本質(zhì)安全型有源加速度微地震傳感器電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型是一種本質(zhì)安全型有源加速度微地震傳感器電源。以往開展微地震監(jiān)測時一般使用普通速度型傳感器，其靈敏度和分辨率較低。有源傳感器的性能較普通傳感器有很大提高，其靈敏度可以提高1-2個數(shù)量級。但是，它需要提供電源，特別是在煤礦井下存在危險爆炸氣體情況下，對電源安全性具有很高要求。本電源利用鋰電池外保護電路板和限流電阻實現(xiàn)限流保護，使電源達到本質(zhì)安全要求，在實現(xiàn)防爆功能的同時，實現(xiàn)防塵、防水、防靜電和抗沖擊等功能，從而解決Ⅰ類爆炸性環(huán)境中有源傳感器供電問題。其結(jié)構(gòu)主要包括防護外殼、鋰電池外保護電路板、鋰電池組、電源I/O和傳感器信號過路I/O接口、電源指示燈等部件。
【專利說明】本質(zhì)安全型有源加速度微地震傳感器電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤礦安全監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及微地震監(jiān)測儀器設(shè)備研制問題。

【背景技術(shù)】
[0002]在煤礦安全監(jiān)測中，微地震監(jiān)測技術(shù)可以用于覆巖破裂災(zāi)變機理分析、冒落帶與裂隙帶高度觀測、沖擊地壓預(yù)測預(yù)報、煤層頂板或底板突水預(yù)測等重要課題。以往開展微地震監(jiān)測時一般使用普通的速度型傳感器，其靈敏度和分辨率較低。為提高微地震監(jiān)測技術(shù)效果，采用有源加速度微地震傳感器(簡稱有源傳感器)能發(fā)揮重要作用。有源傳感器與普通傳感器相比較具有高信噪比、高靈敏度、高分辨率等優(yōu)越特性，特別是其靈敏度可以提高1-2個數(shù)量級。但是，有源傳感器的控制電路必須提供電源才能正常工作。如果在煤礦井下存在危險爆炸氣體情況下，對電源的安全性具有很高要求，這為有源傳感器的應(yīng)用增加了一定難度?？紤]煤礦井下環(huán)境等特殊問題，需設(shè)計一種具有防爆、防塵、防水、防靜電及抗沖擊等性能的本質(zhì)安全型專用電源。本實用新型提供了一種本質(zhì)安全型專用電源技術(shù)設(shè)計方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明創(chuàng)造的目的
[0004]本實用新型設(shè)計的目的是解決煤礦I類爆炸性氣體環(huán)境中有源傳感器的供電問題。本電源主要實現(xiàn)本質(zhì)安全性要求及防塵、防水、防靜電和抗沖擊等功能，同時，應(yīng)用中要具有方便性和實用性，從而為實現(xiàn)加速度微地震監(jiān)測技術(shù)在煤礦井下環(huán)境中的應(yīng)用提供一種必要的設(shè)備。
[0005]技術(shù)方案
[0006]電源整體設(shè)計必須符合GB3836.4《爆炸性環(huán)境第4部分:由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備》有關(guān)規(guī)定。設(shè)計的主要原則是:
[0007](I)根據(jù)電氣設(shè)備規(guī)定的保護等級和級別，在考慮安全系數(shù)后，對電路進行實驗或評定時，不得發(fā)生火花點燃；
[0008](2)本質(zhì)安全設(shè)備的溫度組別應(yīng)滿足相對應(yīng)保護等級和級別的規(guī)定，以避免熱表面引起點燃；
[0009](3)本質(zhì)安全電路應(yīng)與其他電路充分隔離。
[0010]按照以上要求，設(shè)計一種本質(zhì)安全型有源加速度微地震傳感器電源，由防護外殼、鋰電池外保護電路板(簡稱保護板)、鋰電池組、航空接口、電源指示燈幾部分組成。
[0011]1、防護外殼
