背景技术
根据国际电工委员会(简称IEC)的定义,本质安全电路是指在规定的试验条件下,正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的***性气体混合物的电路。所谓本安电路就是通过限制电火花和热效应两个可能点燃源的能量来实现的。因此,本安防爆设备的设计必须从限制能量入手,将电路中的电压和电流限制在一个允许范围内,以保证设备在正常工作或发生短路或元器件损坏等情况下产生的电火花和热效应都不能引起其周围可能存在的危险气体***。对于一般电路来说,安全火花参数主要取决于电压(U)、电流(I)、电感(L)、电容(C)等。对电火花起主要作用的电容、电感电路的能量抑制和对热效应,即元件、导线、外金属壳的表面温度的抑制措施既成为本安电路所要解决的问题关键。本质安全电路是防爆电气设备中最安全的,因为即使在故障状态下,它也不会引起***,也就是从“本质”上是安全的,故称为本质安全型,简称本安型。
现有的电子***起爆***一般由******和控制引爆的一组电子***组成,电子***和***之间通常采用供电线和通信线复合使用的方式。采用储能电容储存控制芯片工作、点火药头所需的能量,使其只有在起爆准备(连接、检测、延期时间设定等)完成后,才处于待起爆状态。起爆时由***通过通信线发起爆准备信号,起爆***配合专用的具有特定编码程序的设备,由编码器识别不同位置的***,每发电子***都有自己的ID码,具有电子安全保险功能。现场设定起爆顺序和延时间隔,或采用固定延时时间的***,设置特定的起爆程序,以便达到预期的***破碎效果,减少震动、声响和其他危害。
在本发明中本安型电子***中设有储能电容、滤波电路及单片机控制电路、电子开关及点火器,单片机控制电路控制电子开关的通断以决定是否启动点火器工作从而是否引爆电子***。电子***中的点火电路中放电电流是在点火头的桥丝上流动,就是利用对电桥丝的加热来产生发火,引燃火药。
目前我国使用的电子***普遍存在以下问题,在某些特殊场合下不能达到本质安全的要求,比如在有易燃易爆气体环境下,对电弧、电火花的控制以及对元件、设备表面温度的控制方面都没有很好的或者成熟的涉及。而若在普通电子***的基础上引入一系列的本质安全手段便可有效的解决这种问题,而且实用、简单方便,容易推广。
我国对本质安全技术及理论方面的研究起步较晚,但发展很快。有关本质安全理论的研究,主要涉及到电气放电问题。本质安全电路的电弧、火花放电属于典型的低能放电(GB3836.4-2000中规定甲烷的最小点燃能量为525uJ,氢气的最小点燃能量为40uJ)。
目前国内外研究人员对于本质安全电路的研究,主要针对电感性电路,而对电容性电路的研究较少,原因有以下几方面:其一,实用的本质安全型电气设备中多含有电感性元件,即电感性电路较为常见;其二,电感性电路的断开放电对电路本质安全性能影响大;其三,人们认为电容电路的放电规律可以根据互易性由电感性电路得到。由于储能电容输出端存在较大的电容,电容放电时瞬间电流很大而且持续时间短暂,它对电路的本质安全有较大影响,因此有必要对电容性电路的放电特性进行进一步研究。
本安型电路有以下两方面的供电限制:1.采取措施杜绝外界干扰如电磁干扰、静电干扰、噪声干扰等通过继电或光电输出端耦合至电子元件中;2.限制储能电容放电电路的过电压及过电流。
本安型电子***中的储能电容在放电时电压是逐渐减小的,电流也是一个冲击型脉冲,先猛然增大再逐渐减小。这在电子***内部电路中是不允许的,因为冲击电流容易在电子元件如晶体管上发热,从而使***的壳温上升,必须加以抑制。严重时可以因过热击穿使电路发生故障而导致电子***不能起爆,但尽管这样,我们还要保证在故障状态下电子***不会误起爆,这就是本质安全的。
发明内容
本发明的目的是提供一种本安型电子***起爆***,其采用一系列本质安全手段,通过应用本安型电路限制了电子***的储能电容放电电压和电流在本质安全范围内,不会因元件发热或电弧电火花等引燃危险混合气体,也不会因故障使***发生误爆,从而提高了电子******的安全性,尤其适合矿用或有易燃易爆气体的特殊环境下的***。
为实现上述目的,本发明采取以下设计方案:
