孔維正，靳寶全，王宇，王東，張紅娟，高妍

(1.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西 太原　030024；2.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原　030024)

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礦用本質(zhì)安全超聲測距電路系統(tǒng)設(shè)計

孔維正1，靳寶全1，王宇1，王東1，張紅娟2，高妍2

(1.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西 太原030024；2.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原030024)

詳細介紹了礦用本質(zhì)安全超聲測距電路系統(tǒng)中的驅(qū)動電路和回波處理電路的組成和工作機理，通過分析輸出電壓波形，計算了測距電路系統(tǒng)各儲能元件的最大儲能。實驗結(jié)果表明,該測距電路系統(tǒng)中各儲能元件的最大儲能均小于最小點燃能量，達到了國家有關(guān)標準規(guī)定的本質(zhì)安全型要求。

超聲測距；本質(zhì)安全；儲能分析；驅(qū)動電路；回波處理電路；最小點燃能量

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1002.007.html

0　引言

超聲波因其突出的環(huán)境適應(yīng)能力而被優(yōu)先使用于燃爆環(huán)境下的物位測量、水位測量、流量測量、廠區(qū)安全距離預(yù)警和特殊車輛倒車雷達等[1-2]。然而在燃爆性環(huán)境中，當(dāng)儀器設(shè)備的電路系統(tǒng)中釋放的能量高于環(huán)境中物質(zhì)的最小點燃能量時，便會引燃引爆周圍的易燃易爆氣體，造成嚴重的安全生產(chǎn)事故。目前，本質(zhì)安全設(shè)備因其安全性最好、使用最方便而成為最佳的防爆手段[3]，同時可省去隔爆外殼及其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，兼有重量輕、尺寸小、成本低等優(yōu)點[4]，為此,礦用儀器設(shè)備的電路系統(tǒng)必須優(yōu)先考慮進行本質(zhì)安全化設(shè)計[5]，以滿足實際安全生產(chǎn)需求。

近年來國內(nèi)學(xué)者針對燃爆環(huán)境下檢測設(shè)備的本質(zhì)安全化開展了很多研究。其中,楊健健等[6]通過解決礦用阻燃電纜模塊非本安化難點，設(shè)計了礦用本安型振動傳感器。趙舒暢等[7]針對本質(zhì)安全要求設(shè)計了一種煤礦運輸聲光報警裝置，然而,目前針對超聲測距系統(tǒng)的本質(zhì)安全設(shè)計和研究目前尚且空白。為此，本文采用可實現(xiàn)高低壓切換功能的高速光耦器件，設(shè)計了礦用超聲測距電路系統(tǒng)，再配合本質(zhì)安全電源電路和阻抗匹配驅(qū)動電路，實現(xiàn)了礦用超聲測距電路系統(tǒng)的本質(zhì)安全化設(shè)計。通過分析測距電路系統(tǒng)的輸出電壓波形，計算了測距電路系統(tǒng)各儲能元件的最大儲能。結(jié)果表明,基于高速光耦的本質(zhì)安全超聲測距電路系統(tǒng)中各儲能元件的最大儲能均小于最小點燃能量，達到了相關(guān)國家標準[8]規(guī)定的本安要求。

1　超聲驅(qū)動電路

超聲測距電路系統(tǒng)包括超聲驅(qū)動電路和超聲回波處理電路2個部分。其中驅(qū)動電路對換能器進行驅(qū)動，使其發(fā)射超聲波，回波處理電路對換能器接收的回波進行處理。由于回波處理電路供電電壓單一、控制簡單，而驅(qū)動電路供電電壓不同、驅(qū)動控制復(fù)雜，因此，將供電電路、光耦轉(zhuǎn)換電路、匹配調(diào)理電路組合為超聲驅(qū)動電路，如圖1所示。

圖1　驅(qū)動電路組成

供電電路輸入18 V本安直流電壓，18 V直流電壓連接電阻R2給光耦轉(zhuǎn)換電路中的光耦4N25引腳5供電，并通過18/12 V，12/5 V轉(zhuǎn)換元件輸出5 V給單片機C8051F040供電。光耦轉(zhuǎn)換電路從單片機S0輸入低壓驅(qū)動脈沖,并轉(zhuǎn)換為輸出約為18 V的高壓脈沖U0，在4N25引腳4輸出。高壓脈沖U0送入匹配調(diào)理電路后驅(qū)動換能器發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)障礙物反射回來后經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲回波信號，經(jīng)匹配調(diào)理電路送入回波處理電路處理后輸出脈沖信號，單片機檢測S0端口發(fā)射脈沖時刻和S1端口回波脈沖信號時刻時差Δt，Δt即為超聲波飛行時間，按照超聲波距離計算公式d=0.5×vΔt(v為超聲波在空氣中傳播速度),計算出換能器與障礙物的距離d。

