自適應接地電阻的本安型電法監測場源信號發射裝置設計

王冰純

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

煤炭是我國能源體系的基石，長期以來為經濟發展和國家能源安全穩定提供了有力保障。目前煤炭綠色、高效、智能開采已成為行業風向，但安全生產仍然是煤炭行業所有從業人員面臨的一大難題。煤礦水災是煤礦的主要災害之一，隨著礦山資源開發向深部延伸，開采水文地質條件更加復雜，水害的威脅程度進一步加劇，煤礦井下電法監測技術因其對煤巖電阻率變化的高靈敏特點，逐步在突水風險較高的礦井進行推廣應用[1-3]。電法監測技術突破了傳統物探方法對異常體靜態、一次性評價的局限，實現了在采動過程中突水危險源的連續辨識與評價，顯著提高礦井突水危險性評價的適用性和可靠性[4-5]。

在煤礦井下進行電法監測時，為了獲得可靠的監測數據，需要提供大功率的電法場源信號[6]。但在煤礦井下電法監測場源功率受到嚴格限制，即發射場源信號必須滿足本質安全的要求，以保證發射回路在出現短路等故障時，其釋放的能量仍不足以點燃爆炸性氣體。目前，為了滿足本安要求，一般采用的技術方法是場源信號設置為高壓、定電壓發射，開啟發射輸出后檢測發射回路的電流值，在檢測到電流值超過本安電流限定值時，切斷發射回路[7]。然而，在進行電法監測任務時，場源信號需要在所有監測電極間輪循，且由于監測周期較長，不同場源發射電極間的接地電阻差異較大且隨時間變化。為了使發射回路正常工作，現有技術會根據采前測試情況在發射輸出端與發射電極之間串接1 個較大且固定阻值的接入電阻，使發射回路的電流值始終穩定在本安限流值以下。采用這種固定阻值接入電阻的方式，受操作人員主觀判斷影響較大，且不能根據不同發射電極間接地電阻變化進行自動調節。

為解決上述的現實問題，設計了一種本安型場源發射裝置，實現了電法監測場源信號自適應發射電極接地電阻的本質安全輸出，滿足了本安限制條件下的最大功率信號發射，使場源能量最大化加載至目標監測地質體來獲得盡可能強的場源響應信號，從而提升電法監測系統數據采集質量，提高反演解釋的準確性，指導采煤過程的水害風險評價與控制[8]。

1 裝置整體設計

自適應接地電阻的本安型電法監測場源信號發射裝置整體設計如圖1。

圖1 自適應接地電阻的本安型電法監測場源信號發射裝置整體設計Fig.1 Overall design of intrinsically safe field source signal transmission device with adaptive grounding resistance

自適應接地電阻的本安型電法監測場源信號發射裝置的關鍵功能模塊包括：主控MCUSTM32F407、步進電機驅動器、直流步進電機、圓盤可調滑動變阻器、場源信號發射模塊、電極控制器即4×32 矩陣開關、MOSFET 開關、取樣電阻和監測電極組。

裝置通過STM32F407 與DP83848 以太網PHY控制器構建TCP/IP 通信協議，實現發射裝置與地面服務器的遠程通信。STM32 通過采集取樣電阻（10 Ω1%精度的無感電阻）的電壓值，進而計算監測電極組中作為電法場源發射的某一對電極之間的電流作為發射電流值，用以設定本安限流值；并執行PID 反饋算法不斷比較發射電流值與本安限流值，根據比較結果產生步進電機驅動器所需的PWM 脈沖控制信號及正反轉方向信號，驅動步進電機調整圓盤可調滑動變阻器的阻值來改變發射回路間的接入電阻阻值；STM32 也用以產生場源信號發射模塊、開關矩陣模塊和MOSFET 開關分別所需的控制邏輯信號。

步進電機驅動器和直流步進電機為圓盤可調滑動變阻器的控制機構，電機驅動器執行主控芯片發送的電平信號，控制步進電機正轉或反轉，并將主控芯片PWM 脈沖控制信號轉化為步進電機所需要的強電流信號，帶動步進電機運轉。步進電機控制滑動變阻器懸臂，通過懸臂轉動改變自身電阻值構成電法場源信號發射回路中的可控接地電阻?？紤]煤層視電阻率、發射場源電壓、限流值及本安功率限制器件工作功率不大于其額定功率的2/3 的要求，可控接地電阻阻值可變范圍為1～1 680 Ω，功率不小于15 W。

場源信號發射模塊將STM32 產生的場源波形控制邏輯信號轉換為對地為正負電壓的高電壓方波場源輸出信號，邏輯信號通過信號隔離器載波后重構控制橋式整形電路，實現輸入邏輯信號與輸出高壓信號的隔離，以滿足本安回路之間的隔離耐壓要求。