[0012]防護外殼形狀一般為長方體，見附圖1，可分解成防護殼體(4)與防護殼蓋(5)兩部分，采用螺絲連接。防護殼體與防護殼蓋設(shè)計見附圖2至附圖7。
[0013]殼體部分含有2個腔體，分別是電池安裝腔(8)、澆封腔(6)，中間由隔板分隔；電池安裝腔(8)用于安裝鋰電池組；澆封腔(6)用于澆注絕緣密封材料，避免接口滲水；澆封腔(6)外側(cè)安裝有2個航空接口，分別為接口 I (I)、接口 II (2)，另外安裝有電源指示燈
(3);澆封腔(6)內(nèi)部設(shè)計有電池外保護板插槽(7)，用于安裝保護板。
[0014]防護殼蓋(5)結(jié)合面設(shè)計有密封槽(9)，其中安裝有密封膠條，具有防塵、防水功能。利用澆封腔(6)絕緣密封材料和防護殼蓋密封槽(9)，防護外殼整體防塵、防水效果可達到IP67等級，保證在Im深度水下不進水。
[0015]防護外殼制造材料要求具有抗靜電特性，防止意外碰撞而產(chǎn)生電火花，而且還應(yīng)具備一定的抗壓、抗沖擊、抗拉伸、抗彎曲等強度特性；如果使用有機材料最好還應(yīng)具備絕緣、阻燃、無毒、抗老化、耐腐蝕等理化特性。
[0016]2、鋰電池組
[0017]鋰電池組首先要滿足有源加速度微地震傳感器的供電特性與要求。每個有源傳感器需要采用雙路直流電源供電，具有寬電壓適應(yīng)性，電壓范圍值分別是+6至+32V(伏)和-6至-32V (伏)，每路工作電流小于5mA (毫安)。按照這一要求，鋰電池共分為2組，分別構(gòu)成正、負直流電源。
[0018]同時，根據(jù)《煤礦安全儀器儀表用鋰離子蓄電池安全標志管理方案(暫行)-2009》，鋰電池組必須滿足以下基本要求:
[0019]①鋰電池除具有內(nèi)部保護電路外，還應(yīng)有外保護電路，具備防過充、過放、過流、短路等功能；當采用電池組供電方式時，還應(yīng)有均衡充電、均衡放電功能；
[0020]②鋰電池(組)應(yīng)具有防反接功能；
[0021]③鋰電池(組)與外保護電路應(yīng)分腔設(shè)置，以保證一旦鋰電池內(nèi)部爆炸時不至破壞外保護電路；
[0022]④產(chǎn)品企業(yè)標準的技術(shù)要求中應(yīng)明確鋰電池(組)應(yīng)符合GB3836.4-2000 (注--最新版應(yīng)為GB3836.4-2010)中7.4的各項規(guī)定，檢驗項目中應(yīng)包括相應(yīng)的項目。
[0023]3、鋰電池外保護電路板
[0024]保護板主要功能是利用限流保護電阻實現(xiàn)電源接口的本質(zhì)安全性要求。限流保護是由兩個阻值相等的電阻R1、R2分別與鋰電池進行串聯(lián)實現(xiàn)。保護板還設(shè)計有D1、D2開關(guān)二極管，其功能是實現(xiàn)快速充電，同時實現(xiàn)充電反極性保護。
[0025]鋰電池外保護電路板的電路原理圖見附圖9。根據(jù)附圖9所示的電路原理圖，防護外殼上沒有安裝開關(guān)裝置，只有通過外部插頭將接口 I (I)或接口 II (2)的d、g針孔接線端連接起來后電源才能正常工作。
[0026]4、電源指示燈
[0027]電源指示燈(3)屬于低功耗器件，用于顯示電池電量，以便電池組充電維護。電源指示燈(3)固定在防護殼體(4)上，利用2芯導(dǎo)線同線路板連接。
[0028]防護外殼上沒有安裝開關(guān)裝置，電源指示燈(3)的開關(guān)由電源接口 I (I)或接口II (2)的插頭接入或拔出進行控制，接入時指示燈電路接通；拔出時指示燈電路斷開。
[0029]采用接口插頭控制指示燈的優(yōu)點是:
[0030]I)當傳感器插頭拔出時指示燈電路斷開，避免了電池組電量消耗。特別是電池組不工作而長期處于保管狀態(tài)情況下，必須關(guān)閉指示燈；
[0031]2)采用接口控制指示燈可以省去在殼體上安裝專用控制開關(guān)，這既提高了電源的本質(zhì)安全性，又可簡化設(shè)計方案。
[0032]5、接口
