图1 火花点燃试验装置结构
朱前伟1,2
(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015；
2.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)
摘要：针对火花点燃试验装置在火花点燃试验过程中，对本质安全电源短路后输出不恢复、恢复时间过长，以及针对具有软启动功能的电源试验时达不到GB 3836.4—2010《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》要求的问题，设计了一款火花点燃试验辅助装置，给出了装置结构及软、硬件设计方案。该装置可靠性及动作精度高，解决了现有火花点燃试验装置的问题。
关键词：火花点燃试验装置； 本质安全电源； 软启动
ZHU Qianwei1,2
(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;
2.Tiandi(Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)
Abstract：There are some problems existed in spark test device during spark test such as no recovery of output or long recovery time of intrinsic safety power supply after short circuit, and inability to satisfy request of GB 3836.4-2010 Explosive atmospheres part 4: equipment protection by intrinsic safety “i” for power supply with soft starting function. An assist device for spark test was designed. The device structure and software and hardware design schemes were given. The device has high reliability and action precision, which solves questions of existing spark test device.
[WTHZ]Key words[WTBZ]:spark test device; intrinsic safety power supply; soft starting
火花点燃试验是检验矿用本质安全型电气设备安全性的一项重要试验，主要检验电路和电气设备的电火花是否会点燃煤矿井下瓦斯，以及通过合理选择电气参数，使设备在正常及故障状态下产生的电火花非常小，不致于点燃周围的爆炸性混合物。火花点燃试验的关键问题是试验方法和试验装置的选择，所用方法和装置既要保证试验安全，又要利于设计及制造。GB 3836.4—2010《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》中对火花点燃试验以及本质安全电路用火花点燃试验装置进行了详细描述[1]。本文通过分析现有火花点燃试验装置的局限性，给出一套火花点燃试验辅助装置的设计方案。
前苏联、英国、法国、德国、比利时、波兰等都曾经研发了火花点燃试验装置。但各国的火花点燃试验装置得出的数据有时是矛盾的，导致人们对其可信性产生了怀疑，也为设备的进出口工作带来了很大困难[2]。国际电工委员会向其成员国推荐了德国研发的火花点燃试验装置。目前，中国基本上都在使用该种火花点燃试验装置。
火花点燃试验装置结构如图1所示。装置的爆炸容器至少为250 cm3，其内布置2只电极，可在规定的爆炸性试验混合物内产生闭合火花和开路火花。一只电极由带2道槽的旋转镉电极组成，槽的宽度和深度均为2 mm；另一只电极由4根钨丝组成，固定在极握上[3]。由电动机带动的极握转速为80 r/min，极握与镉盘齿轮传动比为50∶12。试验过程中可使用4，2，1根钨丝。通过计算可知，2次间隔最短的火花时间是钨丝通过镉盘沟槽所需的时间，约为9.6 ms；2次间隔最长的火花时间是1根钨丝通过镉盘边缘所需的时间，约为630 ms。
图1 火花点燃试验装置结构
GB 3836.4—2010指出，采用火花点燃试验装置测试本质安全电路时，通常受限于以下条件：① 试验电流不大于3 A；② 对于电阻性和电容性电路，工作电压不大于300 V；③ 对于电感性电路，电感不大于1 H；④ 电路频率不超过1.5 MHz。对于不符合上述条件的电路，火花点燃试验装置的灵敏度可能发生变化[4]。
笔者在进行火花点燃试验时，出现了3种超过上述限制条件的情况：① 本质安全电源输出在1次火花点燃试验后无法恢复，除非重新给被试设备上电；② 本质安全电源输出在1次火花点燃试验后，恢复时间过长，超过了钨丝通过镉盘沟槽的最短时间，下一次火花点燃试验无效，不符合GB 3836.4—2010要求；③ 对于带有软启动功能的本质安全电源，如果在电源输出未达到最大值时进行火花点燃试验，则不能测试到最严酷的情况。针对上述3种情况，笔者设计了一套火花点燃试验辅助装置。
