自適應(yīng)接地電阻的本安型電法監(jiān)測(cè)場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

王冰純

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

煤炭是我國(guó)能源體系的基石，長(zhǎng)期以來為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家能源安全穩(wěn)定提供了有力保障。目前煤炭綠色、高效、智能開采已成為行業(yè)風(fēng)向，但安全生產(chǎn)仍然是煤炭行業(yè)所有從業(yè)人員面臨的一大難題。煤礦水災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一，隨著礦山資源開發(fā)向深部延伸，開采水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜，水害的威脅程度進(jìn)一步加劇，煤礦井下電法監(jiān)測(cè)技術(shù)因其對(duì)煤巖電阻率變化的高靈敏特點(diǎn)，逐步在突水風(fēng)險(xiǎn)較高的礦井進(jìn)行推廣應(yīng)用[1-3]。電法監(jiān)測(cè)技術(shù)突破了傳統(tǒng)物探方法對(duì)異常體靜態(tài)、一次性評(píng)價(jià)的局限，實(shí)現(xiàn)了在采動(dòng)過程中突水危險(xiǎn)源的連續(xù)辨識(shí)與評(píng)價(jià)，顯著提高礦井突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的適用性和可靠性[4-5]。

在煤礦井下進(jìn)行電法監(jiān)測(cè)時(shí)，為了獲得可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，需要提供大功率的電法場(chǎng)源信號(hào)[6]。但在煤礦井下電法監(jiān)測(cè)場(chǎng)源功率受到嚴(yán)格限制，即發(fā)射場(chǎng)源信號(hào)必須滿足本質(zhì)安全的要求，以保證發(fā)射回路在出現(xiàn)短路等故障時(shí)，其釋放的能量仍不足以點(diǎn)燃爆炸性氣體。目前，為了滿足本安要求，一般采用的技術(shù)方法是場(chǎng)源信號(hào)設(shè)置為高壓、定電壓發(fā)射，開啟發(fā)射輸出后檢測(cè)發(fā)射回路的電流值，在檢測(cè)到電流值超過本安電流限定值時(shí)，切斷發(fā)射回路[7]。然而，在進(jìn)行電法監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)，場(chǎng)源信號(hào)需要在所有監(jiān)測(cè)電極間輪循，且由于監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，不同場(chǎng)源發(fā)射電極間的接地電阻差異較大且隨時(shí)間變化。為了使發(fā)射回路正常工作，現(xiàn)有技術(shù)會(huì)根據(jù)采前測(cè)試情況在發(fā)射輸出端與發(fā)射電極之間串接1 個(gè)較大且固定阻值的接入電阻，使發(fā)射回路的電流值始終穩(wěn)定在本安限流值以下。采用這種固定阻值接入電阻的方式，受操作人員主觀判斷影響較大，且不能根據(jù)不同發(fā)射電極間接地電阻變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

為解決上述的現(xiàn)實(shí)問題，設(shè)計(jì)了一種本安型場(chǎng)源發(fā)射裝置，實(shí)現(xiàn)了電法監(jiān)測(cè)場(chǎng)源信號(hào)自適應(yīng)發(fā)射電極接地電阻的本質(zhì)安全輸出，滿足了本安限制條件下的最大功率信號(hào)發(fā)射，使場(chǎng)源能量最大化加載至目標(biāo)監(jiān)測(cè)地質(zhì)體來獲得盡可能強(qiáng)的場(chǎng)源響應(yīng)信號(hào)，從而提升電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，提高反演解釋的準(zhǔn)確性，指導(dǎo)采煤過程的水害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制[8]。

1 裝置整體設(shè)計(jì)

自適應(yīng)接地電阻的本安型電法監(jiān)測(cè)場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射裝置整體設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 自適應(yīng)接地電阻的本安型電法監(jiān)測(cè)場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射裝置整體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of intrinsically safe field source signal transmission device with adaptive grounding resistance