[0033]防護外殼的殼體部分裝有2個航空接口，分別為接口 I (I)、接口 II (2)。兩接口均采用插孔插座形式，可以在電源空載時接口端子不容易出現(xiàn)意外接觸，造成電路非正常連接。
[0034]接口 1、接口 II中都含有電源輸出與充電插孔(e、f)、傳感器信號過路輸入與輸出插孔(a、b、C)、電路控制插孔(d、g)，兩接口屬于并聯(lián)連接，針孔定義與功能完全一致(附圖13)。
[0035]接口 I (I)或接口 II (2)同時具備電源輸出與充電、傳感器信號過路輸入與輸出功能。這種設(shè)計的目的是傳感器可采用單一接口與電源盒對接，電源盒可在傳感器信號接收儀器(25 )和傳感器之間發(fā)揮“串行”作用，增加了使用的方便性。所謂串行作用如附圖15、16所示。
[0036]由于內(nèi)部采取保護電路，在電源接口正常連接或接口端子意外連接規(guī)定故障時不會產(chǎn)生電火花；同時在電源盒遇到淋水或淹水(水深小于Im)情況下也不會產(chǎn)生電火花。
[0037]傳感器信號屬于低電壓、微電流安全信號，其電壓值一般小于IV (伏)，電流值一般小于ImA (毫安)，不會具有產(chǎn)生電火花的危險性。
[0038]接口 I (I)、接口 II (2)采用絕緣導(dǎo)線同保護板連接。
[0039]有益效果
[0040]1、以上技術(shù)方案嚴格按照國標進行設(shè)計，滿足本質(zhì)安全型要求，可以在煤礦I類爆炸性氣體環(huán)境中使用；
[0041]2、本技術(shù)方案是一種專用儀器電源設(shè)備，其性能不能由其它通用設(shè)備代替；
[0042]3、本技術(shù)方案考慮了在加工制造、使用操作過程中的實用性和方便性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1電源防護外殼形狀示意圖。
[0044]圖2防護殼體主視圖。
[0045]圖3防護殼體俯視圖。
[0046]圖4防護殼體左視圖。
[0047]圖5防護殼蓋主視圖。
[0048]圖6防護殼蓋俯視圖。
[0049]圖7防護殼蓋左視圖。
[0050]圖8鋰電池組安裝夾板設(shè)計圖。
[0051]圖9鋰電池外保護電路板電路原理圖。
[0052]圖10鋰電池外保護電路板元件面布線圖。
[0053]圖11鋰電池外保護電路板焊接面布線圖。
[0054]圖12鋰電池外保護電路板元件布置圖。
[0055]圖13電源防護殼體接口 1、接口 II針孔定義圖。
[0056]圖14電源充電接口電路圖。
[0057]圖15單個有源加速度微地震傳感器電纜連接電路圖。
[0058]圖16三分量有源加速度微地震傳感器電纜連接電路圖。
[0059]圖17多傳感器不間斷備用電源電纜連接電路圖。
[0060]附圖中標號意義與說明:1.航空接口 1- 7孔面板插座，2.航空接口 I1- 7孔面板插座，3.電源指TjV燈,4.防護殼體,5.防護殼蓋,6.燒封腔,7.電池外保護板插槽,8.電池安裝腔，9.密封槽，10.航空接口 I接線點，11.航空接口 II接線點，12.電源指示燈接線點，13.電池組I接線點，14.電池組II接線點，15.航空接口 I連線焊接孔，16.航空接口 II連線焊接孔，17.電源指示燈連線焊接孔，18.電池組I連線焊接孔，19.電池組II連線焊接孔，20.本質(zhì)安全型電源，21.專用地面充電器，22.交流電源插頭，23.7針電纜插頭，24.專用充電電纜，25.傳感器信號接收儀，26.單分量有源加速度微地震傳感器，27.三分量有源加速度微地震傳感器，28.微地震監(jiān)測儀信號輸入接口 - 4孔面板插座，29.微地震監(jiān)測儀信號輸入接口 - 4針電纜插頭，30.隔爆兼本安型交流-直流轉(zhuǎn)換電源，31.防爆接線盒，32.多孔面板插座，33.多針電纜插頭，34.多孔電纜插座，35.7孔電纜插座，36.多芯電纜。
[0061]7針孔航空接口接線定義(包括插頭、插座):a.傳感器信號X分量+，b.傳感器信號Y分量+，C.傳感器信號Z分量+，d.地線，e.+12V(本安電源)/+15V(充電電源)，f.-12V(本安電源)/-15V(充電電源)，g.地線。

