CN204118765U - 本质安全型有源加速度微地震传感器电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种本质安全型有源加速度微地震传感器电源。以往开展微地震监测时一般使用普通速度型传感器，其灵敏度和分辨率较低。有源传感器的性能较普通传感器有很大提高，其灵敏度可以提高1-2个数量级。但是，它需要提供电源，特别是在煤矿井下存在危险爆炸气体情况下，对电源安全性具有很高要求。本电源利用锂电池外保护电路板和限流电阻实现限流保护，使电源达到本质安全要求，在实现防爆功能的同时，实现防尘、防水、防静电和抗冲击等功能，从而解决Ⅰ类爆炸性环境中有源传感器供电问题。其结构主要包括防护外壳、锂电池外保护电路板、锂电池组、电源I/O和传感器信号过路I/O接口、电源指示灯等部件。

Description

本质安全型有源加速度微地震传感器电源

技术领域

本发明涉及煤矿安全监测技术领域，具体涉及微地震监测仪器设备研制问题。 

背景技术

在煤矿安全监测中，微地震监测技术可以用于覆岩破裂灾变机理分析、冒落带与裂隙带高度观测、冲击地压预测预报、煤层顶板或底板突水预测等重要课题。以往开展微地震监测时一般使用普通的速度型传感器，其灵敏度和分辨率较低。为提高微地震监测技术效果，采用有源加速度微地震传感器（简称有源传感器）能发挥重要作用。有源传感器与普通传感器相比较具有高信噪比、高灵敏度、高分辨率等优越特性，特别是其灵敏度可以提高1-2个数量级。但是，有源传感器的控制电路必须提供电源才能正常工作。如果在煤矿井下存在危险爆炸气体情况下，对电源的安全性具有很高要求，这为有源传感器的应用增加了一定难度。考虑煤矿井下环境等特殊问题，需设计一种具有防爆、防尘、防水、防静电及抗冲击等性能的本质安全型专用电源。本实用新型提供了一种本质安全型专用电源技术设计方案。 

发明内容

发明创造的目的

本实用新型设计的目的是解决煤矿Ⅰ类爆炸性气体环境中有源传感器的供电问题。本电源主要实现本质安全性要求及防尘、防水、防静电和抗冲击等功能，同时，应用中要具有方便性和实用性，从而为实现加速度微地震监测技术在煤矿井下环境中的应用提供一种必要的设备。

技术方案

电源整体设计必须符合GB3836.4《爆炸性环境 第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》有关规定。设计的主要原则是：

（1）根据电气设备规定的保护等级和级别，在考虑安全系数后，对电路进行实验或评定时，不得发生火花点燃；

（2）本质安全设备的温度组别应满足相对应保护等级和级别的规定，以避免热表面引起点燃；

（3）本质安全电路应与其他电路充分隔离。

按照以上要求，设计一种本质安全型有源加速度微地震传感器电源，由防护外壳、锂电池外保护电路板（简称保护板）、锂电池组、航空接口、电源指示灯几部分组成。 

1、防护外壳 

防护外壳形状一般为长方体，见附图1，可分解成防护壳体（4）与防护壳盖（5）两部分，采用螺丝连接。防护壳体与防护壳盖设计见附图2至附图7。

壳体部分含有2个腔体，分别是电池安装腔（8）、浇封腔（6），中间由隔板分隔；电池安装腔（8）用于安装锂电池组；浇封腔（6）用于浇注绝缘密封材料，避免接口渗水；浇封腔（6）外侧安装有2个航空接口，分别为接口 I（1）、接口II（2），另外安装有电源指示灯（3）；浇封腔（6）内部设计有电池外保护板插槽（7），用于安装保护板。 

防护壳盖（5）结合面设计有密封槽（9），其中安装有密封胶条，具有防尘、防水功能。利用浇封腔（6）绝缘密封材料和防护壳盖密封槽（9），防护外壳整体防尘、防水效果可达到IP67等级，保证在1m深度水下不进水。 

防护外壳制造材料要求具有抗静电特性，防止意外碰撞而产生电火花，而且还应具备一定的抗压、抗冲击、抗拉伸、抗弯曲等强度特性；如果使用有机材料最好还应具备绝缘、阻燃、无毒、抗老化、耐腐蚀等理化特性。 

