CN102145308A

CN102145308A - 人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统

Info

Publication number: CN102145308A
Application number: CN2010101193817A
Authority: CN
Inventors: 张景昌; 董秀洁; 陈旭
Original assignee: Zhongyuan University of Technology
Current assignee: Zhongyuan University of Technology
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-08-10

Abstract

本发明公开了一种人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，它包括混合气体腔体以及位于混合气体腔体中的点火装置，点火装置由人体ESD模型控制并实施点火；混合气体腔体通过电磁阀与瓦斯罐相通；且混合气体腔体与氧气浓度传感器、瓦斯浓度传感器和温度传感器相连接，人体ESD模型、点火装置、氧气浓度传感器、瓦斯浓度传感器和温度传感器均与计算机控制系统相连接，计算机控制系统与显示装置相连接。本发明通过人体ESD模型激发混合气体腔体内的瓦斯爆炸，并通过红外瓦斯浓度传感器、红外线分析仪和氧气浓度传感器等精确地提供引爆瓦斯时的瓦斯浓度和氧气浓度，为煤矿环境中人体静电安全防护提供技术支持，为矿工防静电工作服的制作提供依据。

Description

人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统

技术领域

本发明属于一种模拟实验系统，具体地说是涉及一种寻找引爆瓦斯的人体最小放电电压、击穿场强及最易引爆瓦斯的浓度及其关联等的模拟实验系统。

背景技术

近几年来，煤矿事故不断发生，其中很多是由于瓦斯的爆炸引起的，而瓦斯的引爆有很多原因，人体静电放电是一个不可忽视的重要因素。煤矿工人井下作业时，人体处于不同的运动状态，动作时快时慢，多次测试表明：全副着装矿工服的工人做跌倒、脱衣等突然动作时，人体静电电位的峰值是同样着装做缓慢动作时电位峰值的十余倍。因此，在煤矿环境中，人体动态的静电放电要比井下绝缘材料的静电放电更具有危险性。

为治理煤矿静电引爆瓦斯的隐患，煤炭工业部制定了防静电标准。但该标准只是针对煤矿井下的各种材料和器材。虽然有矿工工作服但对人体静电带电电压和带电能量研究甚少。

在《中原工学院》2009年2月第20卷第一期公开的“煤矿环境人体动态静电放电模型”中，研究了不同环境条件中人体各种状态和不同动作速度变化下的人体动态放电模型及不同人体静电放电模型最易引爆瓦斯的条件，为整体实验系统的研究提供理论与实验依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，它针对煤矿狭窄坑道中人体电阻随人体电压的变化、人体电压波形随人体突然动作的变化及矿工着装进入煤矿狭窄坑道特殊环境中的人体电容，建立煤矿环境中人体动态静电放电模型，为煤矿的安全生产管理提供理论与实验依据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明包括混合气体腔体以及位于混合气体腔体中的点火装置，所述的点火装置由人体ESD模型控制并实施点火；所述的混合气体腔体通过电磁阀与瓦斯罐相通；且所述的混合气体腔体与氧气浓度传感器、瓦斯浓度传感器和温度传感器相连接，人体ESD模型、点火装置、氧气浓度传感器、瓦斯浓度传感器和温度传感器均与计算机控制系统相连接，计算机控制系统与显示装置相连接。