電極控制器實現4×32 矩陣開關的控制功能，實現任意4 選32 邏輯開關。根據地面服務器命令，選通監測電極組中2 個監測電極對應連接場源信號發射模塊的高壓輸出端，選出的監測電極作為場源AB 極發射電極（其中B 極也可為一無窮遠電極形成近點源場源），與MOSFET 開關、可調滑動變阻器、取樣電阻形成場源信號發射通道回路。

2 裝置控制流程

在進行電法監測時，監測電極需要通過打孔或采用錨進工藝打入煤層底板，保證電極與底板巖層的良好耦合。常見的煤層底板巖層有砂巖、礫巖、黏土巖、泥質巖、粉砂巖或石灰巖，其視電阻率范圍為101～104Ω·m，為適應不同的底板巖層類型，電法監測場源信號選擇峰值為100 V 高壓過零點交流信號。根據GB/T 3836.4—2021《爆炸性環境第4 部分：由本質安全型“i”保護的設備》附錄A- “本質安全電路的評定”中關于串聯限流電阻構成的簡單電路參考曲線可知，當直流電壓為100 V 時，I 類設備的最小點燃電流為90 mA，采用1.5 倍的安全系數，其發射電流不超過90 mA/1.5=60 mA，即本裝置合理的本安參數應定為：輸出電壓100 V；輸出電流60 mA。以此參數為標準，主動將裝置的限流值Ilim設置為59.5 mA 進行電流比較運算，即可保證發射電氣端口的本質安全。場源信號發射裝置控制流程如圖2[9]。

圖2 場源信號發射裝置控制流程Fig.2 Control process of field source signal transmission device

首先，在電法監測裝備、監測線纜及電極現場布置完成后，進行初始化操作，控制步進電機將圓盤可調滑動變阻器懸臂置位為阻值最大狀態1 680 Ω，即可保證回路發射電流不超過100 V/1 680 Ω=59.5 mA，在本安電流限定值范圍內。隨后，根據監測需求，發射波形可設置為單頻方波、甚低頻直流波、2n序列或m序列偽隨機多頻波，確定發射電極、發射極距、發射步距等參數，開啟場源信號發射。開啟發射后，裝置主控MCU 對取樣電阻上的電壓進行采集，通過信號放大方式計算取樣電阻上的電壓值Ur，根據電壓值Ur計算此時發射回路中的發射電流值Ir=Ur/10 Ω。主控MCU 比較發射電流值Ir與設置的主動限流值Ilim，若IrIlim，因為第1 對發射電極為初始狀態，可判斷圓盤可調滑動變阻器發生故障，此時控制MOSFET 柵極低電平，關斷發射回路，并給上位機發送故障指令；當發射電極切換時（即不是初始發射電極），比較判斷Ir>Ilim時，則首先控制MOSFET 柵極低電平，關斷發射回路，然后主控MCU 向步進電機驅動器發送PWM 脈沖控制信號，控制步進電機驅動圓盤可調滑動變阻器的懸臂順時針旋轉，增加發射回路中的接入電阻Rt，形成負反饋型控制邏輯,直至發射電路中的發射電流值Ir接近且小于Ilim。這樣裝置通過控制步進電極轉動角度即可調節發射回路間接入電阻阻值，不斷逼近設定的本安限流值，此時保持滑動變阻器懸臂，上位機記錄發射電流值，當所有處于接收狀態的電極完成數據采集后，停止場源信號發射，切換至下一對發射電極。

3 場源信號發射模塊

場源信號發射模塊執行主控MCU 發來的控制邏輯信號，并將控制邏輯信號轉變為對地為正負電壓的雙極性高電壓方波場源輸出信號，同時滿足GB3 836.4—2021 中關于本質安全電路應于其他電路充分隔離的相關要求。模塊包括隔離驅動電路、升壓全橋變換電路等功能電路組成，其中全橋變換電路的輸出端子A/B，連接電極控制器選通的32 個監測電極組中的某1 對電極，這1 對電極即為電法場源發射信號的發射電極A 及發射電極B（B 也可為1 個無窮遠電極）。

3.1 隔離驅動電路

隔離驅動電路原理如圖3。

圖3 隔離驅動電路原理Fig.3 Principle of isolation drive circuit

場源信號發射模塊隔離驅動電路實現了數字信號與本安發射回路的充分隔離。與門一端輸入F1、F2是場源發射波形的邏輯控制信號，來自MCU 控制器STM32F407，相互反相；與門的另一輸入來自晶體振蕩器，實現邏輯控制信號的調制。具體的，當F2為高電平F1為低電平期間，U1A輸出為經調制的F2。當調制信號在上升沿時，經阻容加速電路，使三極管Q2的基極電流迅速增大，進入飽和區，隔離變壓器T1處于工作狀態；當調制信號在下降沿時，基極電流消失，Q2進入截至區，T1不工作。這樣，信號隔離變壓器就處于震蕩工作狀態，使直流邏輯控制信號F2變為交流信號，再通過整流橋及濾波電路使MOS 管控制信號完全恢復為F2的邏輯，這樣就實現了數字電源部分邏輯控制信號與高壓輸出部分MOS 管信號的隔離。當R2上端電位為高電平時，Q1（PNP 管）為截止狀態，此時MOS1 G 為高電平；當R2上端電位為低電平時，Q1（PNP 管）為飽和狀態，C1通過Q1放電，使MOS1 G 迅切換為低電平，使得發射信號死區時間大大降低。MOS1 G～MOS4 G 分別為逆變橋中4 個N 溝道增強型MOSFET 管的柵極，這樣使MOS1、MOS4 完全按照F2的邏輯工作，MOS2、MOS3 完全按照F1的邏輯工作，完成隔離驅動功能。