2、锂电池组 

锂电池组首先要满足有源加速度微地震传感器的供电特性与要求。每个有源传感器需要采用双路直流电源供电，具有宽电压适应性，电压范围值分别是+6至+32V（伏）和-6至-32V（伏），每路工作电流小于5mA（毫安）。按照这一要求，锂电池共分为2组，分别构成正、负直流电源。

同时，根据《煤矿安全仪器仪表用锂离子蓄电池安全标志管理方案（暂行）-2009》，锂电池组必须满足以下基本要求： 

①锂电池除具有内部保护电路外，还应有外保护电路,具备防过充、过放、过流、短路等功能；当采用电池组供电方式时，还应有均衡充电、均衡放电功能；

②锂电池（组）应具有防反接功能；

③锂电池（组）与外保护电路应分腔设置，以保证一旦锂电池内部爆炸时不至破坏外保护电路；

④产品企业标准的技术要求中应明确锂电池（组）应符合GB3836.4-2000（注：最新版应为GB3836.4-2010）中7.4的各项规定，检验项目中应包括相应的项目。

3、锂电池外保护电路板 

保护板主要功能是利用限流保护电阻实现电源接口的本质安全性要求。限流保护是由两个阻值相等的电阻R1、R2分别与锂电池进行串联实现。保护板还设计有D1、D2开关二极管，其功能是实现快速充电，同时实现充电反极性保护。

锂电池外保护电路板的电路原理图见附图9。根据附图9所示的电路原理图，防护外壳上没有安装开关装置，只有通过外部插头将接口I（1）或接口II（2）的d、g针孔接线端连接起来后电源才能正常工作。 

4、电源指示灯 

电源指示灯（3）属于低功耗器件，用于显示电池电量，以便电池组充电维护。电源指示灯（3）固定在防护壳体（4）上，利用2芯导线同线路板连接。

防护外壳上没有安装开关装置，电源指示灯（3）的开关由电源接口 I（1）或接口II（2）的插头接入或拔出进行控制，接入时指示灯电路接通；拔出时指示灯电路断开。 

采用接口插头控制指示灯的优点是： 

1）当传感器插头拔出时指示灯电路断开，避免了电池组电量消耗。特别是电池组不工作而长期处于保管状态情况下，必须关闭指示灯；

2）采用接口控制指示灯可以省去在壳体上安装专用控制开关，这既提高了电源的本质安全性，又可简化设计方案。

5、接口 

防护外壳的壳体部分装有2个航空接口，分别为接口I（1）、接口II（2）。两接口均采用插孔插座形式，可以在电源空载时接口端子不容易出现意外接触，造成电路非正常连接。

接口I、接口II中都含有电源输出与充电插孔（e、f）、传感器信号过路输入与输出插孔（a、b、c）、电路控制插孔（d、g），两接口属于并联连接，针孔定义与功能完全一致（附图13）。 

接口I（1）或接口II（2）同时具备电源输出与充电、传感器信号过路输入与输出功能。这种设计的目的是传感器可采用单一接口与电源盒对接，电源盒可在传感器信号接收仪器（25）和传感器之间发挥“串行”作用，增加了使用的方便性。所谓串行作用如附图15、16所示。 

