阈值自调节与抗干扰矿用开停传感器研制

纪亚强，郝叶军，王 璐，蒋 泽

（1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州 213015；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州 213015）

开停传感器主要用于监测煤矿井下机电设备的开停状态，是煤矿安全监控系统必备产品，也是风电瓦斯闭锁功能的重要组成部分，开停传感器与被测设备没有直接的电气连接，其工作原理是利用检测被测设备磁场大小的方式，间接地测定设备的工作状态[1-2]。使用时将传感器卡固在被测设备的供电电缆上，通过检测电缆磁场值大小判定设备的开停状态。目前，市场上大多数的开停传感器都是基于感应线圈的磁场检测原理[3]，由于线圈探头差异性大、工艺难以保证，不能定量的反映出磁场的大小和电流的关系，增大了现场调试难度。此外，在井下干扰大，易导致传感器偶尔出现误判等问题[4-5]。在其它行业中，磁场检测主要有感应线圈、霍尔效应、磁电阻效应等方式[6-8]。

近些年新材料、新技术出现突破性的进展，磁电阻传感器以其独特的优点广泛的应用于磁场测量、数据存储、汽车电子和工业控制、智慧城市等各个领域[9-12]。磁电阻效应是导体或半导体在磁场作用下电阻值发生变化的现象，具有温度稳定性，低功耗，线性度高等优点[13]。基于磁电阻技术的诸多优点，通过理论研究和实验验证，将其检测技术应用于井下开停设备的检测，可实现传感器自调节开/停阈值，减少开停传感器安装调试工作量。

针对开停传感器井下易受外界干扰而导致状态误判的问题，研究磁场屏蔽技术，分析不同金属材料的磁场屏蔽性能，用于屏蔽外界设备或电缆的干扰，提高开停传感器的抗干扰性能，通过实验验证选用06Cr13 不锈钢作为屏蔽材料性价比最高。

1 电缆模型和电缆电流磁场强度

在工程应用中，35 kV 电压等级以下的三相电力系统电缆输配电工程则多采用三芯电缆，电缆内三相芯线有对称与不对称之分，而在电缆外皮上总可找到一个不对称点，电缆的磁场值以靠近该点的芯线起主导作用，通过检测该主导相芯线的磁感应信号，间接的检测出电缆中的电流大小，最终用来判定被测设备的开停状态。

1.1 电缆模型

三芯电力电缆结构示意图如图1，其中电缆中心为O，A、B、C 分别是电缆各芯线的位置，传感器芯片SA安装在电缆的任意位置，SA到电缆中心的半径为R。电缆中心到A、B、C 芯线的距离分别为r1、r2、r3。可设y 轴与OA 重合，则A 点坐标为（0，r1）。OB、OC与x 轴正方向的夹角分别为α、β，故B 点的坐标为（r2cosα，r2sinα），C 点的坐标为（r3cosβ，-r3sinβ），SA与x 轴的夹角为γ。A、B、C 三相电流分别为IA、IB、IC。

图1 三芯电力电缆结构示意图Fig.1 Structure of three-core power cable

根据余弦定理，传感器SA到A、B、C 芯线的距离SAA、SAB、SAC分别为：

根据安培环路定理，A 相电流IA在SA处产生的磁感应强度BSAA为：

式中：μ0为真空磁导率，4π×10-3（Gs·m）/A。

定义磁传感器沿圆周方向为n，沿径向方向为r，BSAA沿n 方向和r 方向的分量BSAAn、BSAAr分别为：

同理，B、C 相电流IB、IC在SA处产生的磁感应强度BSAB、BSAC分别为：

同理，BSAB、BSAC沿n 方向和r 方向的分量BSABn、BSACn、BSABr、BSACr分别为：

可得到SA处的磁感应强度沿n 方向和沿r 方向的分量BSAn和BSAr为：

对于对称式三芯电力电缆，则r1=r2=r3=r，α=150°，β＝30°，旋转导线使得电缆1 根芯线磁场起主导作用，即传感器在S′A处，则γ＝90°，代入式（11）和式（12），可得S′A处磁感应强度沿n 方向和r 方向的分量分别BS′An、BS′Ar为：