3.1 装置组成及工作原理
火花点燃试验辅助装置主要包括微处理器部分、信号检测部分、输出控制部分、按键部分、LED显示部分、数据存储部分等。
针对笔者进行火花点燃试验时出现的3种情况，可采用该装置解决。针对情况①，可通过按键设定本质安全电源输出的时间间隔，输出控制部分周期性地开通和关断电源的输入电路，以实现持续输出；针对情况②，可将信号检测部分与本质安全电源输出相连，没有电源输出时，微处理器开始计时，保证在小于9.6 ms的时间间隔内通过输出控制部分实现电源稳定输出，为下一次火花点燃试验做准备；针对情况③，首先通过示波器等设备测量带软启动功能的本质安全电源的最大输出稳定时间，然后接入火花点燃试验辅助装置，并通过按键设定装置的输出间隔时间大于其最大输出稳定时间，保证输出稳定后进行火花点燃试验[5]。
3.2 装置硬件设计
微处理器采用C8051F340单片机，其处理性能优越，提供丰富的模拟模块，工作温度范围为-40~105 ℃，且抗干扰能力强。
信号检测部分主要检测本质安全电源的输出，接入本质安全电源的输出回路，其输出的检测信号经光耦隔离处理后反馈至微处理器。微处理器收到反馈信号后，根据程序做出相应处理。
输出控制部分采用光耦隔离芯片PC817与控制芯片ULN2003相结合的方式控制继电器线圈。ULN2003具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用于各类要求高速、大功率驱动的场合；其采用集电极开路输出，输出电流大，内部集成了1个可消除线圈反电动势的二极管，非常适合驱动继电器线圈。继电器选用高可靠性小型继电器RXM2LB2P7，其具有体积小、质量轻、开闭容量大、可靠性好、寿命长、回跳时间短等特点。继电器线圈采用直流电压进行驱动和控制，继电器触点选用双刀双掷结构，以实现多组触点常开和常闭，增加输出方式。
按键部分采用4位按键，可设定输出控制信号的间隔时间，并通过按键组合，设定常用的间隔时间，如0.5，1，1.5，2 s等。
LED显示部分采用共阳极4位、单红色高性能LED 04041，其具有耐燃烧、耐破裂、耐高低温、超强抗冲击老化、寿命长、亮度高等优点。考虑到C8051F340具有32个可复用的输入、输出管脚，因此C8051F340可直接通过电阻限流来驱动LED，节省了成本和空间。LED显示设定的输出控制信号时间间隔，可显示1~9 999 ms。
数据存储部分采用2 kB串行电可擦除存储芯片AT24C02，采用两线串行总线与C8051F340通信。AT24C02存储数据可在断电的情况至少保存100 a，具有100万次的擦写周期，使用温度范围宽。
通过按键设定的时间间隔通过C8051F340的I2C总线存储到AT24C02中，在装置突然掉电或下次重新上电时，仍保持设置好的时间间隔，避免重复操作。
3.3 装置软件设计
装置软件部分采用单片机C语言的模块化设计方案，主要包括信号的采集和捕获、按键处理、LED显示、输出控制、数据存储等模块[6]。
火花点燃试验辅助装置是火花点燃试验装置的补充，适用于不同保护方式、不同输入/输出电压等级的本质安全电源的检测，提高了试验的公正性和准确性。该装置具有结构简单、可靠性高、设计合理、动作精度高等特点，在不影响原试验电路的前提下，很好地解决了火花点燃试验装置的问题。
参考文献：
[1] GB3836.4—2010 爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备[S].
[2] 章良海，宋雅亭，刘小周.安全火花原理及应用[M].北京：煤炭工业出版社，1984.
[3] 付淑玲.可控硅保护式本安电源自动恢复装置[J].煤矿安全，2000，31(1):32-34.
[4] 朱前伟.矿用本质安全电源的基本要求和设计方法[J].工矿自动化,2012,38(2):22-25.
[5] 张岩.电路瞬态能量分析的计算机仿真方法[J].电气防爆,2014(4):19-22.
[6] 朱前伟,孙小进,赵小兵,等.基于单片机的一氧化碳传感器的设计[J].计算机测量与控制,2015,17(7):1445-1446.
Siplus CMS1200状态监测系统
西门子研发的Siplus CMS1200状态监测系统是S7-1200控制器的扩展模块，是基于SM1281的状态监测模块。用户可通过结合多达7块SM1281模块来创建一个高效的监测系统，且每个模块可连接4个振动加速度传感器和1个速度传感器。该系统可用于连续监测如电动机、发电机、通风机和泵等设备的机械部件。在用Siplus CMS1200状态监测系统进行预测性维护时，磨损所导致的重大变化可在早期被发现，从而使用户能够更好地规划维护工作，并按计划完成。
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(朱建芸)
朱前伟.火花点燃试验辅助装置设计[J].工矿自动化，2016,42(1)：4-6.
中图分类号：TD61
文献标志码：A 网络出版时间：2015-12-31 15:50
文章编号：1671-251X(2016)01-0004-03 DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.002