自适应接地电阻的本安型电法监测场源信号发射装置设计

王冰纯

（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077）

煤炭是我国能源体系的基石，长期以来为经济发展和国家能源安全稳定提供了有力保障。目前煤炭绿色、高效、智能开采已成为行业风向，但安全生产仍然是煤炭行业所有从业人员面临的一大难题。煤矿水灾是煤矿的主要灾害之一，随着矿山资源开发向深部延伸，开采水文地质条件更加复杂，水害的威胁程度进一步加剧，煤矿井下电法监测技术因其对煤岩电阻率变化的高灵敏特点，逐步在突水风险较高的矿井进行推广应用[1-3]。电法监测技术突破了传统物探方法对异常体静态、一次性评价的局限，实现了在采动过程中突水危险源的连续辨识与评价，显著提高矿井突水危险性评价的适用性和可靠性[4-5]。

在煤矿井下进行电法监测时，为了获得可靠的监测数据，需要提供大功率的电法场源信号[6]。但在煤矿井下电法监测场源功率受到严格限制，即发射场源信号必须满足本质安全的要求，以保证发射回路在出现短路等故障时，其释放的能量仍不足以点燃爆炸性气体。目前，为了满足本安要求，一般采用的技术方法是场源信号设置为高压、定电压发射，开启发射输出后检测发射回路的电流值，在检测到电流值超过本安电流限定值时，切断发射回路[7]。然而，在进行电法监测任务时，场源信号需要在所有监测电极间轮循，且由于监测周期较长，不同场源发射电极间的接地电阻差异较大且随时间变化。为了使发射回路正常工作，现有技术会根据采前测试情况在发射输出端与发射电极之间串接1 个较大且固定阻值的接入电阻，使发射回路的电流值始终稳定在本安限流值以下。采用这种固定阻值接入电阻的方式，受操作人员主观判断影响较大，且不能根据不同发射电极间接地电阻变化进行自动调节。

为解决上述的现实问题，设计了一种本安型场源发射装置，实现了电法监测场源信号自适应发射电极接地电阻的本质安全输出，满足了本安限制条件下的最大功率信号发射，使场源能量最大化加载至目标监测地质体来获得尽可能强的场源响应信号，从而提升电法监测系统数据采集质量，提高反演解释的准确性，指导采煤过程的水害风险评价与控制[8]。

1 装置整体设计

自适应接地电阻的本安型电法监测场源信号发射装置整体设计如图1。

图1 自适应接地电阻的本安型电法监测场源信号发射装置整体设计Fig.1 Overall design of intrinsically safe field source signal transmission device with adaptive grounding resistance

自适应接地电阻的本安型电法监测场源信号发射装置的关键功能模块包括：主控MCUSTM32F407、步进电机驱动器、直流步进电机、圆盘可调滑动变阻器、场源信号发射模块、电极控制器即4×32 矩阵开关、MOSFET 开关、取样电阻和监测电极组。

装置通过STM32F407 与DP83848 以太网PHY控制器构建TCP/IP 通信协议，实现发射装置与地面服务器的远程通信。STM32 通过采集取样电阻（10 Ω1%精度的无感电阻）的电压值，进而计算监测电极组中作为电法场源发射的某一对电极之间的电流作为发射电流值，用以设定本安限流值；并执行PID 反馈算法不断比较发射电流值与本安限流值，根据比较结果产生步进电机驱动器所需的PWM 脉冲控制信号及正反转方向信号，驱动步进电机调整圆盘可调滑动变阻器的阻值来改变发射回路间的接入电阻阻值；STM32 也用以产生场源信号发射模块、开关矩阵模块和MOSFET 开关分别所需的控制逻辑信号。

步进电机驱动器和直流步进电机为圆盘可调滑动变阻器的控制机构，电机驱动器执行主控芯片发送的电平信号，控制步进电机正转或反转，并将主控芯片PWM 脉冲控制信号转化为步进电机所需要的强电流信号，带动步进电机运转。步进电机控制滑动变阻器悬臂，通过悬臂转动改变自身电阻值构成电法场源信号发射回路中的可控接地电阻。考虑煤层视电阻率、发射场源电压、限流值及本安功率限制器件工作功率不大于其额定功率的2/3 的要求，可控接地电阻阻值可变范围为1～1 680 Ω，功率不小于15 W。

场源信号发射模块将STM32 产生的场源波形控制逻辑信号转换为对地为正负电压的高电压方波场源输出信号，逻辑信号通过信号隔离器载波后重构控制桥式整形电路，实现输入逻辑信号与输出高压信号的隔离，以满足本安回路之间的隔离耐压要求。