1.2 电缆电流磁场强度

井下的设备大多采用三芯铠装电缆，选择电缆型号为MYPT-8.7/103×150+3×50+3×2.5，电缆的各参数为：外径尺寸91.0～101.5 mm，单相导线的半径为7 mm，r=25 mm，R=60 mm，将参数代入式（13）和式（14），通过仿真可知在S′A处电缆周围磁场值的矢量和在1.5～15.3 Gs 之间变化，磁场有效值为9.8 Gs。改变输入的电流值，可知磁场值与电流值有一定的线性关系，电流在0～100 A 变化时，磁场的有效值范围在0～9.8 Gs 之间，可用于指导传感器开/停阈值的调节。

2 抗干扰性能研究

在工业生产中，低频磁场屏蔽干扰易导致电子设备工作异常，特别是大电流的低频干扰[14]。在煤矿井下，开停传感器易受周围电缆或大型设备干扰导致开停状态误判，因此屏蔽外界磁场的干扰，保证开停传感器正常工作尤为重要。

查阅相关资料，对于屏蔽频率较低的干扰源，主要考虑对磁场的屏蔽，一般选用高导磁率的材料可有效的对低频干扰进行屏蔽[15-16]。开停传感器外壳结构选择1J85 坡莫合金、06Cr13 不锈钢（410S 不锈钢）和06Cr19Ni10 不锈钢（304 不锈钢）材料，拟通过仿真分析选择合适的屏蔽材料。

仿真实验条件：选择干扰电缆的型号与上述相同，开停传感器距离干扰电缆距离为10 cm。仿真步骤如下：首先，在Ansoft Maxwell 电磁仿真软件中建立几何模型，其次对材料属性的定义，分别定义选用几种屏蔽材料相对磁导率和电导率等参数，其次对激励源与边界条件定义，给干扰电缆施加幅值为100 A 三相正弦电流激励信号，在设备空间中施加空间边界条件，然后对求解选项参数设定及模型自检，最后在后处理中分析仿真的结果。得出的不同金属外壳材料抗干扰仿真结果（仿真图略）为：

1）当传感器金属外壳材料为1J85 坡莫合金时，磁电阻芯片处的磁场值约为0.01 Gs。

2）当传感器金属外壳材料为06Cr13 不锈钢时，磁电阻芯片处的磁场值约为0.1 Gs

3）当传感器金属外壳材料为06Cr19Ni10 不锈钢时，磁电阻芯片处的磁场值约为1.2 Gs。

通过对比仿真分析可知，06Cr13 不锈钢屏蔽性能稍差于1J85 坡莫合金，明显强于06Cr19Ni10 不锈钢，但1J85 坡莫合金价格昂贵。

3 开停传感器设计

3.1 传感器硬件

开停传感器硬件框图如图2。

图2 开停传感器的硬件框图Fig.2 Hardware block diagram of start-stop sensor

开停传感器包括：电源部分、磁电阻模块、外部存储、RS485 模块，遥控模块、复位电路和数码管显示等。开停传感器采用DC（9～24）V 电压供电，通过电源模块转化供各模块工作电压，磁电阻模块采用3.3 V 供电，工作时将检测的磁场信号通过IIC 与MCU 通讯，通过相应的软件算法处理后输出检测的磁场值。开停传感器与分站或上位机采用RS485 通讯，可将传感器检测到电缆磁场值和设备开停状态上传至上位机软件，传感器支持本地和上位机调节开/停阈值。

3.2 开停传感器软件

传感器软件流程如图3。首先读取外部存储默认数据，然后磁电阻芯片定时采集磁场值，为了避免外界干扰磁场导致的传感器误判，通过交流采样，并经过数字滤波后输出磁场有效值，再与开/停阈值比较，通过判断输出传感器的开停状态。

图3 传感器软件流程图Fig.3 Flow chart of sensor software

传感器开/停阈值自动调节流程如图4。传感器可通过本地或上位机自动调节开/停阈值，安装时让传感器绕被测电缆旋转一周，传感器可根据检测电缆磁场最大值或最小值自动调节传感器开/停阈值。也可通过上位机标记历史数据区间，传感器根据标记区间磁场值自动调节开/停阈值，降低传感器现场维护工作，提高传感器的智能化程度。