3.2 升壓全橋變換電路

升壓全橋變換電路原理圖4。

圖4 升壓全橋變換電路原理Fig.4 Principle of booster full-bridge converter circuit

場源信號發射模塊升壓全橋變換電路由升壓DC-DC 變換器及4 個MOSFET 管組成，實現高壓發射場源信號的雙極性交流輸出。在全橋變換電路中，MOS1 和MOS4 為1 組，MOS2 和MOS3為1 組。隔離驅動電路中控制信號F2控制MOS1 和MOS4 同時導通和關斷，F1控制MOS2 和MOS3同時導通和關斷。當F2為高電平時，MOS1 和MOS4柵源極電壓大于其開啟電壓，兩管導通，此時F1為低電平，MOS2 和MOS3 關斷，發射電流由FA流向FB；反之，F2為低電平，F1為高電平期間，發射電流由FB 流向FA。這樣就在發射電極中產生了雙極性的發射信號，雙極性的信號減小了直流偏置對發射信號的影響，提高了系統的抗干擾能力。高壓信號由定制的升壓DC-DC 模塊產生，值得提及的是，當MCU 檢測到發射回路電流超過了Ilim時，也會使DC-DC 的COT 引腳置位為低電平，停止DC-DC 工作，切斷高壓信號，保證裝置的本質安全。

在實際的電法監測系統布置時，發射電極通過監測大線連入發射電路。這根長直導線通過交流電流后，會在導線周圍感應出1 個交變的磁場，交變磁場使導線產生自感，由于電感的影響存在，全橋發射電路在方波電流的下降沿會出現電壓過沖現象。設計MOSFET 管漏源極并連RC 電路釋放過沖電壓，使MOSFET 管安全工作，并減小關斷時間。

4 電極控制模塊

電極控制模塊電路原理如圖5[10]。電極控制器主要由譯碼電路和4×32 矩陣開關電路組成，用以實現監測電極與監測主機信號接收通道、場源發射信號的靈活選擇。

圖5 電極控制模塊電路原理Fig.5 Principle of electrode control module circuit

矩陣開關電路由130 個單刀單置型干簧管繼電器組成，可將場源發信號發射模塊輸出端FA、FB，監測主機信號接收通道M、N 切換到32 個監測電極上的任意4 個電極，也可將FB、N 切換到無窮遠電極，使得監測裝置具備任意跑極功能。

繼電器選用英國Pickering 公司生產的 116 系列116-1-A-5/2D 常開型干簧管繼電器，該繼電器體積為3.7 mm×12.5 mm，開關速度<10 ms，最大承載電流1 A，最大承載電壓220 VDC/150 VAC，電氣隔離性能為550 VDC 60 s。在工作于100 V時（發射場源信號電壓），工作電流僅為10 mA，可由譯碼器直接驅動，簡化設計難度。并且內置防反沖保護二極管，只需在控制端再并聯1 個二極管，就可滿足本安設備關于繼電器使用時二級保護的要求，這樣即可有限的PCB 面積上緊湊布置繼電器陣列，縮小布板面積，實現監測儀器的小型化。由于主控芯片I/O 口有限，通過片選信號控制8 片74HC154高速CMOS 4 至16 譯碼器，即可使用24 個通用I/O口實現132 個繼電器狀態控制，滿足設計需求。

5 裝置控制軟件

為了對電法監測場源信號發射裝置進行協議調試和性能測試，采用C#語言開發了裝置的功能測試軟件。

軟件具備網絡通信與配置、本安限流值設置、場源信號波形設置、發射電極控制、電極復位、發射電流計算、協議命令交互顯示及繼電器自動跑極測試等功能。通過對取樣電阻上的電壓計算也可實現發射波形顯示，可對裝置進行完整的功能測試，性能檢驗和裝置標定。

6 結 語

設計了一種自適應接地電阻的本安型電法監測場源信號發射裝置，該裝置通過計算場源發射電極間的電流，控制步進電極轉動角度進而調節發射回路間接入電阻阻值，使其不斷逼近設定的本安限流值。

應用該裝置，可在進行電法監測過程中切換場源發射電極時，能夠自動調節不同發射電極間的接入電阻，使不同電極間發射電流始終穩定在接近本安限流值以下；可使電法監測系統充分利用本安限制條件下的最大場源發射功率，以便得到可靠的接收數據，從而得到可信的反演解釋結果，降低水害事故的發生，具備推廣應用價值。