电极控制器实现4×32 矩阵开关的控制功能，实现任意4 选32 逻辑开关。根据地面服务器命令，选通监测电极组中2 个监测电极对应连接场源信号发射模块的高压输出端，选出的监测电极作为场源AB 极发射电极（其中B 极也可为一无穷远电极形成近点源场源），与MOSFET 开关、可调滑动变阻器、取样电阻形成场源信号发射通道回路。

2 装置控制流程

在进行电法监测时，监测电极需要通过打孔或采用锚进工艺打入煤层底板，保证电极与底板岩层的良好耦合。常见的煤层底板岩层有砂岩、砾岩、黏土岩、泥质岩、粉砂岩或石灰岩，其视电阻率范围为101～104Ω·m，为适应不同的底板岩层类型，电法监测场源信号选择峰值为100 V 高压过零点交流信号。根据GB/T 3836.4—2021《爆炸性环境第4 部分：由本质安全型“i”保护的设备》附录A- “本质安全电路的评定”中关于串联限流电阻构成的简单电路参考曲线可知，当直流电压为100 V 时，I 类设备的最小点燃电流为90 mA，采用1.5 倍的安全系数，其发射电流不超过90 mA/1.5=60 mA，即本装置合理的本安参数应定为：输出电压100 V；输出电流60 mA。以此参数为标准，主动将装置的限流值Ilim设置为59.5 mA 进行电流比较运算，即可保证发射电气端口的本质安全。场源信号发射装置控制流程如图2[9]。

图2 场源信号发射装置控制流程Fig.2 Control process of field source signal transmission device

首先，在电法监测装备、监测线缆及电极现场布置完成后，进行初始化操作，控制步进电机将圆盘可调滑动变阻器悬臂置位为阻值最大状态1 680 Ω，即可保证回路发射电流不超过100 V/1 680 Ω=59.5 mA，在本安电流限定值范围内。随后，根据监测需求，发射波形可设置为单频方波、甚低频直流波、2n序列或m序列伪随机多频波，确定发射电极、发射极距、发射步距等参数，开启场源信号发射。开启发射后，装置主控MCU 对取样电阻上的电压进行采集，通过信号放大方式计算取样电阻上的电压值Ur，根据电压值Ur计算此时发射回路中的发射电流值Ir=Ur/10 Ω。主控MCU 比较发射电流值Ir与设置的主动限流值Ilim，若IrIlim，因为第1 对发射电极为初始状态，可判断圆盘可调滑动变阻器发生故障，此时控制MOSFET 栅极低电平，关断发射回路，并给上位机发送故障指令；当发射电极切换时（即不是初始发射电极），比较判断Ir>Ilim时，则首先控制MOSFET 栅极低电平，关断发射回路，然后主控MCU 向步进电机驱动器发送PWM 脉冲控制信号，控制步进电机驱动圆盘可调滑动变阻器的悬臂顺时针旋转，增加发射回路中的接入电阻Rt，形成负反馈型控制逻辑,直至发射电路中的发射电流值Ir接近且小于Ilim。这样装置通过控制步进电极转动角度即可调节发射回路间接入电阻阻值，不断逼近设定的本安限流值，此时保持滑动变阻器悬臂，上位机记录发射电流值，当所有处于接收状态的电极完成数据采集后，停止场源信号发射，切换至下一对发射电极。

3 场源信号发射模块

场源信号发射模块执行主控MCU 发来的控制逻辑信号，并将控制逻辑信号转变为对地为正负电压的双极性高电压方波场源输出信号，同时满足GB3 836.4—2021 中关于本质安全电路应于其他电路充分隔离的相关要求。模块包括隔离驱动电路、升压全桥变换电路等功能电路组成，其中全桥变换电路的输出端子A/B，连接电极控制器选通的32 个监测电极组中的某1 对电极，这1 对电极即为电法场源发射信号的发射电极A 及发射电极B（B 也可为1 个无穷远电极）。

3.1 隔离驱动电路

隔离驱动电路原理如图3。

图3 隔离驱动电路原理Fig.3 Principle of isolation drive circuit

场源信号发射模块隔离驱动电路实现了数字信号与本安发射回路的充分隔离。与门一端输入F1、F2是场源发射波形的逻辑控制信号，来自MCU 控制器STM32F407，相互反相；与门的另一输入来自晶体振荡器，实现逻辑控制信号的调制。具体的，当F2为高电平F1为低电平期间，U1A输出为经调制的F2。当调制信号在上升沿时，经阻容加速电路，使三极管Q2的基极电流迅速增大，进入饱和区，隔离变压器T1处于工作状态；当调制信号在下降沿时，基极电流消失，Q2进入截至区，T1不工作。这样，信号隔离变压器就处于震荡工作状态，使直流逻辑控制信号F2变为交流信号，再通过整流桥及滤波电路使MOS 管控制信号完全恢复为F2的逻辑，这样就实现了数字电源部分逻辑控制信号与高压输出部分MOS 管信号的隔离。当R2上端电位为高电平时，Q1（PNP 管）为截止状态，此时MOS1 G 为高电平；当R2上端电位为低电平时，Q1（PNP 管）为饱和状态，C1通过Q1放电，使MOS1 G 迅切换为低电平，使得发射信号死区时间大大降低。MOS1 G～MOS4 G 分别为逆变桥中4 个N 沟道增强型MOSFET 管的栅极，这样使MOS1、MOS4 完全按照F2的逻辑工作，MOS2、MOS3 完全按照F1的逻辑工作，完成隔离驱动功能。