【具體實施方式】
[0062]1、防護外殼材料與形狀
[0063]防護外殼采用一種不飽和聚酯玻璃纖維增強塑料制造。這種材質(zhì)添加了玻璃纖維作為增強材料，與普通的金屬材料相比，不僅具有抗壓、抗沖擊、抗拉伸、抗彎曲和質(zhì)量輕等優(yōu)越特性，同時具有模塑溫度低、成型時間短、模塑壓力低、流動性好等許多優(yōu)良的成型特性，而且作為電源外殼其材質(zhì)還具備了高絕緣強度，阻燃、無毒耐腐蝕，高電容量，高耐電弧性等一系列優(yōu)異的物理性能；同時，在注模時添加了防靜電材料且在外殼表面噴涂了抗靜電涂漆，在標準的實驗條件下測得的表面絕緣電阻遠小于IGQ。
[0064]防護外殼形狀為長方體，見附圖1。外形尺寸為長126mm (毫米)、寬96mm (毫米)、高48mm (毫米)。防護殼體與防護殼蓋設(shè)計見附圖2至附圖7。
[0065]2、鋰電池組
[0066]根據(jù)有源加速度微地震傳感器供電特性與要求，電源設(shè)計的最大輸出電壓值可以確定為+12V (伏)和-12V (伏)，最大輸出電流為0.6A (安培)，可同時支持多個傳感器工作。為有利于現(xiàn)場工作，在為單個傳感器供電情況下，要求電池容量能持續(xù)工作10天以上，所以，每路電池容量應(yīng)大于1200mAH (暈安時)。
[0067]設(shè)計選用18650型磷酸鐵鋰可充電電池組成鋰電池組，每組4枚串聯(lián)，其中包含內(nèi)部保護電路。每組尺寸為長36mm (毫米)、寬36mm (毫米)、高70mm (毫米)。
[0068]鋰電池共分為2組，分別構(gòu)成正、負直流電源，輸出電壓+12.8V /-12.8V。電池單體容量為1.6AH (安時)，總?cè)萘?2.8AH (安時)。
[0069]考慮到安全性，鋰電池組帶有內(nèi)保護電路和外部保護電路。鋰電池組與外保護電路板分腔安裝。利用鋰電池組安裝夾板和螺絲將鋰電池組安裝在電池安裝腔(8)內(nèi)。鋰電池組安裝夾板尺寸見附圖8。
[0070]3、鋰電池外保護電路板
[0071]在附圖9電路原理圖中，鋰電池外保護電路板的限流保護電阻Rl、R2的阻值是20 Ω (歐姆)，功率為20 W (瓦)。保護板還設(shè)計有D1、D2開關(guān)二極管，其功能是實現(xiàn)快速充電，同時實現(xiàn)充電反極性保護。
[0072]根據(jù)附圖9設(shè)計的保護板印刷線路見附圖10至附圖12。其中線寬大于等于0.3mm、線間距大于等于1mm。線路板設(shè)計符合GB3836-2010《爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分:本質(zhì)安全型“i”》有關(guān)規(guī)定，其中5.6.4部分表4中，規(guī)定I類電氣設(shè)備溫度組別為T1-T4 (最高環(huán)境溫度為40°C)情況下，對于厚度為1.6 mm及以上、單層銅箔厚度為33 μ m及以上的印制電路板，0.3mm線寬最大允許電流為2.4A ；6.3部分表5規(guī)定，當電壓峰值處于10?30V時，導(dǎo)線間距(涂層下的爬電距離)最小值為0.7mm。
[0073]保護板尺寸為長90mm (毫米)、寬35mm (毫米)。保護板安裝在澆封腔(6)內(nèi)的電池外保護板插槽(7)中，電池組連接導(dǎo)線從保護板引出至澆封腔(6)上部，然后進行整體澆封處理。
[0074]4、電源指示燈
[0075]電源指示燈(3)與電路原理圖中的R3電阻串聯(lián)，阻值為51K。
[0076]5、接口
[0077]接口 I (I)、接口 II (2)型號選用Y50X-1007，屬于7孔插座。兩個接口采取內(nèi)部并聯(lián)連接，針孔定義與功能完全一致，可以互換使用，各針孔定義見附圖13。
[0078]當電源電壓(峰值)處于1V?30V之間時，按規(guī)定接口針孔電極間距應(yīng)大于2mm。接口 I (I)、接口 II (2)針孔電極間距為2.2mm，滿足本質(zhì)安全性要求。