自適應(yīng)接地電阻的本安型電法監(jiān)測(cè)場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射裝置的關(guān)鍵功能模塊包括：主控MCUSTM32F407、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流步進(jìn)電機(jī)、圓盤可調(diào)滑動(dòng)變阻器、場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射模塊、電極控制器即4×32 矩陣開關(guān)、MOSFET 開關(guān)、取樣電阻和監(jiān)測(cè)電極組。

裝置通過STM32F407 與DP83848 以太網(wǎng)PHY控制器構(gòu)建TCP/IP 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置與地面服務(wù)器的遠(yuǎn)程通信。STM32 通過采集取樣電阻（10 Ω1%精度的無感電阻）的電壓值，進(jìn)而計(jì)算監(jiān)測(cè)電極組中作為電法場(chǎng)源發(fā)射的某一對(duì)電極之間的電流作為發(fā)射電流值，用以設(shè)定本安限流值；并執(zhí)行PID 反饋算法不斷比較發(fā)射電流值與本安限流值，根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的PWM 脈沖控制信號(hào)及正反轉(zhuǎn)方向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整圓盤可調(diào)滑動(dòng)變阻器的阻值來改變發(fā)射回路間的接入電阻阻值；STM32 也用以產(chǎn)生場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射模塊、開關(guān)矩陣模塊和MOSFET 開關(guān)分別所需的控制邏輯信號(hào)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和直流步進(jìn)電機(jī)為圓盤可調(diào)滑動(dòng)變阻器的控制機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行主控芯片發(fā)送的電平信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，并將主控芯片PWM 脈沖控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)所需要的強(qiáng)電流信號(hào)，帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)控制滑動(dòng)變阻器懸臂，通過懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)改變自身電阻值構(gòu)成電法場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射回路中的可控接地電阻?？紤]煤層視電阻率、發(fā)射場(chǎng)源電壓、限流值及本安功率限制器件工作功率不大于其額定功率的2/3 的要求，可控接地電阻阻值可變范圍為1～1 680 Ω，功率不小于15 W。

場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射模塊將STM32 產(chǎn)生的場(chǎng)源波形控制邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)地為正負(fù)電壓的高電壓方波場(chǎng)源輸出信號(hào)，邏輯信號(hào)通過信號(hào)隔離器載波后重構(gòu)控制橋式整形電路，實(shí)現(xiàn)輸入邏輯信號(hào)與輸出高壓信號(hào)的隔離，以滿足本安回路之間的隔離耐壓要求。

電極控制器實(shí)現(xiàn)4×32 矩陣開關(guān)的控制功能，實(shí)現(xiàn)任意4 選32 邏輯開關(guān)。根據(jù)地面服務(wù)器命令，選通監(jiān)測(cè)電極組中2 個(gè)監(jiān)測(cè)電極對(duì)應(yīng)連接場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射模塊的高壓輸出端，選出的監(jiān)測(cè)電極作為場(chǎng)源AB 極發(fā)射電極（其中B 極也可為一無窮遠(yuǎn)電極形成近點(diǎn)源場(chǎng)源），與MOSFET 開關(guān)、可調(diào)滑動(dòng)變阻器、取樣電阻形成場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射通道回路。

2 裝置控制流程

在進(jìn)行電法監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)電極需要通過打孔或采用錨進(jìn)工藝打入煤層底板，保證電極與底板巖層的良好耦合。常見的煤層底板巖層有砂巖、礫巖、黏土巖、泥質(zhì)巖、粉砂巖或石灰?guī)r，其視電阻率范圍為101～104Ω·m，為適應(yīng)不同的底板巖層類型，電法監(jiān)測(cè)場(chǎng)源信號(hào)選擇峰值為100 V 高壓過零點(diǎn)交流信號(hào)。根據(jù)GB/T 3836.4—2021《爆炸性環(huán)境第4 部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》附錄A- “本質(zhì)安全電路的評(píng)定”中關(guān)于串聯(lián)限流電阻構(gòu)成的簡(jiǎn)單電路參考曲線可知，當(dāng)直流電壓為100 V 時(shí)，I 類設(shè)備的最小點(diǎn)燃電流為90 mA，采用1.5 倍的安全系數(shù)，其發(fā)射電流不超過90 mA/1.5=60 mA，即本裝置合理的本安參數(shù)應(yīng)定為：輸出電壓100 V；輸出電流60 mA。以此參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，主動(dòng)將裝置的限流值Ilim設(shè)置為59.5 mA 進(jìn)行電流比較運(yùn)算，即可保證發(fā)射電氣端口的本質(zhì)安全。場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射裝置控制流程如圖2[9]。