所述的混合气体腔体包括台面以及固定在台面上的实验腔体罩；在所述的实验腔体罩内设置保护罩，在保护罩内开有氧气进气孔和进气/回气孔，且实验腔体罩的两端设置泄压挡板。

所述的实验腔体罩为弧形有机玻璃腔体罩。

在所述的实验腔体罩的外围设置防护网罩，所述的防护网罩为厚度2mm的弧形不锈钢防护网罩。

所述泄压挡板为封闭在实验腔体罩两端的纸；所述的台面为不锈钢台面。

所述的人体ESD模型由多组电容、电阻组合构成。

所述的点火装置包括支架以及固定在支架上的点火电极，所述的点火电极通过人体ESD模型与高压电源相连接，高压电源和人体ESD模型均与点火控制器相连接。

所述的点火电极为两只尖锥形的不锈钢圆柱体，不锈钢圆柱体尖端之间的间隙为0.2～2mm。

所述的计算机控制系统包括主控制模块和检测控制模块；其中，主控制模块与点火控制器相连接。

所述的氧气浓度传感器、瓦斯浓度传感器和温度传感器和电磁阀均位于控制台中，控制台位于混合气体腔体的下方。

采用上述技术方案的本发明，通过人体ESD模型激发混合气体腔体内的瓦斯爆炸，并通过有精准的红外瓦斯浓度传感器、红外线分析仪和氧气浓度传感器等精确地提供引爆瓦斯时的瓦斯浓度和氧气浓度，为煤矿环境中人体静电安全防护提供科学技术支持，为矿工防静电工作服的制作提供依据。各个传感器均通向装有瓦斯的混合气体腔体内部，在腔体内装有人体ESD模型模拟点火装置，用单片机控制。可测在瓦斯浓度极限范围5％-15％内引爆瓦斯的不同人体放电电压，从而找出引爆瓦斯的人体最小放电能量、击穿场强及最易引爆瓦斯浓度。其中，红外线分析仪，可以每两年校准一次，氧气浓度传感器可以每半年校准一次，为实验提供非常便利的条件。

附图说明

图1为本发明整体结构原理图；

图2为本发明中控制台的结构原理图；

图3为本发明中点火装置的结构图；

图4为本发明中防护装置的结构图；

图5为本发明中点火装置的原理框图；

图6为本发明中点火装置的电路图；

图7为本发明中计算机控制系统的电路原理图；

图8为本发明中计算机控制系统的流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例包括混合气体腔体1以及位于混合气体腔体1中的点火装置13，其中人体ESD模型2对点火装置13实施点火，人体ESD模型2位于控制柜11内。在混合气体腔体1中存有瓦斯和空气混合而成的气体，其中混合气体腔体1通过电磁阀6与瓦斯罐7相通，这样，可通过控制电磁阀6使瓦斯罐7开通或关闭，以此来控制混合气体腔体1中的瓦斯含量。在本实施例中，人体ESD模型2为本领域普通技术人员所熟知的技术。

如图3所示，点火装置13包括支架9以及固定在支架9上的点火电极10，点火电极10通过人体ESD模型2与高压电源21相连接，高压电源21和人体ESD模型2均与点火控制器相连接。点火电极10为两只尖锥形的不锈钢圆柱体，两只不锈钢圆柱体之间的间隙为0.2～2mm之间可调。需要说明的是，间隙小所需要的放电能量小，放电时产生的火花也小，而间隙越大击穿两尖端之间的气体所需的能量就越大，放电时产生的火花也越大。所以本发明两只不锈钢圆柱体之间的间隙连续可调，从0.2mm至2mm。上述的高压电源21为500V～20KV电压连续可调，用来模拟人体运动产生的静电，其通过ESD人体放电模型连接到放电电极10上，该高压电源输出的电压由点火控制器控制其开通或关断，实现点火信号的控制。

如图4所示，在混合气体腔体1中设有氧气浓度传感器进气孔17、瓦斯浓度传感器进气/出气孔18和温度传感器5，且人体ESD模型2、点火装置13、氧气浓度传感器3、瓦斯浓度传感器4和温度传感器5均与计算机控制系统相连接，计算机控制系统与显示装置8相连接。这样，通过人体ESD模型进行模拟放电，氧气浓度传感器3、瓦斯浓度传感器4和温度传感器5实时采集混合气体腔体1中的各种数据，并把采集到的数据发送给计算机控制系统，经计算机控制系统处理后发送给显示装置8显示出来。在本实施例中，显示装置8为LED点阵显示屏，另外，还可以采用LCD液晶显示屏等等。

如图2所示，考虑到实验系统的方便性和安全性，氧气浓度传感器3、瓦斯浓度传感器4和温度传感器5和电磁阀6均位于控制台11中，控制台11位于混合气体腔体1的下方。控制台11可以为一个控制柜，控制柜中设有隔板，以此将各种仪器分隔开来。在本实施例中，氧气浓度传感器3的精度为1/1000；瓦斯浓度传感器4本实施例中采用的GXH-1050E型不分光式红外线分析仪，其精度1/10000，其光学系统由光源、气室和检测器三部分组成，最小量程0-50ppm，最大量程为0-100％，使用范围为0-20％；重复性＜1％；分辨率常量0.01％，微量1ppm；稳定性中重复漂移≤±1％ F S/7d，量程漂移≤±1％ FS/7d，线性误差：≤±1％ FS。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是，在本实施例中，如图2、图3、图4所示，混合气体腔体1包括台面14以及固定在台面14上的实验腔体罩15和温度传感器5，其中，温度传感器5可位于台面14上的任何一个地方，既可以位于实验腔体罩15内部，也可以位于防护罩16外部，它通过温度测量孔22与控制柜11相连接。人体ESD模型模拟点火装置13位于保护罩16内。在保护罩16外侧设置实验腔体罩15，在保护罩16内开有氧气进气孔17和瓦斯进气/回气孔18，且实验腔体罩15的两端通过侧面挡板19和密封垫23固定设置泄压挡板19，为更加简易，泄压挡板19可以为封闭在实验腔体罩15两端的纸，它能够在瓦斯引爆的实验中，起到迅速泄压的作用。

