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新型馈电状态传感器的研究 |
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作者：高永清 孙继平 商丹 |
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引言
目前国内外研制开发了一些馈电状态传感器，这些馈电状态传感器大多数是基于光纤、电压互感器或采用霍耳器件的馈电状态传感器。日本、欧洲等国家研制并应用了煤矿光纤电压传感器；在国内，镇江中煤电子有限公司开发的KGT8馈电状态传感器；煤炭科学研究总院常州自动化研究所研制的KGT23矿用本安型馈电状态传感器；三恒自动化仪表有限公司开发的KGT9型矿用机电设备馈电状态传感器；长春东煤高技术开发公司开发的KJ19-31型机电设备馈电状态传感器等。这些馈电状态传感器在煤炭安全生产中发挥着重要作用。
然而，由于现有馈电状态传感器除进行防爆、防尘、防潮外，均没有进一步针对煤矿井下特殊条件进行研究，存在着难以维护、灵敏度低、可靠性差、系统复杂、造价高等问题，严重地制约了这些馈电状态传感器的推广应用。
因此，有必要针对现有矿井安全监控系统存在的功能复杂、可靠性差、成本高、不能与现有安全生产的检测仪器很好的配合运行、使用维护不当等问题，以及针对煤矿井下的特殊情况，研究可靠性高、便于维护、经济型馈电状态传感器具有重要意义。
1、馈电状态传感器方案的选择
根据矿井监控系统对断电及馈电状态检测的要求，可以将对断电及馈电状态检测的方式分为两种，一种是直接接触式检测馈电状态，一种是间接非接触式检测馈电状态。直接式是指在电气上与负荷设备直接联系，从供电网络上直接获取信号，如用电压互感器、电流互感器检测有无信号输出等。间接式是指在电气上与负荷设备不发生直接联系，如电磁感应原理、霍尔原理、测温原理、测磁原理、光电原理、接近（电感）原理等。直接接触式又可根据检测馈电状态的工作原理可以分为电压互感器电压传感器等。间接非接触式又可以根据检测馈电状态的工作原理可以分为光纤电压传感器，电磁感应电压传感器，霍耳电压传感器，电容原理电压传感器等。
根据电压互感器原理、电流互感器原理做成的这些直接接触式的电压检测方法，其优点是设备结构简单，缺点是与被检测电压直接接触。然而对于井下所用的电缆来说，若是采用这种直接接触式方法来检测电缆的馈电状态，就必须去除井下电缆的绝缘外皮，这必然给井下的安全生产带来隐患，违反《煤矿安全规程》，所以这种检测电压的方法不适合对井下馈电状态的检测。
在间接非接触式电压传感器中，光纤电压传感器虽然具有抗电磁干扰能力强、耐恶劣环境、绝缘性能好、体积小、质量轻、灵敏度高等优点，但是这种传感器成本很高、结构复杂、不便维护等缺点，因此制约了这种传感器在矿井监控系统中的应用；电磁感应原理和霍耳原理电压传感器是通过检测磁场的有无状态来检测电流（或电压）的有无，当没有电流存在时，也就没有磁场。对于井下电缆馈电状态的检测来说，我们不但要检测有电流时的馈电状态，同时也要检测无电流时的馈电状态。因此这种类型的电压传感器不适合用作井下电缆馈电状态的检测。
综合以上分析，笔者提出一种非接触式电压检测方法，即通过电容检测原理来检测电缆芯线对地电场的存在与否来间接检测电缆的馈电状态。
2、电容原理测量电压法
我们先分析一下井下电缆周围电场的分布情况。如图1所示，三相电缆分别为A、B、C，电流方向仅作为参考。从三相电缆的结构以及均匀传输线的理论可知，在任何两个绝缘导体之间均有寄生电容存在，因此在三相电缆之间，也必然存在寄生电容，传输线之间的这种寄生电容的大小与电缆芯线之间距离成反比，与导线直径、绝缘材料的介电常数成正比，而与材料、环境温度以及传输交流电源的频率无关。这种寄生电容等效为C0，通常这种电容很小。
图1 电容原理电压测量法
由图1可知，无论三相电缆中有无电流，只要三相电缆之间存在电压，就会在三相电缆的绝缘外皮上产生电荷，也就必然会在电缆周围产生电场，电场的大小取决于三相交流电对地之间的电压大小。由于是对称的三相交流电，理想情况下，应该在距离三相电缆很远的周围产生0电场。而在距离三相电缆很近的位置上将会产生由三相交流电所引起电场的合电场，并且这种合电场是一种交变电场，其频率取决于三相交流电的频率。这样我们可以在这种三相电缆对地的电场中，放入定值的电容（如图1所示的电容C1），就会在电容C1两端产生电压Ux。当三相电缆之间存在交流电压时，电容C1两端也会产生交流电压；当三相电缆之间不存在交流电压时，电容C1两端也就不会产生交流电压，即Ux为零。通过这种检测电容C1两端电压Ux的存在与否，就可以间接地检测井下电缆的馈电状态，这是一种简单方便的选择方案。