圖2 場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射裝置控制流程Fig.2 Control process of field source signal transmission device

首先，在電法監(jiān)測(cè)裝備、監(jiān)測(cè)線纜及電極現(xiàn)場(chǎng)布置完成后，進(jìn)行初始化操作，控制步進(jìn)電機(jī)將圓盤可調(diào)滑動(dòng)變阻器懸臂置位為阻值最大狀態(tài)1 680 Ω，即可保證回路發(fā)射電流不超過100 V/1 680 Ω=59.5 mA，在本安電流限定值范圍內(nèi)。隨后，根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，發(fā)射波形可設(shè)置為單頻方波、甚低頻直流波、2n序列或m序列偽隨機(jī)多頻波，確定發(fā)射電極、發(fā)射極距、發(fā)射步距等參數(shù)，開啟場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射。開啟發(fā)射后，裝置主控MCU 對(duì)取樣電阻上的電壓進(jìn)行采集，通過信號(hào)放大方式計(jì)算取樣電阻上的電壓值Ur，根據(jù)電壓值Ur計(jì)算此時(shí)發(fā)射回路中的發(fā)射電流值Ir=Ur/10 Ω。主控MCU 比較發(fā)射電流值Ir與設(shè)置的主動(dòng)限流值Ilim，若IrIlim，因?yàn)榈? 對(duì)發(fā)射電極為初始狀態(tài)，可判斷圓盤可調(diào)滑動(dòng)變阻器發(fā)生故障，此時(shí)控制MOSFET 柵極低電平，關(guān)斷發(fā)射回路，并給上位機(jī)發(fā)送故障指令；當(dāng)發(fā)射電極切換時(shí)（即不是初始發(fā)射電極），比較判斷Ir>Ilim時(shí)，則首先控制MOSFET 柵極低電平，關(guān)斷發(fā)射回路，然后主控MCU 向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM 脈沖控制信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤可調(diào)滑動(dòng)變阻器的懸臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，增加發(fā)射回路中的接入電阻Rt，形成負(fù)反饋型控制邏輯,直至發(fā)射電路中的發(fā)射電流值Ir接近且小于Ilim。這樣裝置通過控制步進(jìn)電極轉(zhuǎn)動(dòng)角度即可調(diào)節(jié)發(fā)射回路間接入電阻阻值，不斷逼近設(shè)定的本安限流值，此時(shí)保持滑動(dòng)變阻器懸臂，上位機(jī)記錄發(fā)射電流值，當(dāng)所有處于接收狀態(tài)的電極完成數(shù)據(jù)采集后，停止場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射，切換至下一對(duì)發(fā)射電極。

3 場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射模塊

場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射模塊執(zhí)行主控MCU 發(fā)來的控制邏輯信號(hào)，并將控制邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)地為正負(fù)電壓的雙極性高電壓方波場(chǎng)源輸出信號(hào)，同時(shí)滿足GB3 836.4—2021 中關(guān)于本質(zhì)安全電路應(yīng)于其他電路充分隔離的相關(guān)要求。模塊包括隔離驅(qū)動(dòng)電路、升壓全橋變換電路等功能電路組成，其中全橋變換電路的輸出端子A/B，連接電極控制器選通的32 個(gè)監(jiān)測(cè)電極組中的某1 對(duì)電極，這1 對(duì)電極即為電法場(chǎng)源發(fā)射信號(hào)的發(fā)射電極A 及發(fā)射電極B（B 也可為1 個(gè)無窮遠(yuǎn)電極）。