一种本安型电子***起爆***,由******及可受其控制引爆的一组电子***本体组成,各枚电子***的点火头连接在***点火控制电路中,并由微型单片机发控制信号来控制点火动作。电子***的内部主电路部分是具有本质安全性质的电路,包括有抗干扰电路、低压直流转换保护电路、稳压保护电路、浪涌保护电路、隔离稳压点火控制电路,其中:
电子***内置有储能电容,在电子***储能电容与单片机控制电路间加有浪涌保护电路,该浪涌保护电路的输出经电平转换单元电路再经MAX485芯片与单片机的串行接口进行通信,浪涌保护电路的输入端与储能电容的输出端连接;
在电子***储能电容与***点火头的电子开关间加有低压直流转换电路及稳压保护电路,低压直流转换电路的输入端接抗干扰电路的输出端,以便滤去电磁干扰及外部干扰等。低压直流转换电路的输出端接稳压保护电路的输入端,以便得到更稳定的直流电压;
在电子***储能电容与***点火头的电子开关间同时加有隔离稳压点火控制电路,储能电容放电时带有对电子元件有害的谐波,经浪涌保护电路滤去杂波后,接入***点火控制电路的输入端。
上述微型单片机的输出增加了控制******的引爆信号线FIRE,该信号线控制电子开关的动作。
本文所述的电子***的内部电路中是具有本安性质的电路,包括有储能电容电路、抗干扰电路、低压直流转换电路、浪涌保护电路、隔离稳压点火控制电路。其中在电子***的储能电容与单片机之间要加有浪涌保护电路,该浪涌保护电路的输出经电平转换单元再经MAX485芯片与单片机的串行接口进行通信,浪涌保护电路与储能电容的两端相连接;在电子***的储能电容与***点火器的电子开关间加有低压直流转换电路及稳压保护电路,储能电容放电后,经抗干扰电路,连接低压直流转换电路的输入端,之后再经稳压保护电路后即可为微型单片机提供低功耗的工作电压,单片机发点火器的引爆信号线FIRE控制电子开关动作;在电子***储能电容与***点火器的电子开关间同时加有隔离稳压点火控制电路,该电路由稳压元件LM317和光电耦合隔离器件构成。
浪涌主要指的是储能电容刚放电的瞬间产生的强力脉冲,由于电路本身的非线性可能有高于电源本身的脉冲,或者由于电源或电路中其它部分受到的本身或外来的尖脉冲干扰叫做浪涌。它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏,如PN结电容击穿,电阻烧断等等。故本发明加入浪涌保护电路就是为了杜绝此类现象的发生。
本发明的优点是:
(1)本发明利用RS-485通信协议,增加了多点、双向通信能力,具有高噪声抑制、宽共模范围、长传输距离、冲突保护等对组网非常有利的特性。允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围。RS-485总线采用平衡双绞线的形式,大大减小了外界的干扰,最大传输距离1219米,能够满足***的实际需要。
(2)本发明利用浪涌保护电路来滤除有害的高次谐波或脉冲,从而杜绝杂波或谐波引起的诸多不良反应(如串并联谐振引起的过电压、过电流、机械谐振等,从而引起过热、绝缘老化等危害,还能使电容器、晶体管等电子元件损耗增大甚至因过热击穿)。
(3)加入抗干扰电路可有效滤除噪声干扰、静电干扰和电磁干扰,进而接入低压直流变换稳压电路,为单片机提供低功耗的工作电压3.3V,减少了数字电路工作用储能电容的电流消耗,提高了***工作的整体可靠性;
(4)稳压隔离点火控制电路引入了光电耦合隔离器可有效滤除电路中的电磁干扰和静电干扰,提高了电子***的安全性。单片机引出的引爆信号线FIRE点火控制信号控制电子开关的通断进而控制整个放电电路,隔离了静电的影响,进一步提升了电子***的使用安全性。
(5)由于具有较好的本质安全保护措施,使得该电子***的应用简单、安全、可靠,使用场合更加广泛,使用过程更加安全。
具体实施方式
本发明本安型电子***所改进的是***内部分,***仍用现有的类型,电子***组和***共同构成起爆***。所述的一组电子***少则为一枚,多则可以是成千上万,甚至是数万个同时受控于******。
本发明的发明点在于可以基于现有的各类电子***的特点对各电子***内的点火控制***加以改进,通过增加设置本安电路使电子******整体性能更完善、使用更安全。