1.1供電電路

供電電路如圖1所示。由于線性穩(wěn)壓器具有反應(yīng)速度快、輸出紋波小、工作時產(chǎn)生噪聲較低等特點，選取線性轉(zhuǎn)壓芯片LM7812和AMS1117-5.0作為第1、第2級電壓轉(zhuǎn)換電路，將18 V本安直流輸入電壓分別轉(zhuǎn)換為12 V和5 V輸出，其中C1、C2、C3、C4分別為輸入端和輸出端濾波電容。同時在第1級穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端，選擇電阻R1及電容C2和C3分別構(gòu)成了π型RC濾波電路，本安輸入電壓經(jīng)過多重濾波后，降低了電壓中的諧波分量，減小了供電電路輸出直流紋波。

1.2光耦轉(zhuǎn)換電路

光耦轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。光耦轉(zhuǎn)換電路輸入、輸出電壓信號分別為Ui和U0，光耦4N25輸入電流為iD,當(dāng)iC≤iD≤iF(iC,iF分別為光耦4N25工作于放大區(qū)間的最小電流和最大電流)時，B2脫離截止區(qū)而工作于放大區(qū)，此時流經(jīng)B2的電流iB隨流經(jīng)二極管D0的電流iD線性變化，因此，從光耦4N25引腳4輸出的電壓U0隨引腳2端口電壓線性變化。

圖2　光耦轉(zhuǎn)換電路

由于Ui為一連串低壓控制脈沖，為保證輸出電壓U0隨Ui線性變化，流經(jīng)D0的電流iD應(yīng)滿足如下條件：

(1)

式中:UB為集電極B1的電壓;RD為二極管D0導(dǎo)通時的等效電阻。

通過外置電阻R3并選擇三極管B1參數(shù)，使電流iD工作于式(1)的區(qū)間，這樣U0隨UB線性變化，而UB隨Ui線性變化，所以，U0隨Ui線性變化,且U0為占空比與Ui相同的高壓脈沖。

1.3匹配調(diào)理電路

對超聲換能器進行阻抗匹配會提升換能器的電能-機械能和機械能-電能的轉(zhuǎn)換效率[9]，換能器匹配調(diào)理過程如圖3所示。

圖3(a)為換能器匹配電路，L1、Cp、Rp分別為匹配電感、電容和電阻。換能器匹配后的電路如圖3(b)所示，虛線框內(nèi)為換能器等效電路，C0為靜態(tài)電容，Lm和Cm分別為動態(tài)電感和動態(tài)電容，Rm為串聯(lián)支路等效電阻。換能器驅(qū)動時動態(tài)支路等效為電阻Rm。系統(tǒng)驅(qū)動時換能器匹配電路如圖3(c)所示，驅(qū)動時換能器總電路如圖3(d)所示，其中RG為二極管D2導(dǎo)通的等效電阻。

(a)換能器匹配電路(b)換能器匹配后的電路

(c)系統(tǒng)驅(qū)動時的換能器匹配電路(d)系統(tǒng)驅(qū)動時換能器總電路

圖3超聲波換能器匹配過程

如圖3所示，對換能器進行匹配時，匹配電感L1與C0有關(guān)，為減小匹配電感L1的儲能，增加匹配電容Cp可改變L1的大小。經(jīng)阻抗匹配之后電路總阻抗為

(2)

式中ω為換能器諧振頻率。

為減少Z的虛部造成的無功損耗，應(yīng)使Z的虛部為0，得到L1的表達式：

(3)

由式(3)可知：阻抗匹配后，電感L1的感抗與C0和Cp的容抗在諧振頻率ω處抵消，此時換能器表現(xiàn)為純電阻，消除了總阻抗虛部的無功損耗。此外,為減小流經(jīng)電感L1的電流，增加了限流電阻Rp進行分流，以進一步減小電感L1的儲能。

2　超聲回波處理電路

發(fā)射出的超聲波信號遇到障礙物后返回換能器，經(jīng)機械能-電能轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)信號調(diào)理電路實現(xiàn)對回波電信號的放大與解調(diào)，超聲回波處理電路如圖4所示。其中，A為二級放大,B為濾波放大,C為峰值檢測和比較輸出。

圖4　超聲回波處理電路

回波經(jīng)二級放大后，輸入濾波放大電路進行濾波和放大，其中濾波放大電路由放大器M1(LM339),外置電阻R9、R10和電容C9、C10構(gòu)成，電路中心頻率為

(4)

通過設(shè)置R9、R10、C9、C10可改變電路的中心濾波頻率，濾除f0以外頻率的雜波。濾波放大后回波送入由C11、C12、R14、R15和二極管D2組成的峰值檢測電路，將回波信號整形為幅值連續(xù)的回波信號，最后送入比較器M4和直流電壓V0進行比較，電壓V0取值如下：