图4 开/停阈值自动调节流程图Fig.4 Flow chart of automatic adjustment of start / stop threshold

4 实验验证

4.1 三芯铠装电缆电流与磁场值实验测试

将设计的开停传感器进行测试验证，实验器材参数为：①三相电流发生器：三相电流输出0～200A；②MYPT-8.7/103×150+3×50+3×2.5 三芯铠装电缆；③高斯计：0～1 000 Gs。磁电阻芯片的安装位置参考图1 S′A处，高斯计的探针放在芯片安装位置的S′A处，与磁电阻芯片的测量值做对比，改变电缆中电流值大小，测试三芯铠装电缆中电流值与磁场值的关系，三芯铠装电缆中不同电流的磁场测量值与理论对比图如图5。

图5 三芯铠装电缆中不同电流的磁场测量值与理论对比图Fig.5 Comparison of magnetic field measurement and theory of different current in three-core armored cable

如图5，通过试验测试可以得出磁场的有效值与电流大小有一定的线性关系，和磁强计测试的磁场值相同。但测试值与理论值有一定的差值，是因为电缆带有铠装层，会对磁场进行屏蔽，但磁场值和电流值存在一定的线性关系，可通过相应算法进行修正。

通过上述的仿真分析和实验结果，在电缆同一位置磁场值和电流值有一定的线性关系，但是在实际使用中传感器芯片的安装位置和电缆的位置难以确定，通过理论分析和测量验证，让传感器绕电缆按照相同的速度转1 圈，测量不同位置电流值与磁场变化的关系，不同电流与电缆周围磁场值关系如图6。

图6 不同电流与电缆周围磁场值关系Fig.6 Relationship between different current and magnetic field around cable

由图6 可知在不同电流下，电缆不同位置磁场值在一定范围内变化，传感器可通过检测的不同位置磁场值变化范围得到电缆电流值，即可根据磁场值的最大值和最小值反算出电缆中电流值，以此自动调节传感器开/停阈值。

4.2 屏蔽材料实验测试

参照上述仿真条件，设计实验验证材料的屏蔽性能，干扰电缆距离开停传感器10 cm，改变干扰电缆的电流大小，并更换开停传感器金属外壳材料，对此测试06Cr13 不锈钢和06Cr19Ni10 不锈钢的屏蔽性能，不同屏蔽材料对比测试数据如图7。

图7 不同屏蔽材料对比测试数据Fig.7 Data of different shielding materials

由图7 可知，开停传感器外壳材质选用06Cr13不锈钢比06Cr19Ni10 不锈钢屏蔽磁场性能好，干扰电缆的电流为100 A，06Cr13 不锈钢可屏蔽约1 Gs的干扰磁场。综合考虑开停传感器外壳结构材料的强度、耐腐蚀性和成本等因素，选择06Cr13 不锈钢作为屏蔽材料可有效提高传感器的抗干扰性能。

4.3 现场试验

将设计的开停传感器安装于煤矿井下局部通风机和局部备用通风机供电的铠装电缆上，其中开停传感器1 安装于局部通风机的铠装电缆上，开停传感器2 安装于局部备用通风机的铠装电缆上，开停传感器现场测试数据如图8。

图8 开停传感器现场测试数据Fig.8 Field test data graph of start-stop sensor

局部通风机开时传感器1 磁场值在2～4 Gs 波动，传感器2 磁场值为0。局部通风机、局部备用通风机切换时，测试样机1 磁场值在1～2 Gs，测试样机2 磁场值约0，传感器可连续的检测电缆磁场值和设备状态开停，局部通风机和局部备用通风机切换时传感器未产生误判。

5 结 语

将磁电阻效应检测技术应用于煤矿井下设备开停检测，设计实验验证电缆不同位置电流值与磁场变化的关系，用于指导传感器自调节开/停阈值。研究磁场屏蔽技术，通过实验验证06Cr13 不锈钢可有效的屏蔽外界干扰磁场。通过现场试验验证了所设计开停传感器的稳定性，解决现有市面上开停传感器阈值难以调节和易受外界设备干扰等问题，提高了传感器的稳定性和降低了现场维护成本。此外，传感器还可以通过上位机标记自调节开/停阈值，提高了传感器的智能化程度。