[0079]6、應(yīng)用方法
[0080](I)電源充電
[0081]電源充電采用接口 I (I)或接口 II (2)進行，充電器連接電路見附圖14。由于存在限流電阻，電源充電需采用專用地面充電器(21)，輸出電壓為+15 V (伏)及-15V (伏)、輸出電流為IA (安培)。電源充電必須在地面安全環(huán)境下進行。
[0082]必須按照要求在電源有效工作期內(nèi)定期充電。當電源處于保管狀態(tài)下，必須每隔3個月進行一次充電維護。
[0083](2)為單分量或三分量有源傳感器供電
[0084]本實用新型電源可以負責(zé)為單分量有源傳感器(26)供電，也可以為三分量有源傳感器(27)供電。從供電方面考慮，三分量有源傳感器實際相當于3個單分量有源傳感器。在為單分量或三分量有源傳感器供電情況下，有源傳感器信號可以經(jīng)過電源盒形成串行連接。
[0085]在為單個有源傳感器供電情況下，傳感器信號接收儀(25)、本質(zhì)安全型電源
(20)、單分量有源傳感器(26)之間的電路連接圖見附圖15。根據(jù)設(shè)計要求，在為單個有源傳感器供電情況下，電源工作時間大于10天。
[0086]在為三分量有源傳感器(27)供電情況下,傳感器信號接收儀(25)、本質(zhì)安全型電源(20)、三分量有源傳感器(27)之間的電路連接圖見附圖16。根據(jù)設(shè)計要求，在為三分量有源傳感器(27)供電情況下，電源工作時間大于3天。
[0087](3)作為不間斷備用電源
[0088]在需要為多個有源傳感器共同供電情況下，為避免本實用新型電源頻繁充電，必須采用隔爆兼本安型交流-直流轉(zhuǎn)換電源(30)為有源傳感器供電。但是，由于煤礦井下經(jīng)常出現(xiàn)停電維修情況，不能保證電網(wǎng)電源連續(xù)工作，這樣會影響微地震監(jiān)測工作的正常進行。這時，本實用新型電源可以同轉(zhuǎn)換電源連接，作為不間斷備用電源。
[0089]按設(shè)計要求本實用新型電源最多可以連接12個單分量有源傳感器(26)或4個三分量有源傳感器(27)。在停電情況下，電源工作時間大于I天。作為不間斷備用電源的電路連接見附圖17。
【權(quán)利要求】
1.一種本質(zhì)安全型有源加速度微地震傳感器電源，由防護外殼、鋰電池外保護電路板、鋰電池組、航空接口、電源指示燈幾部分組成，其特征在于，防護外殼包括殼體與殼蓋兩部分，采用螺絲連接；殼體部分含有電池安裝腔、澆封腔，中間由隔板分隔；澆封腔外側(cè)安裝有2個航空接口，分別為接口 1、接口 II，另外安裝有電源指示燈；澆封腔內(nèi)部設(shè)計有電池外保護板插槽，安裝有鋰電池外保護電路板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的本質(zhì)安全型有源加速度微地震傳感器電源，其特征在于，限流保護是由兩個阻值相等的電阻Rl、R2分別與鋰電池進行串聯(lián)實現(xiàn)，鋰電池外保護電路板還設(shè)計有D1、D2開關(guān)二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的本質(zhì)安全型有源加速度微地震傳感器電源，其特征在于，防護外殼上沒有安裝開關(guān)裝置，電源及指示燈的開通與關(guān)閉由接口 I或接口 II的插頭接入或拔出控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的本質(zhì)安全型有源加速度微地震傳感器電源，其特征在于，接口 1、接口 II中都含有電源輸出與充電插孔(e、f)、傳感器信號過路輸入與輸出插孔(a、b、C)、電路控制插孔(d、g)，兩接口屬于并聯(lián)連接，針孔定義與功能完全一致。
【文檔編號】H02J7/00GK204118765SQ201420269837
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】張興民, 鮑攀, 王詩海 申請人:山東科技大學(xué)