由于内部采取保护电路，在电源接口正常连接或接口端子意外连接规定故障时不会产生电火花；同时在电源盒遇到淋水或淹水（水深小于1m）情况下也不会产生电火花。 

传感器信号属于低电压、微电流安全信号，其电压值一般小于1V（伏），电流值一般小于1mA（毫安），不会具有产生电火花的危险性。 

接口I（1）、接口II（2）采用绝缘导线同保护板连接。 

有益效果

1、以上技术方案严格按照国标进行设计，满足本质安全型要求，可以在煤矿Ⅰ类爆炸性气体环境中使用；

2、本技术方案是一种专用仪器电源设备，其性能不能由其它通用设备代替；

3、本技术方案考虑了在加工制造、使用操作过程中的实用性和方便性。

附图说明

图1 电源防护外壳形状示意图。 

图2 防护壳体主视图。 

图3 防护壳体俯视图。 

图4 防护壳体左视图。 

图5 防护壳盖主视图。 

图6 防护壳盖俯视图。 

图7 防护壳盖左视图。 

图8 锂电池组安装夹板设计图。 

图9 锂电池外保护电路板电路原理图。 

图10 锂电池外保护电路板元件面布线图。 

图11 锂电池外保护电路板焊接面布线图。 

图12 锂电池外保护电路板元件布置图。 

图13 电源防护壳体接口I、接口II针孔定义图。 

图14 电源充电接口电路图。 

图15单个有源加速度微地震传感器电缆连接电路图。 

图16三分量有源加速度微地震传感器电缆连接电路图。 

图17多传感器不间断备用电源电缆连接电路图。 

附图中标号意义与说明：1. 航空接口I- 7孔面板插座，2. 航空接口II- 7孔面板插座， 3.电源指示灯，4.防护壳体，5.防护壳盖，6.浇封腔，7.电池外保护板插槽，8. 电池安装腔，9.密封槽，10. 航空接口I接线点，11. 航空接口II接线点，12.电源指示灯接线点，13.电池组I接线点，14.电池组II接线点，15. 航空接口I连线焊接孔，16. 航空接口II连线焊接孔，17.电源指示灯连线焊接孔，18.电池组I连线焊接孔，19.电池组II连线焊接孔，20. 本质安全型电源，21.专用地面充电器，22.交流电源插头，23.7针电缆插头，24. 专用充电电缆，25.传感器信号接收仪，26.单分量有源加速度微地震传感器，27.三分量有源加速度微地震传感器，28.微地震监测仪信号输入接口- 4孔面板插座，29.微地震监测仪信号输入接口- 4针电缆插头，30.隔爆兼本安型交流-直流转换电源，31.防爆接线盒， 32.多孔面板插座，33.多针电缆插头，34.多孔电缆插座，35. 7孔电缆插座，36.多芯电缆。 

7针孔航空接口接线定义（包括插头、插座）：a. 传感器信号X分量+, b. 传感器信号 Y分量+, c. 传感器信号Z分量+, d.地线, e. +12V(本安电源)/+15V(充电电源), f. -12V(本安电源)/-15V(充电电源), g. 地线。 

具体实施方式

1、防护外壳材料与形状 

防护外壳采用一种不饱和聚酯玻璃纤维增强塑料制造。这种材质添加了玻璃纤维作为增强材料，与普通的金属材料相比，不仅具有抗压、抗冲击、抗拉伸、抗弯曲和质量轻等优越特性，同时具有模塑温度低、成型时间短、模塑压力低、流动性好等许多优良的成型特性，而且作为电源外壳其材质还具备了高绝缘强度，阻燃、无毒耐腐蚀，高电容量，高耐电弧性等一系列优异的物理性能；同时，在注模时添加了防静电材料且在外壳表面喷涂了抗静电涂漆，在标准的实验条件下测得的表面绝缘电阻远小于1GΩ。

防护外壳形状为长方体，见附图1。外形尺寸为长126mm（毫米）、宽96mm（毫米）、高48mm（毫米）。防护壳体与防护壳盖设计见附图2至附图7。 

2、锂电池组 

根据有源加速度微地震传感器供电特性与要求，电源设计的最大输出电压值可以确定为+12V（伏）和-12V（伏），最大输出电流为0.6A（安培），可同时支持多个传感器工作。为有利于现场工作，在为单个传感器供电情况下，要求电池容量能持续工作10天以上，所以，每路电池容量应大于1200mAH（毫安时）。

设计选用18650型磷酸铁锂可充电电池组成锂电池组，每组4枚串联，其中包含内部保护电路。每组尺寸为长36mm（毫米）、宽36mm（毫米）、高70mm（毫米）。 

锂电池共分为2组，分别构成正、负直流电源，输出电压+12.8V /-12.8V。电池单体容量为1.6AH（安时），总容量12.8AH（安时）。 

考虑到安全性，锂电池组带有内保护电路和外部保护电路。锂电池组与外保护电路板分腔安装。利用锂电池组安装夹板和螺丝将锂电池组安装在电池安装腔（8）内。锂电池组安装夹板尺寸见附图8。 

3、锂电池外保护电路板 

在附图9电路原理图中，锂电池外保护电路板的限流保护电阻R1、R2的阻值是20Ω（欧姆），功率为20 W（瓦）。保护板还设计有D1、D2开关二极管，其功能是实现快速充电，同时实现充电反极性保护。