具体地说，保护罩16为弧形有机玻璃腔体罩，它采用5mm厚有机玻璃加工而成，用以保护瓦斯混合气体爆炸时不会有较强的冲击波进入进气孔，且该有机玻璃弧形腔体罩与台面14连成一体。这样，在温度传感器5、进气/回气孔18、氧气进气孔17上固定并密封气管和传感器后，将支架9连同实验腔体罩15一起用不锈钢螺栓12固定在台面14上。

需要指出的是，在本实验实施中，为提高整体的抗冲击性能，支架9采用有机玻璃，实验腔体罩15采用直径180mm，厚度8mm的有机玻璃保护罩；台面14为不锈钢台面。其中，台面14是整体不锈钢材质，再用2公分厚不锈钢钢板条用螺栓加固而构成，以确保腔体中瓦斯爆炸时不锈钢板下容器中的各电器设备和电子线路正常工作，以便使自动控制系统安全运行。当然，上述的支架9、小保护罩16、实验腔体罩15、台面14也可以采用其他的防爆型材质。

在本实施例中，ESD(Electrostatic Discharge)人体静电放电模型模拟点火装置13位于混合气体腔体1中，通过两锥形不锈钢尖端放电实施人体模型静电放电，氧气浓度由混合气体腔体1中空气中的氧提供，瓦斯浓度由瓦斯罐7提供，打开瓦斯罐7和各电源开关，对混合气体腔体1充气的同时，对人体ESD模型2充电，实验全过程均在计算机控制系统的控制下自动进行。在瓦斯浓度为5％-15％范围内对不同浓度区间，用人体ESD模型，实施放电引爆瓦斯，从而得到能引爆瓦斯的人体最小静电放电电压。

为便于研究不同环境条件中人体各种状态和不同动作速度变化下的人体动态放电模型及不同人体静电放电模型最易引爆瓦斯的条件，在实验中人体ESD模型2应包括多组电容、电阻组合。具体说明如下：

实验条件：环境湿度：52％，腔体温度22℃时测得的实验数据如表1所示：

序号	瓦斯浓度	氧气浓度	人体放电电容	人体放电电阻	放电间隙
							％	％	pF	Ω	mm
1	8.6	20.9	1800	336	0.3
						2	8.7	20.9	900	336	0.6
3	8.7	20.8	590	336	0.9
						4	8.7	20.8	470	336	0.9
5	8.7	20.8	280	336	1.2
						6	8.6	20.8	145	336	1.2
7	8.7	20.8	97	336	1.2

表1

由于静电能否引起瓦斯燃爆要取决于：①瓦斯浓度是否在爆炸极限范围；②静电放电能量是否大于瓦斯最小点火能量；③静电场强是否大于混合气体的击穿场强。根据本发明实验系统中测得的实验数据，则可计算出对应的人体静电电位u：

u \leq \sqrt{\frac{2 W}{C}},

其中，C为人体电容，W为瓦斯最小点火能量。

所以在实验时，人体ESD模型2可以采用表1中的任意一种组合。

如图7、图8所示，计算机控制系统包括主控制模块和检测控制模块。U3为数据采集模块，它负责将氧气浓度传感器3、瓦斯浓度传感器4和温度传感器5中获取的各种实时数据采集出来，并传送至单片机U1中，由单片机U1选择人体ESD模型中不同的人体电阻和电容，通过单片机控制多路电磁阀分别实现对腔体内的瓦斯浓度、混合气体温度、氧气含量的检测及屏幕显示。具体地说，单片机U1的输出管脚连接存储模块U2和光隔离芯片U7，其中，存储模块U2通过驱动模块U5A-U5D，U6A-U6D连接显示装置8，而经光隔离芯片U7处理过的信号传送至点火控制器，从而使高压电源接通或断开。

