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场强勘测在起重机预警电体系中的运用

2011-07-29 10:56:32中国起重机招标网

  

  1不同规格的输电线路系统遍布于社会各个角落。在市政施工作业中,起重机碰撞带电导线的事故时有发生。由于没有专门的防触电报警装置,变电站内的吊车作业,也存在场强击穿引发触电的的危险。目前主要是靠目测估算吊臂与高压线的安全距离,这种测距方式通常会引起较大的误差,是现场工作的潜在危险源。

  总之在很多施工现场使用吊车作业中,因吊车吊臂与高压线安全距离不够,引起场强击穿的触电事故时有发生。一旦发生此类事故,不仅造成人身伤亡、设备损害的直接经济损失,因停电造成间接经济损失也非常巨大。

  2系统的技术原理

  基于电场测量的防触电报警系统的基本原理:

  当各类起重设备在高压线形成的高压电场中施工运行时,起重设备的不同部位因几何外型差别和与距场源的距离不等,所感应的场强亦不等。起重设备上某点的场强与该点到场源的距离有关。起重设备上的任何点必须与场源保持规定的安全距离,否则会引起放电,酿成触电事故。

  在容易引起放电的各个突出部位,分别安装感应探头。探头将电场信息转换为电压信号,由信息采集模块收集,发送到后台计算机处理,通过场强测量实时监测距离,实现报警及制动等功能。

  一般作业区电场强的分布是非常复杂的,起吊设备是金属体结构体对电场也有很强的扰动。设备上某点场强与该点到场源距离是非线性相关的。但总体上离场源越近电场越强、电位梯度越大(测得电压越大)。防触电报警装置首先就要设计一种方法,大致确定某一给定方位的场强,通过分析该点场强信息获取该点距场源距离的信息。防触电报警(天然气泄露报警器)装置要能在作业体的扰动下,定性的定向测量电位梯度,获得某一方向的电场强,然后转换为相应的距离信息,zui终实现测距报警。

  3系统设计

  依据前述技术原理,本系统主要由以下四部分组成: ( 1)前端感应探头; ( 2)信息采集模块; ( 3)无线数据传输模块; ( 4)信息接收处理模块; ( 5)显示、报警、控制模块。

  3 1探头及前置放大电路设计

  平行板型传感探头对法线方向的电场强度Ezui敏感,即有一定的方向性。所以在本项目,采用了平行板型传感探头,在探头外部装设屏蔽。

  根据上述测量原理,我们设计的探头原理与电容类似,当板间存在电场时,两板电压U = E d cos , E是电场强度, d是两板间的距离,是E与平板法线的夹角。将两层平行的圆形金属板,侧面用锡箔纸进行绝缘处理。这样有且只有在以垂直于平面方向接近电场时,才会在金属板表面产生感应电荷。且产生的感应电荷多少与电场强度、正相关。

  前置放大电路将两板极的感应电压信号衰减、滤波转换为0- 2 5V的直流电压,送信息采集模块。

  3 2信息采集模块

  本系统以S ilicon Labs公司的片上系统SoC C8051F020为核心,组成信息采集模块。

  C8051F020芯片是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU.具有下列主要特性:高速、流水线结构的微控制器核。12位200ksps的8通道ADC,可实现对8路模拟信号的采集转换。带模拟多路器两个12位电流输出DAC.2304字节片内RAM.硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口。4个通用的16位定时器。具有6个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列( PCA )。片内电压比较器。具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051Fx器件是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力。

  每种器件都可在工业温度范围( - 40到+ 85 )内用2 0- 2 75V的电压工作(使用片内稳压器时电源电压可达5 25V )。

  信息采集模块接收探头、前置放大电路输出的直流电压信号,并进行数字化处理即A /D转换,在C8051F020片内模拟开关的作用下不需任何扩展就可实现八路模拟信号的采集转换( 12位200ksps的八通道ADC)足以满足本系统的多点探测的要求。

  C8051F020 I/O口经软件模拟很容易实现SPI接口,驱动PTR8000完成采样数据的发送。

  3 3无线数据传输模块

  市场上无线传输模块种类繁多,本系统采用PTR8000作为无线通讯模块,将探头数据实时地传递至吊车/起重机驾驶台、地面控制台等处。

  PTR8000使用SPI接口驱动,使用方便。该模块可完成一点对多点间的数据通信,还具有低功耗、性能稳定等优点。测试证明在高压电场区域内能可靠的传递信号。

  3 4显示、报警、控制模块

  系统的该部分采用C8051F020作为主控单元完成三大功能:

  ( 1)作为PTR8000的控制器,完成无线数据接收。

  ( 2)驱动液晶显示器。该部分实现电压距离的非线性映射。原理如下:

  选择四个电压值U 0 < U 1 < U 2 < U 3对应L 0 /L 1 / L 2 /L 3一个矩形,并将其分为三段, (U 0 < U 1)对应的段为绿颜色, (U 1 < U 2)对应的段为黄颜色, ( U 2 < U 3)对应的段为红颜色, U 0为起点; U 3为报警点;红、黄、绿三段组成的矩形对应整个距离量程。矩形的傍边用距离标定刻度。(非线性标定)这样颜色和数据一起,形象直观的显示了作业体的突出点到场源的距离。

  ( 3)报警、制动:本系统选择BJ- 3型报警器。

  工作电压DC12V.当任何一路采用电压超过设定值时, C8051F020通过设定I/O口启动报警器。

  C8051F020另外提供了四个I/O口作为继电器的驱动输入端。本模块C8051F020把接收到的多路信号归为四个方位,上、前、左、右根据信号的所属方位,启动相应的电磁继电器对起重设备进行制动。

  4特点与实用价值

  ( 1)精度高:采用12位AD采样,实际数据分档共有4000多档。由于电场强度与距离的非线性反比关系,离场源远时,距离变化引起的电场强度变化小。离场源近时,距离变化引起的电场强度变化大,测得的数值也很较大。说明距离场源越近,本系统测量精度越高。分辨率为毫米级,足以满足高精度的报警要求。

  ( 2)在续数据库的支持下,由AD采样值可以很方便的得到特定电场电压对应探头距离场源的准确距离,并在显示终端上显示。

  ( 3)安装方便:探头体积小容易固定,多探头检测是本系统的特点,可适应多种不同的设备。有广泛的应用前景。

  本装置的样品机已经在多台吊车、起重设备上安装试运行,在变电站的施工作业中能准确有效的报警、制动。据统计,目前就市政府工程的施工,每年都有死于起重机触电的工程事故。除变电站施工外,还有大量的相关设备需要安装防触电装置。作为生产厂家,本产品有着广泛的市场前景。作为用户其经济效益更为显著,发生一次触电事故,人员伤亡、设备损坏造成的直接经济损失几万到几十万人民币。因停电造成的间接经济损失无法估量,有可能百万甚至上千万人民币的损失。该装置已经获得国家实用新型发明专利,正在进行产品化推广。

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