(5)

當(dāng)峰值檢測輸出回波電壓信號的峰值大于V0，比較器M4輸出一個高電平脈沖，并送入單片機端口S1，單片機通過檢測此脈沖來識別超聲波回波。

3　本質(zhì)安全參數(shù)設(shè)計

本質(zhì)安全電路是指電路在正常和非正常工作時(短路或斷路等)都能達到本質(zhì)安全要求的電路。對電路的本質(zhì)安全性能進行分析評價的方法有很多種，其中采用最小點燃能量進行定量分析和設(shè)計的評價方法可以避免復(fù)雜實驗,且設(shè)計可信度較高[10]。

3.1驅(qū)動電路本質(zhì)安全參數(shù)設(shè)計

超聲波測距電路系統(tǒng)的驅(qū)動電路儲能元件(如電感L和電容C等)的儲能較大，所以,最難達到本

質(zhì)安全要求，也是超聲波測距電路系統(tǒng)本質(zhì)安全參數(shù)設(shè)計的主要考慮因素。驅(qū)動電路中電感和電容的儲能計算公式如下：

(6)

式中:I為流過電感L的電流;U為電容C兩端電壓。

按照圖3(d)中驅(qū)動時的等效電路，設(shè)流經(jīng)電阻RG的電流為i，流經(jīng)匹配電感L1的電流為iL，對電路分析得到電流i和iL的計算公式：

(7)

電阻Rp和Rm對電流i進行分流，得到iL，將iL代入式(6)得到電容Cp的儲存能量WCp和電感L1的儲存能量WL1:

(8)

超聲驅(qū)動電路參數(shù)如下：RG=50 Ω,Rp=1 kΩ,Rm=200 Ω。由于U0

假定電容Cp同換能器靜態(tài)電容C0(換能器靜態(tài)阻抗值約為2 000 pF)數(shù)量級大致相同，選取C0=2 200 pF，將電阻RG、Rp、Rm代入式(3),則有L1=167 μH。將L1值代入式(8),得WL1=0.41 μJ，小于Wmin，因此,電感L1參數(shù)取值符合本質(zhì)安全要求。

3.2回波處理電路本質(zhì)安全參數(shù)設(shè)計

由圖4可知，回波處理電路最大電壓VCC=5 V。根據(jù)國家標準[8],電容儲量需滿足WC

表1　測距電路器件參數(shù)及其最大儲能

4　實驗結(jié)果分析

為驗證以上本質(zhì)安全電路系統(tǒng)設(shè)計的合理性，按照圖1和圖4設(shè)計了測距電路系統(tǒng)，并選用型號為NU40A25TR的收發(fā)一體超聲波換能器，同時選擇匹配電感L1=167 μH，Cp=2 200 pF。

4.1正常工作狀態(tài)波形

驅(qū)動電路正常工作時的波形如圖5所示，即圖1中的波形測試點(a)的測試波形。正常驅(qū)動時，驅(qū)動電路的最大電壓U0(max)為15.5 V，小于設(shè)計計算取值(18.0 V)。

圖5　驅(qū)動電路正常波形

隨后測試了回波經(jīng)二級放大后M2輸出的波形，即圖4中波形測試點(b)的波形，如圖6所示?？捎^察到回波幅值電壓小于VCC(5 V)，因此，回波電路中各儲能元件的最大儲能可依照表1中的最大儲能值來考慮。由以上對驅(qū)動電路和回波電路的波形分析和計算可知，實測正常工作時電路最大能量與所設(shè)計的能量值不同，需要重新計算元件儲能。

圖6　超聲波回波二級放大波形

4.2非正常工作狀態(tài)波形

為判定驅(qū)動電路在電路非正常時(開路和短路)上電最大能量，測試了電源和驅(qū)動電路開路和短路時的電壓波形。本質(zhì)安全電源輸入電壓UIN在上電瞬間和斷電瞬間的電壓波形如圖7所示。

圖7　本質(zhì)安全電源輸入UIN上電和斷電瞬間的電壓波形

高壓驅(qū)動脈沖在換能器正端上電瞬間產(chǎn)生的電弧和驅(qū)動結(jié)束后的電弧放電波形如圖8所示，從圖8可知，實際驅(qū)動脈沖上電瞬間最大電弧電壓幅值(U0=15.4 V)大于計算值(U0=15 V)。