这样，当点火控制器接收到主控制模块的命令后，根据命令选取各种实验条件下的人体ESD模型、选择合适的放电能量并发出点火信号；人体ESD模型2多组不同组合的电阻、电容可以用来模拟各种条件下的人体电阻、人体电容；放电电极10是两只一端为尖锥形、长度50mm、直径5mm的不锈钢圆柱体，两者尖端相对安装在实验腔体内部，两尖端之间的距离可调节，放电电极和实验腔体之间绝缘，其圆柱形的一端通过导线分别连接到人体ESD模型；高压电源21可产生500V～20KV的电压，用来模拟人体运动产生的静电，其通过人体ESD模型连接到放电电极上，该高压电源输出的电压由点火控制器控制其开通或关断，实现点火信号的控制，其输出的电压值连续可调，用于选择合适的放电电压。

在进行人体静电放电引爆瓦斯模拟实验时，首先根据实验的需要调整好放电电极两尖端之间的间隙，范围在0.2mm～2mm之间。放电电极的间隙调整好后，封堵好实验腔体的快速泄压挡板19，由主控制模块控制打开瓦斯进气电磁阀6将瓦斯气体注入实验腔体，达到合适的浓度5％～15％范围内后关闭瓦斯进气电磁阀6，只有关闭进气阀的情况下才能进行点火引爆，电气上进行互锁，这就保证了实验的安全性。

其他技术特征与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1不同的是，在本实施例中，还可以在实验腔体罩15的外围设置防护网罩20，以确保腔体中瓦斯爆炸时实验人员的人身安全。其中，防护网罩20为厚度2mm的弧形不锈钢防护网罩。

其他技术特征与实施例1、实施例2相同。

Claims

1.一种人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：它包括混合气体腔体(1)以及位于混合气体腔体(1)中的点火装置(13)，所述的点火装置(13)由人体ESD模型(2)控制并实施点火；所述的混合气体腔体(1)通过电磁阀(6)与瓦斯罐(7)相通；且所述的混合气体腔体(1)与氧气浓度传感器(3)、瓦斯浓度传感器(4)和温度传感器(5)相连接，人体ESD模型(2)、点火装置(13)、氧气浓度传感器(3)、瓦斯浓度传感器(4)和温度传感器(5)均与计算机控制系统相连接，计算机控制系统与显示装置(8)相连接。

2.根据权利要求1所述的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：所述的混合气体腔体(1)包括台面(14)以及固定在台面(14)上的实验腔体罩(15)；在所述的实验腔体罩(15)内设置保护罩(16)，在保护罩(16)内开有氧气进气孔(17)和进气/回气孔(18)，且实验腔体罩(15)的两端设置泄压挡板(19)。

3.根据权利要求2所述的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：所述的实验腔体罩(15)为弧形有机玻璃腔体罩。

4.根据权利要求3所述的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：在所述的实验腔体罩(15)的外围设置防护网罩(20)，所述的防护网罩(20)为厚度2mm的弧形不锈钢防护网罩。

5.根据权利要求2所述的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：所述泄压挡板(19)为封闭在实验腔体罩(15)两端的纸；所述的台面(14)为不锈钢台面。

6.根据权利要求1所述的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：所述的人体ESD模型(2)由多组电容、电阻组合构成。

7.根据权利要求1所述的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：所述的点火装置(13)包括支架(9)以及固定在支架(9)上的点火电极(10)，所述的点火电极(10)通过人体ESD模型(2)与高压电源(21)相连接，高压电源(21)和人体ESD模型(2)均与点火控制器相连接。

8.根据权利要求7所述的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：所述的点火电极(10)为两只尖锥形的不锈钢圆柱体，不锈钢圆柱体尖端之间的间隙为0.2～2mm。

9.根据权利要求7所述的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：所述的计算机控制系统包括主控制模块和检测控制模块；其中，主控制模块与点火控制器相连接。

10.根据权利要求1所述的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统，其特征在于：所述的氧气浓度传感器(3)、瓦斯浓度传感器(4)和温度传感器(5)和电磁阀(6)均位于控制台(11)中，控制台(11)位于混合气体腔体(1)的下方。