3、传感器硬件电路的设计
3.1 敏感元件电路原理
根据传感器电路设计的要求，对于高输出阻抗的传感器，则要求传感器电路的输入阻抗必须与输出阻抗相适应。为此，只有选用场效应管作为输入级才能满足设计要求。因此本文选用FET场效应管来检测电场状态，其等效原理如图2所示。
图2 利用FET检测电场状态原理图
利用FET检测电场状态原理不是直接测量表面电位或电荷，而是利用分布在表面上的电荷所产生的电场在探头上感应出电荷，最终对FET的栅极产生影响。由此原理可知，若FET本身靠近绝缘膜，则在栅极上感应出电荷，从而FET可作为电场敏感元件工作。
在图2中，导电性基片相当于电缆的导体；绝缘体相当于电缆外表皮的绝缘物质；测量探头相当于电容。当导电性基片中有电压时，在绝缘体的上下表面就会感应出正负电荷，当测量探头接近绝缘体上表面（带有正电荷）时，就会在测量探头的两极分别感应出正负电荷即靠近带有正电荷绝缘体上表面的一极带有负电荷，另一极带有正电荷。也就是说在测量探头两极间产生电压Ux。当电压Ux大于栅源之间的阀值电压VT（或称开启电压）时，外加较小的VDS，漏极电流iD将随着VDS上升迅速增大。同时考虑测量探头两极间产生的电压Ux为交流微弱电压信号，应当对其进行初级放大。由此设计的馈电状态传感器电路的敏感元件电路如图3所示。
图3 馈电状态传感器的敏感元件电路图
一般场效应管的RGS一般大于107Ω，本设计中所选用的是K30A Y-2F结型N沟道场效应管，其最大值RGS=3×1010Ω。在图3中，电阻R1、R2和RG的选择主要是根据输入阻抗与输出阻抗相匹配的要求，所以电阻RG应该选择大阻值的，通常取1～10MΩ，本设计中选取RG=2MΩ，电阻R1和R2分别取值为20kΩ和80kΩ，电阻RD=10kΩ，RS=10kΩ，RL=100kΩ，电源VDD取5V。
3.2 馈电状态传感器电路设计
由于我们所要检测的是井下电缆的馈电状态，也就是检测井下电缆所产生的交变电场的有无状态。本次设计所采用电容原理来检测电场状态，在敏感元件的输出端产生交流微弱电压信号，根据传感器电路的设计要求，传感器电路输出的信号应当是开关量电压信号。因此，我们应对敏感元件的输出信号进行检波、放大和信号转换处理，其整体电路如图4所示。
图4 馈电状态传感器电路
由图4可知馈电状态传感器的工作过程如下：L7805是一个直流稳压芯片，它提供传感器电路的工作电源；二个发光二极管，红色发光二极管指示电源的状态，绿色发光二极管指示馈电状态。当把传感器放入被测量带电电缆附近，检测电容C两端感应出微弱的交流电压信号；此信号经过结型场效应管K30A进行初级放大，由场效应管的漏极输出大约是检测电容两端电压5倍的交流电压信号；接着通过检波电路，把交流电压信号转变成单极性信号；这种单极性信号仍很微弱，还要经过测量运算放大器（或仪用运算放大器）二级放大，通过调节可调电阻RW，可以得到很大范围的电压增益；最后直流电压信号经过由二个NPN型的三极管组成的开关电路，输出TTL开关量电压信号。
4、结论与展望
把图4所示电路在EWB（Electronics Workbench）软件上仿真，当在检测电容两端施加大于0.1V的交流电压信号时，就能在三极管集电极输出大于3.6V的高电平电压信号；当检测电容两端施加小于0.1V的交流电压信号时，三极管集电极输出小于0.3V的低电平电压信号。同样，在实际电路实验中，通过调节可调电阻RW的阻值，会得到比在EWB软件上仿真更高的灵敏度。因此，证明所设计的馈电状态传感器电路满足《矿井安全监控新标准、新规程汇编及矿井安全监控系统设计与选型手册》的设计标准。
本文根据2001年版《煤矿安全规程》、2002年版《矿井安全监控新标准、新规程汇编及矿井安全监控系统设计与选型手册》等有关标准和规程，研制出矿井馈电状态传感器。这种传感器具有以下的优点：①可靠性高；②设备简单、成本低，所需附加设备少；③设备灵敏度高；④信号传输距离远；⑤设备易于维护，更换方便。其突出的特点是这种传感器是一种非接触式检测电缆芯线对地电场的状态，这使得这种馈电状态传感器在矿井监控系统中无疑具有很好的应用前景。(end)
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(1/23/2008) |
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