的輸出引腳Xout+和Xout-相連接，信號經過一階差分濾波電路(RFl、RF2、CFl和CF2組成)後進入差分放大器(UF2)，差分放大器(UF2)的放大倍數可通過RF3來調節，在差分放大器(UF2)的5號引腳和6號引腳連接一個增益為-1的反相器(UF2)，可以使信號調理電路(Ul)具有更好的共模抑制比。通過磁場強度信號調理電路(Ul)將磁阻傳感器(I)輸出的電壓信號調節至C8051F020晶片(U9)內置ADC模塊的電壓輸入範圍，為後續信號的處理奠定了基礎。
[0014]如圖5所示為磁阻傳感器偏置電流驅動電路(U2)，主要包括偏置電流驅動晶片(UZl)0偏置電流驅動晶片(UZl)為XTR115，可向偏置電流帶提供的最大偏置電流為20mA，產生的最大偏置磁場為0.4Gs。XTRl 15的3號引腳作為晶片的參考地，7號引腳接+5V電源，I號引腳產生2.5V的電壓，電位器(RZl)連接在XTR115的I號引腳和2號引腳之間，通過調節電位器(RZl)就可以在XTR115的4號引腳產生變化的偏置電流。產生的偏置電流通過與磁阻傳感器(I)的引腳offset-相連接。通過磁阻傳感器偏置電流驅動電路(U2)可以抵消檢測現場存在的幹擾磁場，使磁阻傳感器在檢測前處於一種「零磁場」的檢測環境。
[0015]如圖6所示為磁阻傳感器電橋偏置調節電路(U3)，由開關(SWl和SW2)和電位器(RCl和RC2)組成。HMC1001的電橋偏置範圍是_60mV?30mV，其典型值為-15mV。開關SWl和SW2 —端接+5V電源，另一端分別和磁阻傳感器(I)的引腳Xout+和Xout-相連接。當磁阻傳感器輸出Xout+大於Xout-時，電橋偏置為正，閉合SW1，斷開SW2，調節電位器RCl使電橋達到平衡；Xout+小於Xout-時，電橋偏置為負，斷開SWl，閉合SW2，調節電位器RC2使電橋達到平衡。通過電橋偏置調節電路(U3)將磁阻傳感器(I)的電橋偏置調節為零或一個很小的值，可有效解決因電橋偏置導致的差分電路輸出飽和的問題。
[0016]如圖7所示為磁阻傳感器置/復位電路(U4)，由置/復位信號產生電路(USl)和5V?20V升壓電路(US2)組成。磁阻傳感器(I)內置一條置/復位電流帶，用以將磁阻傳感器內部各個磁疇進行排列和整合，從而恢復傳感器的特性。5V?20V升壓電路(US2)採用晶片MAX662A，其5號引腳接+5V電源，6號引腳產生的20V電壓與IRF7106晶片的3號引腳相連接。三極體Ql的基極和C8051F020晶片(U9)的P0.0 口相連，發射極接模擬地，集電極和電容CSl —側相連；CS1為充放電電容，其另一側和IRF7106晶片的4號引腳相連，用以控制IRF7106晶片內部增強型P溝道場效應管的導通和截止；IRF7106晶片的2號引腳與C8051F020晶片(U9)的P0.1 口相連，用以控制IRF7106晶片內部增強型N溝道場效應管的導通和截止；CS3為置/復位信號產生電容，一端和IRF7106晶片的5號引腳相連，另一端和磁阻傳感器(I)的S/R+引腳相連接。通過磁阻傳感器置/復位電路(U4)可以使磁阻傳感器始終工作在高靈敏的狀態，使檢測的數據更加準確。
[0017]如圖8所示為檢測裝置電源電路，包括±12V轉±5V電源電路(U6和U7)、+5V轉+3.3V電源電路(U13)和+3.3V轉+1.8V電源電路(U8)。±12V轉±5V採用晶片L7805和L7905完成，+5V轉+3.3V採用晶片AMSl117完成，+3.3V轉+1.8V採用晶片LMl117完成，為信號檢測單元和信號處理單元的各部分電路提供穩定電源。