如图1所示,本发明本安型电子***本体的控制***由储能电容电路、单片机控制电路、抗干扰电路、低压直流转换电路、浪涌保护电路、隔离稳压点火控制电路等组成。其中:
在电子***储能电容和单片机控制电路间加有浪涌保护电路,该浪涌保护电路的输出经电平转换单元电路再经MAX485芯片接单片机控制电路的串行接口端,浪涌保护电路的输入端与储能电容的输出端连接;
在电子***储能电容与***点火器的电子开关间加有低压直流转换电路及稳压保护电路,在***起爆的过程中给点火电路提供稳定的低压直流电源。另外同时加有隔离稳压点火控制电路,储能电容放电后经浪涌保护电路后,连接点火控制电路的输入端。
本安型电子***浪涌保护电路主要有XTR106(精密电压/电流转换器)和整流桥组成。在精密电压/电流转换器XTR106的输入端并入整流桥路,且钳卫二极管D1加在精密电压/电流转换器XTR106输出的两端使电压为安全电平。精密电压/电流转换器XTR106的Vin+和Vin-端与RS-485总线的输入端相连,电组桥的1、3端并接在精密电压/电流转换器XTR106的Vin+和Vin-端。两个非线性元件电容C1和C2并接在输入电压的两端;精密电压/电流转换器XTR106的两Rg端接入一定值电阻R5,场效应管Q1的漏极接在精密电压/电流转换器XTR106的输出V+端;在V+和Io端接有输出电阻R6,在输出电阻R6两端并联旁路电容C3及钳卫二极管D1。
本安型电子***的稳压隔离电路由稳压元件LM317和光电耦合隔离器件构成,经稳压隔离后即连接点火头电子开关的点火电路。
图2至图6是实现本发明技术方案的具体实施例。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明,附图中所示应视为例示性,而非用以限制本发明的申请专利保护范围。
图2是本发明本安型电子***总电路原理图,是由图1所示的几个主要单元电路连接构成。
本发明本安型电子***核心主要是单片机微处理器组成的最小***,外部控制本安电子***的***通过RS-485总线与***内的微型单片机(选用C8051F系列)连接。RS-485总线采用二线(平衡双绞线)方式,二线制可实现真正的多点双向通信,与RS-422一样,其最大传输距离约为1219米,最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。传统的基于RS-232协议的通信由于传输距离短、速度慢、信号易受干扰等不足,使得其应用的局限性日益突出。而RS-485通信协议,增加了多点、双向通信能力,具有高噪声抑制、宽共模范围、长传输距离、冲突保护等对组网非常有利的特性。允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩展了总线共模范围。在单片机进行485通信时,必须对电平作转换。因为单片机与外设之间是RS-485网络,单片机侧信号经MAX485芯片后,从TTL电平转换为RS-485电平信号,因此必须再把RS-485信号转换成RS-232电平信号,二者才能正确通信。在本***采用DAC-8520转换器,把RS-485信号转换为RS-232信号,该转换器数据转换传输速度快,且不需要用户对其进行初始化和参数修改。
本发明电路中的抗干扰电路、低压直流变换保护稳压电路,尤其是隔离稳压电路均是限制冲击型电压电流的保护性电路,防止电磁干扰,静电干扰,噪声干扰等,这些均是本质安全型的手段。所谓本安电路就是通过限制电火花和热效应两个可能点燃源的能量来实现的。对于一般电路来说,安全火花参数主要取决于电压(U)、电流(I)、电感(L)、电容(C)等,对电火花起主要作用的电容、电感电路的能量抑制和对热效应,即元件、导线、外金属壳的表面温度的抑制措施既成为本安电路所要解决的问题关键,而电路中的电流和电压又是关键中的关键。所以,本发明的总体思路是通过一系列电路和措施来保证小电压低电流。
因此,进行电路设计时,应根据电路的特点和设计性能要求合理选择设计方案:
(1)最高表面温度(如壳温)的控制:设计本安电路时,必须保证其各部分元件及导线无论是正常状态还是故障状态下,它的最高表面温度不能大于其使用条件下温度组别所允许的温度。所以为了控制最高表面温度可采用下列措施来降低热效应,从而保证***性气体避免因接触到高于其自然温度的热表面可能引起的***。
(2)对设备内导线的选择:设计时要考虑导线自身的发热温度,也就是说需要考虑导线最大允许通过的电流。根据导线的最大允许电流选择与之合适的导线线径,同时也必须考虑印制板中的最小线宽。
通信总线RS-485如果距离长的话,常常会发生电压偏离,电平电压中含有有害的谐波,必须除掉,因为若输出电压中带有杂波或谐波可引起诸多不良反应,如串并联谐振引起的过电压、过电流、机械谐振等,从而引起过热、绝缘老化等危害,还能使电容器、晶体管等电子元件损耗增大甚至因过热击穿。而浪涌保护就是利用非线性元器件对高频(浪涌)敏感设计的保护电路,简单而常用的是并联大小电容或串联电感等。
图3是浪涌保护单元的电路图,RS-485总线的两端分别连接精密电压/电流转换器XTR106的Vin+和Vin-端,电组桥并接在精密电压/电流转换器XTR106的两端。非线性元件电容C1和C2便是对浪涌脉冲敏感的器件,另一个作用是还可作为旁路电容来减小或消除外来干扰,它们并接在输入电压的两端。精密电压/电流转换器XTR106的两Rg端接入定值电阻R5,场效应管Q1的漏极接在精密电压/电流转换器XTR106的输出V+端。使场效应管Q1在完全导通前有足够的时间工作在可变电阻区是该浪涌保护电路设计的关键。为使控制信号变为高频振荡信号,获得一个由低变高缓慢上升的电压V+,在输出电阻R6两端并联旁路电容C3,当信号为高电平时,R6两端电阻几乎为零,当信号为低电平时,旁路电容C3充电,V+逐渐上升,直至充电完成,此时V+是逐渐升高的。改变旁路电容C3的大小即可改变V+上升的速率,也就改变了场效应管工作在可变电阻区的时间,此举可有效减小浪涌电流。本电路中利用钳卫二极管D1来限制浪涌电压,同时,钳卫加在精密电压/电流转换器XTR106的电压为安全电平,利用四只二极管组成的整流桥路用以防止反向电压。
如图4所示,抗干扰电路主要作用是减小或消除电路中的噪声干扰、电路或人体所带的静电干扰、以及外界的电磁干扰等。非线性元件电容C1是滤除输入电压的干扰电压,非线性元件电容C2是滤除定值电阻R5的热噪声电压和输入电压的干扰电压。二极管VD1的作用是钳卫三极管VT1的基极电压在低电平,C3、C4和R6为去耦电路,隔离电压的前后极之间的影响,防止低频自激。MCS系列专用芯片有效减小电磁干扰,VD2、VD3为双重反向二极管,起保护作用,R9是三极管VT3的基极上拉电阻,通过R7、R9可调整三极管VT3的基极电位,使其具有合适的工作状态,D2是稳压管,保持三极管VT3的基极和发射极间的电压稳定。
低压直流转换稳压电路如图5示,其主要由过热保护、过流保护及稳压电路三个部分组成。
过热保护电路由R1、R2、VT1、VT2、VT3等组成。由于扩散电阻有正温度系数,而三极管基极和发射极间电压UBE具有负温度系数,一旦元件温度升高,R1和R2阻值增加,其电压也增加,钳卫三极管VT1导通,电压UBE1下降,钳卫三极管VT1电流增加,Ic1电流流过使其电压上升很快,同时UBE2和UBE3则随温度升高而下降。因此,通过VT2导通(正常情况下VT2截止)。VT2导通就直接控制三极管VT3的基极,使三极管VT3的基极电流减小,从而达到过热保护的目的。
过流保护主要由VT4、VT5、R4、R6、R7、R9等组成。正常情况下VT5和VT6处于截止状态,一旦输出电流增大时,将通过R9的电压增加,使VT5导通,并将注入VT7的电流经R4分流,迫使输出电流下降。同时由于R4上的电压增大VT4也将导通,又分流了VT2的集电极电流,进一步使输出电流下降,从而达到过流保护的目的。
稳压电路主要由VT8、VT9、R12、R13、R14、R16、R17等组成。若不接R14,当输入端加入不稳定的输入电压Ui时,由于调整管VT8基极流没有通路,因此晶体管VT8处于截止状态,整个电路不工作。R14起启动电路的作用。若接入电阻R14,电路有不稳定输入电压时,其工作顺序如下:
输入电压Ui正端,一方面电流由R12、R14流至Ui的负端,另一方面由VT8的射极经R14,流至Ui的负端,并且产生基极电流IB8和集电极电流Ic8。取样电阻R16和R17的两端即为输出电压,三极管VT9有基极电流IB9、集电极电流Ic9产生。由此可得出关系式IR13+IB8=Ic9+IR14
其中Ic9受输出电压Uo控制,当Ic9减小时,IB8也减小,当Ic9增大时,IB8也增大,即Ic9可控制IB8再去控制Uo,以达稳压的目的。当输出电压不稳定时,将发生如下的调整过程:若输出电压减小,则UB9和UE9均减小,且后者变化量大于前者,因为二极管VD1的动态电阻小。UBE9增大,基极电流IB9增大,所以集电极Ic9变大,又使得IB8变大,基极IB8的变化又引起集电极Ic9变大,最终再导致输出电压Uo升高,因此可使输出保持稳定。
当输出电压短路时,放大管和基准电路超出工作范围,VT9截止,因而使VT8截止,电阻R12便可实现过载保护的功能。例如,输入电压通过R12给E8点一个正电压,只要E8的电位比B2点的电位高,VT9就截止,而调整R12的阻值就可控制过载的保护值。
稳压元件LM317,调节输出电压为3.3V,使单片机工作在低功耗工作方式以降低电路的功耗。
稳压隔离电路(参见图6)是本安电路中的重要部分,作用是将电流电压限制在一定小的范围,但还能使点火器能点火工作。非线性元件电容C1并接在输入电压的两端,非线性元件电容C1一端接信号地,另一端连接钳卫二极管D1,钳卫二极管D1可起到缓冲电压的作用。电路中非线性元件电容C1作为接入稳压电路的旁路电容可减小或消除外部的干扰,钳卫二极管D1并接在三端稳压元件LM317的两端,适当增大非线性元件电容C2内阻可使储能电容释放能量时降低电容两端危险电压。让非线性元件电容C2必须通过限流电阻R2后才能发生放电,这样就限制了放电能量,可防止释放过电压。在三端稳压器的接地端接旁路电容C3,并使旁路电容C3另一端接信号地。光电耦合器的三极管的基极接地,集电极连接固定电阻R3和变阻器R4。负载RL和电子开关点火器连接成一个回路,由程序控制的定时器在某时刻发出引爆信号线FIRE脉冲信号使电子开关闭合即构成回路,储能电容释放能量,点火器点火引爆电子***。
三端稳压器输出可调稳压器的输出电压在1.2V~37V,输出电流在10mA-500mA。图中R1和可变电阻Rp组成输出可调电阻网络,为了能使电路中偏置电流和调整管的漏电流被吸收,设定R1为120~240Ω,通过R1泄放的电流为5~10mA。非线性元件电容C1的作用是用于抑制纹波电压,当非线性元件电容C1为10μF时,能提高纹波抑制比15db,旁路电容C3用于消震,缓冲冲击性电流,保证电路工作稳定。由于外接输出非线性元件电容C2,容易发生电容放电而损坏稳压器,则需接有保护二极管VD1,当非线性元件电容C2放电时,二极管VD1导通钳卫,使稳压器得到保护,VD2是为了防治调节端旁路电容C3放电时损坏稳压器时的保护二极管。使用光电耦合隔离器件可有效抑制前后电路的相互影响,尤其点火头电桥丝的加热,并且能有效抑制静电的产生,在***内静电是很危险的。
点火电路中放电电流是在电子***的桥丝上流动,就是利用对桥丝的加热来产生发火,引燃火药。但在实际应用中,一定要注意静电的影响,因为瞬间的静电可产生几千伏至几十千伏的超高压,使桥丝迅速发热而点燃火药,从而引发电子***的误***。所以,在脚线-壳体放电形式下,脚线与壳体间形成的静电势可能击穿脚线及引火头与外壳间的空气隙而放电。当引火药头外涂以导电漆后,脚线及引火药头与壳体间形成了一定的静电泄放通道,当脚线与壳体间的静电电势不太高时,静电通过导电漆泄放。只有在脚线与壳体间突然形成很高的静电势并且导电漆不足以立即泄放静电时.才能击穿脚线及引火药头与壳体问的空气隙,形成静电火花进而可能引发***误爆。所以,引火头部件涂以导电漆可在一定程度上提高***的抗静电能力。
本发明不仅具有上述安全措施,还在控制电路中增加了单片机控制******的引爆信号线FIRE,该信号线连接电子开关。电子开关是由三极管等类的电子元件组成的,正常状态下三极管是截止的,当引爆信号线FIRE发出高电平使其导通,此时,放电电路接通,点火电路开始工作,进而加热桥丝引爆***。而且,在引爆信号线FIRE发出高电平前电路是断开的,即使有高压静电也不会传到引火头一侧,因此本发明大大提高了电子******的安全性。