諸葛云 王曉榮 程明霄 蔡 亮 周 凱

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

0 引言

在石油、煤礦開(kāi)采過(guò)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(shí)時(shí)檢測(cè)氣體濃度的報(bào)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(jí)，本安技術(shù)也得到了進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。該技術(shù)在限制能量的同時(shí)，也限制產(chǎn)生火花及能量。本安設(shè)備因其具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而在監(jiān)測(cè)和控制等弱電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)外最新本安儀器為美國(guó)英思科GASBADGEPLUS，其產(chǎn)品特點(diǎn)為:待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、可同時(shí)檢測(cè)4種有毒氣體、儀器可持續(xù)記錄15次警報(bào)事件、安全系數(shù)得到多家煤礦機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，但其價(jià)格昂貴、售后服務(wù)差。目前，國(guó)內(nèi)最前沿的檢測(cè)儀有濟(jì)南本安科技。為延長(zhǎng)工作時(shí)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(jì)了穩(wěn)壓限流電路。該本安型[3]檢測(cè)儀具有安全度高、體積小、低功耗等特點(diǎn)。

1 硫化氫檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)

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

圖1 檢測(cè)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(jī) RL78/G13

檢測(cè)儀的核心是單片機(jī)，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重要影響，所以選擇一個(gè)高速、低功耗和多功能集成化的單片機(jī)非常必要。目前，國(guó)內(nèi)主流MSP430[5]為低功耗控制芯片，通過(guò)比較，無(wú)論是在工作模式，還是在待機(jī)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(jiǎn)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(diǎn)，更具節(jié)能效益，以32 MHz運(yùn)行時(shí)，可提供4.1×108條指令/s。它在節(jié)約電池供電量的同時(shí)也滿足本安要求。

1.1.2 RAE-H2S 電化學(xué)傳感器

由美國(guó)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(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它還得到UL本質(zhì)安全認(rèn)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(kuò)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(shì)極化，產(chǎn)生正比于氣體濃度的極限擴(kuò)展電流，從而測(cè)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(jì)

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(dá)到防爆的要求。檢測(cè)儀通過(guò)限制電路能量，使電路實(shí)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(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。

電源設(shè)計(jì)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(guò)流保護(hù)的升壓芯片TPS61200、電容、電感組成。國(guó)標(biāo)規(guī)定當(dāng)電源電壓達(dá)到3.6 V時(shí)，最小點(diǎn)燃電壓為3 A，而TPS61200芯片流過(guò)的電流大約為100 mA，其安全系數(shù)為20，符合國(guó)標(biāo)中規(guī)定的正常工作系數(shù)大于1.5的要求。設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀電源電路如圖2所示。

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

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

圖3 檢測(cè)儀限流電路Fig.3 The current limiting circuit of detector

圖3中，R4是一個(gè)滑動(dòng)電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)電壓的大小，使得負(fù)載可在3.6 V的恒壓下工作，同時(shí)也能夠輸出恒定的電流。

根據(jù)計(jì)算式:U1=U4=R4Iload，通過(guò)調(diào)節(jié)R4，就使得負(fù)載在恒定的電壓電流下工作。

2 檢測(cè)儀火花放電計(jì)算

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

通過(guò)下文本安電流及總能量計(jì)算來(lái)確定本安電阻是否合理;同時(shí)電路中的電感、電容的分析都必須通過(guò)國(guó)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)證。

2.1 火花電流計(jì)算

為了能夠證實(shí)檢測(cè)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(jí)別相對(duì)應(yīng)的允許短路電流表，其數(shù)值如表1所示。其中，IIC級(jí)×1.5是氣體是容易被點(diǎn)燃最高等級(jí)，其對(duì)應(yīng)的安全電流都小于其他等級(jí)的電流。

表1 電壓對(duì)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(shí)，通過(guò)最壞情況計(jì)算，檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)，計(jì)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(jì)算

總熱能計(jì)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(gè)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(guò)20 mm2時(shí)，需滿足最高升溫小于275℃即可。根據(jù)查閱對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，所有的元器件工作時(shí)溫升都不會(huì)超過(guò)275℃。

表2 總熱能的計(jì)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(lái)確定電路是否本質(zhì)安全。

在本安型檢測(cè)儀中，感性器件分別為蜂鳴器和振動(dòng)電機(jī)。國(guó)標(biāo)中規(guī)定電感最大不超過(guò)1 H，其最大能量都可以通過(guò)公式Q=0.5I2L計(jì)算得到，可以參考國(guó)標(biāo)曲線來(lái)驗(yàn)證本設(shè)計(jì)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(duì)于電路中的電容元件，國(guó)標(biāo)根據(jù)電壓與電容關(guān)系來(lái)確定。電壓對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，則參考電壓為5.4 V，通過(guò)計(jì)算可驗(yàn)證本設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)GB 3836.4-2010中附錄A-3本安電容電路的評(píng)定。

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

3 結(jié)束語(yǔ)

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

[1] 王森.在線分析儀器手冊(cè)[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(bào)警儀設(shè)計(jì)[J].中北大學(xué)，2011(6):758 －762.

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

[4] 朱亮，嚴(yán)龍，鄒兵，等.便攜式硫化氫檢測(cè)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(jī)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(jì)[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(9):36－39.

[7] 王又容，嚴(yán)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(bào):自然科學(xué)版，2000(6):701－705.

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

[9] 趙宇航.智能氣體檢測(cè)儀研究和設(shè)計(jì)[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(píng)價(jià)方法的研究[D].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2008:25－34.