圖8　驅(qū)動時換能器上電和斷電電弧波形

4.3電路本質(zhì)安全分析和對比

由4.1節(jié)和4.2節(jié)對超聲測距電路系統(tǒng)正常與非正常情況下的波形對比分析可知，參數(shù)設(shè)計時所選用的電壓值和實際電壓值不同，所以,需對電路元器件實際儲能進行校準。由圖5和圖8可知,驅(qū)動最大電壓U0(max)=15.5 V，代入式(8)得WCp=0.26 μJ，WL1=0.41 μJ。由圖7可知,本質(zhì)安全輸入電源UIN上電電弧最大幅值約為19.5 V，大于設(shè)計電壓18.0 V，于是選擇將UIN=19.5 V代入式(6)得到電容C1和C2的儲能：WC1=19.0 μJ，WC2=18.6 μJ?？芍猈C1和WC2相對表1中的數(shù)值變大。

對于短路時的能量分析，主要考慮容易導(dǎo)致短路情況發(fā)生的電阻RG、Rm、Rp對匹配電感L1和電容Cp的儲能值變化的影響及電感L1短路時匹配電容Cp的儲能變化的影響。電阻RG、Rm、Rp分別短路時，計算電感L1的最大儲能為0.47 μJ；電阻RG、Rm、Rp和電感L1分別短路時，Cp的最大儲能為

0.26 μJ。

電路正常工作、斷路及短路時，各元器件最大儲能值如圖9所示。圖9中,Ⅰ為供電電路區(qū)間、Ⅱ為回波處理電路區(qū)間、Ⅲ為驅(qū)動電路區(qū)間的最大儲能，橫坐標1—13分別代表元件器C1—C4、C6—C12、Cp和L1對應(yīng)的序號。

圖9　設(shè)計元件最大儲能和元件實際最大儲能對比

由圖9可知，通過實測波形計算所得儲能與設(shè)計元器件計算儲能相差不大，均小于國家標準規(guī)定的最小點燃能量(0.28 mJ)[8]，所以,設(shè)計的超聲測距電路系統(tǒng)符合國家標準規(guī)定的本質(zhì)安全要求。

5　結(jié)語

給出了符合本質(zhì)安全要求的超聲測距電路系統(tǒng)中驅(qū)動電路、回波電路及供電電路的設(shè)計參數(shù)，通過對測距電路系統(tǒng)關(guān)鍵引腳的波形分析，得出了電路系統(tǒng)滿足本質(zhì)安全要求的結(jié)論。

[1]孫利，李慶昭，潘守國.礦用雷達料位計的設(shè)計[J].工礦自動化，2012，38(2)：56-58.

[2]戴紹港.基于超聲波測距的自動尋跡泊車系統(tǒng)模型設(shè)計[J].電子器件，2012(3):204-207.

[3]趙曼.防爆型電氣設(shè)備及電路本質(zhì)安全性能評價[J].電子科技，2013(5):174-176.

[4]蔡利新.本安電路參數(shù)設(shè)計及元件要求簡介[J].電氣防爆，2008(3):21-23.

[5]張剛.煤礦井下本質(zhì)安全電氣系統(tǒng)設(shè)計及技術(shù)發(fā)展[J].工礦自動化，2012，38(9):27-34.

[6]楊健健，薛光輝，趙國瑞,等.礦用本安型振動傳感器的研制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(2):71-74.

[7]趙舒暢，曹利波，任玉東.煤礦運輸安全聲光報警裝置設(shè)計[J].煤礦機械，2014，35(8):214-217.

[8]GB 3836.1—2010 爆炸性環(huán)境設(shè)備通用要求[S].

[9]徐曉偉.壓電超聲換能器的阻抗匹配分析[J].振動測試與診斷，2014，36(5)：745-747.

[10]孟慶海.爆炸性環(huán)境本質(zhì)安全電路功率判別及非爆炸評價[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

Design of mine-used intrinsic safety type ultrasonic ranging circuit system

KONG Weizheng1,JIN Baoquan1,WANG Yu1,WANG Dong1,ZHANG Hongjuan2,GAO Yan2

(1.Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System of Ministry of Education, Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China；2.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

The paper introduced composition and working mechanism of driving circuit and echo processing circuit of mine-used intrinsic safety type ultrasonic ranging circuit system.By analyzing output voltage waveform,it calculated the maximum energy storage of each energy storage element in the ranging circuit system.The experimental results show that the largest energy storage of each energy storage element is less than the minimum ignition energy in ranging circuit system,which reaches stipulated intrinsic safety request of national standards.

ultrasonic ranging; intrinsic safety; analysis of energy storage; driving circuit; echo processing circuit; minimum ignition energy

1671-251X(2016)10-0065-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.015

孔維正，靳寶全，王宇，等.礦用本質(zhì)安全超聲測距電路系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(10)：65-69.

2016-04-08；

2016-08-22；責(zé)任編輯：張強。

國家自然科學(xué)基金項目(51504161)。

孔維正(1990-)，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向為煤礦電氣安全，E-mail:kwz_mtjs@163.com。

TD685

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-30 10:02