根据附图9设计的保护板印刷线路见附图10至附图12。其中线宽大于等于0.3mm、线间距大于等于1mm。线路板设计符合GB3836-2010《爆炸性环境用电气设备 第4部分：本质安全型“i”》有关规定,其中5.6.4部分表4中，规定Ⅰ类电气设备温度组别为T1-T4（最高环境温度为40℃）情况下，对于厚度为1. 6 mm及以上、单层铜箔厚度为33μm及以上的印制电路板， 0.3mm线宽最大允许电流为2.4A；6.3部分表5规定，当电压峰值处于10～30V时，导线间距（涂层下的爬电距离）最小值为0.7mm。 

保护板尺寸为长90mm（毫米）、宽35mm（毫米）。保护板安装在浇封腔（6）内的电池外保护板插槽（7）中，电池组连接导线从保护板引出至浇封腔(6)上部，然后进行整体浇封处理。 

4、电源指示灯 

电源指示灯（3）与电路原理图中的R3电阻串联，阻值为51K。

5、接口 

接口I（1）、接口II（2）型号选用Y50X-1007，属于7孔插座。两个接口采取内部并联连接，针孔定义与功能完全一致，可以互换使用，各针孔定义见附图13。

当电源电压（峰值）处于10V～30V之间时，按规定接口针孔电极间距应大于2mm。接口I（1）、接口II（2）针孔电极间距为2.2mm，满足本质安全性要求。 

6、应用方法 

（1）电源充电 

电源充电采用接口I（1）或接口II（2）进行，充电器连接电路见附图14。由于存在限流电阻，电源充电需采用专用地面充电器（21），输出电压为+15 V（伏）及-15V（伏）、输出电流为1A（安培）。电源充电必须在地面安全环境下进行。

必须按照要求在电源有效工作期内定期充电。当电源处于保管状态下，必须每隔3个月进行一次充电维护。 

（2）为单分量或三分量有源传感器供电 

本实用新型电源可以负责为单分量有源传感器（26）供电，也可以为三分量有源传感器（27）供电。从供电方面考虑，三分量有源传感器实际相当于3个单分量有源传感器。在为单分量或三分量有源传感器供电情况下，有源传感器信号可以经过电源盒形成串行连接。

在为单个有源传感器供电情况下，传感器信号接收仪（25）、本质安全型电源（20）、单分量有源传感器（26）之间的电路连接图见附图15。根据设计要求，在为单个有源传感器供电情况下，电源工作时间大于10天。 

在为三分量有源传感器(27)供电情况下，传感器信号接收仪（25）、本质安全型电源（20）、三分量有源传感器（27）之间的电路连接图见附图16。根据设计要求，在为三分量有源传感器（27）供电情况下，电源工作时间大于3天。 

（3）作为不间断备用电源 

在需要为多个有源传感器共同供电情况下，为避免本实用新型电源频繁充电，必须采用隔爆兼本安型交流-直流转换电源(30)为有源传感器供电。但是，由于煤矿井下经常出现停电维修情况，不能保证电网电源连续工作，这样会影响微地震监测工作的正常进行。这时，本实用新型电源可以同转换电源连接，作为不间断备用电源。

按设计要求本实用新型电源最多可以连接12个单分量有源传感器（26）或4个三分量有源传感器（27）。在停电情况下，电源工作时间大于1天。作为不间断备用电源的电路连接见附图17。 

Claims (4)

1.一种本质安全型有源加速度微地震传感器电源，由防护外壳、锂电池外保护电路板、锂电池组、航空接口、电源指示灯几部分组成，其特征在于，防护外壳包括壳体与壳盖两部分，采用螺丝连接；壳体部分含有电池安装腔、浇封腔，中间由隔板分隔；浇封腔外侧安装有2个航空接口，分别为接口I、接口II，另外安装有电源指示灯；浇封腔内部设计有电池外保护板插槽，安装有锂电池外保护电路板。

2.根据权利要求1所述的本质安全型有源加速度微地震传感器电源，其特征在于，限流保护是由两个阻值相等的电阻R1、R2分别与锂电池进行串联实现，锂电池外保护电路板还设计有D1、D2开关二极管。

3.根据权利要求1所述的本质安全型有源加速度微地震传感器电源，其特征在于，防护外壳上没有安装开关装置，电源及指示灯的开通与关闭由接口 I或接口II的插头接入或拔出控制。

4.根据权利要求1 所述的本质安全型有源加速度微地震传感器电源，其特征在于，接口I、接口II中都含有电源输出与充电插孔（e、f）、传感器信号过路输入与输出插孔（a、b、c）、电路控制插孔（d、g），两接口属于并联连接，针孔定义与功能完全一致。