基于二重转压的本安型气体超声波流量计供电电路研究_刘建昌.pdf

基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：61663001）；江西省科技厅重点研发计划（编号：20212BBE53033）；江西省新能源工艺及设备工程术研究中心开放基金项目（编号：JXNE2018-08）收稿日期：20221104基于二重转压的本安型气体超声波流量计供电电路研究*刘建昌，刘国权，冯伦宇，李跃忠（东华理工大学 机械与电子工程学院，南昌 330013）摘要：针对本安型气体超声波流量计的供电电路存在本质安全化和多电压输出无法兼备的问题，设计了基于二重转压的本安型气体超声波流量计供电电路。分析了本质安全型气体超声波流量计二重转压供电电路的工作原理，设计了该电路中储能元件的参数，将电容的最大储能限制在255.92 J，电感的最大储能限制在2.24 nJ，远小于本安条件下的最小点燃能量0.28 mJ。对二重转压供电电路进行本质安全校核，电路在同一电压等级下的最大电容为90.2 F，在同一电流等级下最大电感为1 H，芯片最高表面温度为114.8，远小于同一本安条件下各元件参数的最大允许值。对二重转压供电电路进行供电性能测试，电路的输出电压和输出电流完全满足本安型气体超声波流量计的电源要求，解决了本安型气体超声波流量计的供电电路本质安全化和多电压输出无法兼备的问题。关键词：气体超声波流量计；本质安全型；供电电路；防爆中图分类号：TH814.92文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03006704Research on Intrinsically Safe Gas Ultrasonic Flowmeter Power Supply Circuitbased on Dual Transient VoltageLiu Jianchang，Liu Guoquan，Feng Lunyu，Li Yuezhong（School of Mechanical and Electronic Engineering,East China University of Technology,Nanchang 330013,China）Abstract:Aiming at the problem that intrinsic safety and multi-voltage output of the intrinsically safe type gas ultrasonic flowmeter powersupply circuit cannot be combined,the intrinsically safe type gas ultrasonic flowmeter power supply circuit based on dual transversion wasdesigned.The working principle of the intrinsically safe type gas ultrasonic flowmeter dual-transfer power supply circuit was analyzed,and theparameters of the energy storage components in the circuit were designed to limit the maximum energy storage of the capacitor to 255.92 J andthe maximum energy storage of the inductor to 2.24 nJ,which was much smaller than the minimum ignition energy of 0.28 mJ underintrinsically safe conditions.Intrinsic safety check was carried out on the double voltage conversion power supply circuit.The maximumcapacitance of the circuit at the same voltage level is 90.2 F,the maximum inductance at the same current level is 1 H,and the maximumsurface temperature of the chip is 114.8,which is much less than the maximum allowable value of each component parameter under thesame intrinsically safe condition.The power supply performance test was also carried out on the dual-transfer power supply circuit.The outputvoltage and output current of the circuit fully meet the power supply requirements of the intrinsically safe type gas ultrasonic flowmeter,solvingthe incompatible problem of the intrinsically safety and multi-voltage output of power supply circuit of the intrinsically safe type gas ultrasonicflowmeter.Key words:gas ultrasonic flowmeter;intrinsically safe type;power supply circuit;explosion-proof2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.012刘建昌，刘国权，冯伦宇，等.