[0018]如圖9所示為檢測裝置通訊電路(U18)，採用MAX485CSA晶片實現和工控機的通訊。RO端和DI端分別為接收器的輸出和驅動器輸入；RE端和DE端分別為接收和發送的使能端。當RE端為邏輯I時，器件處於接收狀態；當DE端為邏輯I時，器件處於發送狀態。當RE端或DE端禁止時，接收器或驅動器輸出為高阻態。A端和B端為待接收和發送的差分信號端。通常情況下，作為發送器，Uab在+2疒+6V之間，為邏輯「1」;UAB在-2疒-6V之間，為邏輯「O」。作為接收器，當在Α、Β之間有大於+200mV的電壓差時，輸出為邏輯「I」;小於-200mV時，輸出為邏輯「O」。而A、B之間電位差的絕對值小於200mV時，輸出為不確定狀態。輸入接收器和輸出驅動器可抗±15kV的靜電衝擊，RS485接口電路電源由電源單元(U6)提供。
【權利要求】
1.一種礦用雜散電流檢測裝置，由磁場強度信號檢測單元、磁場強度信號處理單元、聚磁單元、磁屏蔽單元、通訊單元以及防爆外殼組成，其特徵在於: 所述磁場強度信號檢測單元由磁阻傳感器(I)、磁場強度信號調理電路(U1)、磁阻傳感器偏置電流驅動電路(U2)、磁阻傳感器電橋偏置調節電路(U3)和磁阻傳感器置/復位電路(U4)組成，實現對雜散電流信號的採集和調理；磁阻傳感器(I)安裝在防爆殼體(7)之夕卜，通過喇叭口(6)實現與主電路板(8)的電氣連接；磁阻傳感器(I)的敏感軸一側與聚磁裝置(2)的磁感應線匯集端相連接；磁場強度信號調理電路(Ul)的輸入端與磁阻傳感器Cl)的輸出管腳Xout+和Xout-相連接，調理後的信號傳輸至C8051F020晶片(U9)的A/D接口 ；磁阻傳感器偏置電流驅動電路(U2)的輸出口和磁阻傳感器(I)的offset-管腳相連接；磁阻傳感器電橋偏置調節電路(U3) —端與+5V電源相連，另一端與磁阻傳感器(I)的輸出管腳Xout+和Xout-相連接；磁阻傳感器置/復位電路(U4)的脈衝輸出口與磁阻傳感器(I)的管腳S/R+相連接； 所述磁場強度信號處理單元由08051?020晶片(現)、復位電路(仍0)、時鐘電路(仍1)、JTAG接口電路(U12)和電源轉換電路(U13)組成，實現對信號的數字濾波、電流解算和實時存儲，復位電路(U10)、時鐘電路(Ull)、JTAG接口電路(U12)和電源轉換電路(U13)與C8051F020晶片(U9)對應的管腳相連接； 所述的聚磁單元由聚磁裝置(2)、連接杆(4)、上部轉軸(3)和下部轉軸(5)組成，實現增強被測磁場強度的目的，聚磁裝置(2)和磁阻傳感器(I)安裝在上部轉軸(3)上，經連接杆(4)和下部轉軸(5)固定在防爆殼體(7)的上部； 所述的磁屏蔽單元由磁屏蔽板(9)和轉軸(10)組成，實現屏蔽幹擾磁場的目的，磁屏蔽板(9)通過轉軸(10)固定在防爆殼體(7)的上部邊緣； 所述的防爆外殼包括防爆殼體(7)和內置的液晶顯示屏(13)，防爆殼體(7)由鋼板焊接而成，防爆殼體(7)上開有用於磁阻傳感器電氣進線的喇叭口(6)，側面開有用於通訊的喇叭口( 11)和用於電源進線的喇叭口( 12 )，液晶顯示屏(13 )置於防爆殼體(7 )內部。
【文檔編號】G01R19/25GK104459298SQ201410699872
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優先權日:2014年11月28日
【發明者】宋建成, 耿蒲龍, 田慕琴, 宋淵, 劉媛, 梁智勇, 李澤宇 申請人:太原理工大學