3.1 隔離驅(qū)動(dòng)電路

隔離驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3。

圖3 隔離驅(qū)動(dòng)電路原理Fig.3 Principle of isolation drive circuit

場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射模塊隔離驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)與本安發(fā)射回路的充分隔離。與門一端輸入F1、F2是場(chǎng)源發(fā)射波形的邏輯控制信號(hào)，來自MCU 控制器STM32F407，相互反相；與門的另一輸入來自晶體振蕩器，實(shí)現(xiàn)邏輯控制信號(hào)的調(diào)制。具體的，當(dāng)F2為高電平F1為低電平期間，U1A輸出為經(jīng)調(diào)制的F2。當(dāng)調(diào)制信號(hào)在上升沿時(shí)，經(jīng)阻容加速電路，使三極管Q2的基極電流迅速增大，進(jìn)入飽和區(qū)，隔離變壓器T1處于工作狀態(tài)；當(dāng)調(diào)制信號(hào)在下降沿時(shí)，基極電流消失，Q2進(jìn)入截至區(qū)，T1不工作。這樣，信號(hào)隔離變壓器就處于震蕩工作狀態(tài)，使直流邏輯控制信號(hào)F2變?yōu)榻涣餍盘?hào)，再通過整流橋及濾波電路使MOS 管控制信號(hào)完全恢復(fù)為F2的邏輯，這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電源部分邏輯控制信號(hào)與高壓輸出部分MOS 管信號(hào)的隔離。當(dāng)R2上端電位為高電平時(shí)，Q1（PNP 管）為截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)MOS1 G 為高電平；當(dāng)R2上端電位為低電平時(shí)，Q1（PNP 管）為飽和狀態(tài)，C1通過Q1放電，使MOS1 G 迅切換為低電平，使得發(fā)射信號(hào)死區(qū)時(shí)間大大降低。MOS1 G～MOS4 G 分別為逆變橋中4 個(gè)N 溝道增強(qiáng)型MOSFET 管的柵極，這樣使MOS1、MOS4 完全按照F2的邏輯工作，MOS2、MOS3 完全按照F1的邏輯工作，完成隔離驅(qū)動(dòng)功能。

3.2 升壓全橋變換電路

升壓全橋變換電路原理圖4。

圖4 升壓全橋變換電路原理Fig.4 Principle of booster full-bridge converter circuit

場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射模塊升壓全橋變換電路由升壓DC-DC 變換器及4 個(gè)MOSFET 管組成，實(shí)現(xiàn)高壓發(fā)射場(chǎng)源信號(hào)的雙極性交流輸出。在全橋變換電路中，MOS1 和MOS4 為1 組，MOS2 和MOS3為1 組。隔離驅(qū)動(dòng)電路中控制信號(hào)F2控制MOS1 和MOS4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，F(xiàn)1控制MOS2 和MOS3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)F2為高電平時(shí)，MOS1 和MOS4柵源極電壓大于其開啟電壓，兩管導(dǎo)通，此時(shí)F1為低電平，MOS2 和MOS3 關(guān)斷，發(fā)射電流由FA流向FB；反之，F(xiàn)2為低電平，F(xiàn)1為高電平期間，發(fā)射電流由FB 流向FA。這樣就在發(fā)射電極中產(chǎn)生了雙極性的發(fā)射信號(hào)，雙極性的信號(hào)減小了直流偏置對(duì)發(fā)射信號(hào)的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。高壓信號(hào)由定制的升壓DC-DC 模塊產(chǎn)生，值得提及的是，當(dāng)MCU 檢測(cè)到發(fā)射回路電流超過了Ilim時(shí)，也會(huì)使DC-DC 的COT 引腳置位為低電平，停止DC-DC 工作，切斷高壓信號(hào)，保證裝置的本質(zhì)安全。

在實(shí)際的電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置時(shí)，發(fā)射電極通過監(jiān)測(cè)大線連入發(fā)射電路。這根長(zhǎng)直導(dǎo)線通過交流電流后，會(huì)在導(dǎo)線周圍感應(yīng)出1 個(gè)交變的磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)使導(dǎo)線產(chǎn)生自感，由于電感的影響存在，全橋發(fā)射電路在方波電流的下降沿會(huì)出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象。設(shè)計(jì)MOSFET 管漏源極并連RC 電路釋放過沖電壓，使MOSFET 管安全工作，并減小關(guān)斷時(shí)間。