基于二重转压的本安型气体超声波流量计供电电路研究 J.机电工程技术，2023，52（03）：67-70.0引言近年来，气体超声波流量计因其测量精度高、使用寿命长等优点，被越来越广泛地用于天然气贸易计量与城市燃气计量，并逐渐被认为是一种可替代传统流量计量的新型计量技术。气体超声波流量计工作于甲烷-空气环境，当电路系统释放的能量超过环境中物质的最小点燃能量时，会引燃周围易爆性气体造成严重生产事故1-4。目前，本安设备因安全性较高、使用便捷成为主流的防爆措施5-8。为保障气体超声波流量计的实际生产需求，必须进行本质安全化设计，使其满足本质安全设备相关标准9。国内外学者针对燃爆环境下检测设备的本质安全化开展了诸多研究，其中，孔维正等10对矿用本质安全超声测距电路系统进行了设计，使测距电路系统各储能元件的最大储能小于最小点燃能量。Yu Wang等11针对传统超声波测距系统中变压器驱动瞬间会产生巨大能量，导致安全事故的问题，提出了一种由本质安全电源和模拟开关供电的无变压器超声波测距系统，为工作在爆炸性环境中的超声波测距系统提供了一种新的解决方案。于志学等12针对通过在AC-DC模块后接两重过压保护电路和三重过流保护电路，同时结合左侧开关的方法设计了的矿用本安型电源。王怀琴等13针对煤矿井下的密闭 67空间中具有照度低、瓦斯浓度高、烟尘含量大等特点设计了矿用本质安全型黑光摄像机，确保易燃易爆环境中可以将实时视频画面清晰传输。段庆等14针对传统超声测距系统的脉冲变压器存在火花能量超限的风险，设计了无变压器驱动的矿用本质安全超声测距系统，实现爆炸环境中的距离测量。然而，目前针对气体超声流量计供电电路的本质安全设计和研究相对较少。本文采用开关电源和LDO结合的方式，设计了一种二重转压本安供电电路，实现了多电压同时稳定输出。通过设计供电电路中储能元件的参数，使各元件的最大储能小于最小点燃能量；且供电电路中各元件均通过了本质安全校核，达到了国家标准GB3836.42021规定的类设备的本安要求15。通过实验分析了本安供电电路的性能，结果表明，本文设计的本安供电电路输出电压和电流均能满足气体超声波流量计的供电需求。1本安型气体超声波流量计系统如图 1所示，本质安全型气体超声波流量计系统由本安供电模块、超声波换能器激励模块和回波信号处理模块组成。本安供电模块负责为系统中的各个模块提供可靠稳定的输入电压和输入电流；超声波换能器激励模块的主要作用是产生激励信号并增强激励信号的功率；回波信号处理模块负责对微弱的回波信号进行接收、放大、滤波等操作，提高回波信号的幅值与信噪比。本安供电模块是本质安全型气体超声波流量计的核心，是系统中各电路能够稳定工作的前提。本安供电模块储能元件较多，本安化设计最为困难，为了使气体超声波流量计能够在易燃易爆环境中稳定运行，达到本质安全要求，必须优先对供电模块进行本安化设计。2二重转压供电电路设计气体超声波流量计不同模块对供电电压的要求不同，而单个转压电路无法实现多种电压信号同时输出，因此，本文设计二重转压供电方案实现多电压输出，如图 2所示。直流电压转换最高效的方式是使用电压转换芯片，主要有DC-DC开关电源和低压差线性稳压器（LDO）两种。DC-DC 开关电源的优点是输出电流大、带载能力强、转换效率高、可升降压输出，缺点是输出电压纹波较大、成本较高，外围电路复杂。LDO的优点是输出电压纹波小、输出稳定、静态电流小、成本低，缺点是只可降压输出、输入电压范围较窄。根据两种转压芯片的特点，在二重转压供电电路的第一级采用开关电源，第二级采用 LDO 和开关电源组合。通过两级转压电路实现3.3、3.0、2.5和10 V的电压信号同时输出，满足了气体超声波流量计的供电需求。（1）第一级供电电路设计第一级供电电路采用 Buck-Boost 型开关电源芯片TPS630242，可在输入电池电量不足时进行升压输出，电池电量充足时进行降压输出，转换效率可达97%。第一级供电电路如图 3所示，电池输出的3.6 V电压信号经TPS630242转换后输出3.3 V电压信号，对气体超声波流量计中的变压器升压电路和光耦隔离电路进行供电。（2）第二级供电电路降压部分设计第二 级 供 电 电 路 的 降 压 部 分 采 用 LDO 芯 片S-1206B30、FT531和开关电容电压转换器 TC1220，将第一级供电电路输出的 3.3 V 电压信号转换为 3.0 V和2.5 V。第二级供电电路的降压部分电路如图 4所示，第一级供电电路输出的 3.3 V 电压信号分成 3 路进行转换，第1路3.3 V电压经S1206B30降压后输出3.0 V电压信号，给气体超声波流量计中的主控芯片及其外围电路和高压模拟开关芯片供电；第2路3.3 V电压经FT531降图1本质安全型气体超声流量计结构框图图2本安供电模块设计方案图3第一级供电电路2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期 68压后输出2.5 V电压信号；第3路3.3 V电压经TC1220和S-1206B30转换后输出-2.5 V电压信号，输出的2.5 V电压给对气体超声波流量计中的回波信号处理电路供电。（3）第二级供电电路升压部分设计第二级供电电路的升压部分采用Boost型电压转换芯片LM27313，将第一级供电电路输出的3.3 V电压信号转换成10 V。第二级供电电路的升压部分电路如图5所示，第一级供电电路输出的3.3 V直流电压经LM27313升压后输出10 V电压信号，给气体超声波流量计中的高压模拟开关芯片供电。3二重转压供电电路储能元件参数设计为实现供电电路本安化，满足GB3836.42021的要求（类设备储能