3.2 升压全桥变换电路

升压全桥变换电路原理图4。

图4 升压全桥变换电路原理Fig.4 Principle of booster full-bridge converter circuit

场源信号发射模块升压全桥变换电路由升压DC-DC 变换器及4 个MOSFET 管组成，实现高压发射场源信号的双极性交流输出。在全桥变换电路中，MOS1 和MOS4 为1 组，MOS2 和MOS3为1 组。隔离驱动电路中控制信号F2控制MOS1 和MOS4 同时导通和关断，F1控制MOS2 和MOS3同时导通和关断。当F2为高电平时，MOS1 和MOS4栅源极电压大于其开启电压，两管导通，此时F1为低电平，MOS2 和MOS3 关断，发射电流由FA流向FB；反之，F2为低电平，F1为高电平期间，发射电流由FB 流向FA。这样就在发射电极中产生了双极性的发射信号，双极性的信号减小了直流偏置对发射信号的影响，提高了系统的抗干扰能力。高压信号由定制的升压DC-DC 模块产生，值得提及的是，当MCU 检测到发射回路电流超过了Ilim时，也会使DC-DC 的COT 引脚置位为低电平，停止DC-DC 工作，切断高压信号，保证装置的本质安全。

在实际的电法监测系统布置时，发射电极通过监测大线连入发射电路。这根长直导线通过交流电流后，会在导线周围感应出1 个交变的磁场，交变磁场使导线产生自感，由于电感的影响存在，全桥发射电路在方波电流的下降沿会出现电压过冲现象。设计MOSFET 管漏源极并连RC 电路释放过冲电压，使MOSFET 管安全工作，并减小关断时间。

4 电极控制模块

电极控制模块电路原理如图5[10]。电极控制器主要由译码电路和4×32 矩阵开关电路组成，用以实现监测电极与监测主机信号接收通道、场源发射信号的灵活选择。

图5 电极控制模块电路原理Fig.5 Principle of electrode control module circuit

矩阵开关电路由130 个单刀单置型干簧管继电器组成，可将场源发信号发射模块输出端FA、FB，监测主机信号接收通道M、N 切换到32 个监测电极上的任意4 个电极，也可将FB、N 切换到无穷远电极，使得监测装置具备任意跑极功能。

继电器选用英国Pickering 公司生产的 116 系列116-1-A-5/2D 常开型干簧管继电器，该继电器体积为3.7 mm×12.5 mm，开关速度<10 ms，最大承载电流1 A，最大承载电压220 VDC/150 VAC，电气隔离性能为550 VDC 60 s。在工作于100 V时（发射场源信号电压），工作电流仅为10 mA，可由译码器直接驱动，简化设计难度。并且内置防反冲保护二极管，只需在控制端再并联1 个二极管，就可满足本安设备关于继电器使用时二级保护的要求，这样即可有限的PCB 面积上紧凑布置继电器阵列，缩小布板面积，实现监测仪器的小型化。由于主控芯片I/O 口有限，通过片选信号控制8 片74HC154高速CMOS 4 至16 译码器，即可使用24 个通用I/O口实现132 个继电器状态控制，满足设计需求。

5 装置控制软件

为了对电法监测场源信号发射装置进行协议调试和性能测试，采用C#语言开发了装置的功能测试软件。

软件具备网络通信与配置、本安限流值设置、场源信号波形设置、发射电极控制、电极复位、发射电流计算、协议命令交互显示及继电器自动跑极测试等功能。通过对取样电阻上的电压计算也可实现发射波形显示，可对装置进行完整的功能测试，性能检验和装置标定。

6 结 语

设计了一种自适应接地电阻的本安型电法监测场源信号发射装置，该装置通过计算场源发射电极间的电流，控制步进电极转动角度进而调节发射回路间接入电阻阻值，使其不断逼近设定的本安限流值。

应用该装置，可在进行电法监测过程中切换场源发射电极时，能够自动调节不同发射电极间的接入电阻，使不同电极间发射电流始终稳定在接近本安限流值以下；可使电法监测系统充分利用本安限制条件下的最大场源发射功率，以便得到可靠的接收数据，从而得到可信的反演解释结果，降低水害事故的发生，具备推广应用价值。