4 電極控制模塊

電極控制模塊電路原理如圖5[10]。電極控制器主要由譯碼電路和4×32 矩陣開關(guān)電路組成，用以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)電極與監(jiān)測(cè)主機(jī)信號(hào)接收通道、場(chǎng)源發(fā)射信號(hào)的靈活選擇。

圖5 電極控制模塊電路原理Fig.5 Principle of electrode control module circuit

矩陣開關(guān)電路由130 個(gè)單刀單置型干簧管繼電器組成，可將場(chǎng)源發(fā)信號(hào)發(fā)射模塊輸出端FA、FB，監(jiān)測(cè)主機(jī)信號(hào)接收通道M、N 切換到32 個(gè)監(jiān)測(cè)電極上的任意4 個(gè)電極，也可將FB、N 切換到無窮遠(yuǎn)電極，使得監(jiān)測(cè)裝置具備任意跑極功能。

繼電器選用英國(guó)Pickering 公司生產(chǎn)的 116 系列116-1-A-5/2D 常開型干簧管繼電器，該繼電器體積為3.7 mm×12.5 mm，開關(guān)速度<10 ms，最大承載電流1 A，最大承載電壓220 VDC/150 VAC，電氣隔離性能為550 VDC 60 s。在工作于100 V時(shí)（發(fā)射場(chǎng)源信號(hào)電壓），工作電流僅為10 mA，可由譯碼器直接驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度。并且內(nèi)置防反沖保護(hù)二極管，只需在控制端再并聯(lián)1 個(gè)二極管，就可滿足本安設(shè)備關(guān)于繼電器使用時(shí)二級(jí)保護(hù)的要求，這樣即可有限的PCB 面積上緊湊布置繼電器陣列，縮小布板面積，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的小型化。由于主控芯片I/O 口有限，通過片選信號(hào)控制8 片74HC154高速CMOS 4 至16 譯碼器，即可使用24 個(gè)通用I/O口實(shí)現(xiàn)132 個(gè)繼電器狀態(tài)控制，滿足設(shè)計(jì)需求。

5 裝置控制軟件

為了對(duì)電法監(jiān)測(cè)場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射裝置進(jìn)行協(xié)議調(diào)試和性能測(cè)試，采用C#語(yǔ)言開發(fā)了裝置的功能測(cè)試軟件。

軟件具備網(wǎng)絡(luò)通信與配置、本安限流值設(shè)置、場(chǎng)源信號(hào)波形設(shè)置、發(fā)射電極控制、電極復(fù)位、發(fā)射電流計(jì)算、協(xié)議命令交互顯示及繼電器自動(dòng)跑極測(cè)試等功能。通過對(duì)取樣電阻上的電壓計(jì)算也可實(shí)現(xiàn)發(fā)射波形顯示，可對(duì)裝置進(jìn)行完整的功能測(cè)試，性能檢驗(yàn)和裝置標(biāo)定。

6 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)接地電阻的本安型電法監(jiān)測(cè)場(chǎng)源信號(hào)發(fā)射裝置，該裝置通過計(jì)算場(chǎng)源發(fā)射電極間的電流，控制步進(jìn)電極轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)射回路間接入電阻阻值，使其不斷逼近設(shè)定的本安限流值。

應(yīng)用該裝置，可在進(jìn)行電法監(jiān)測(cè)過程中切換場(chǎng)源發(fā)射電極時(shí)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)不同發(fā)射電極間的接入電阻，使不同電極間發(fā)射電流始終穩(wěn)定在接近本安限流值以下；可使電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分利用本安限制條件下的最大場(chǎng)源發(fā)射功率，以便得到可靠的接收數(shù)據(jù)，從而得到可信的反演解釋結(jié)果，降低水害事故的發(fā)生，具備推廣應(yīng)用價(jià)值。