Research on the safe transmission power of mine radio wave explosion prevention
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摘要: 5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等发射的大功率无线电波有点燃瓦斯和煤尘的风险。因此，需要合理设置防爆无线电设备发射的无线电波防爆安全功率阈值，限制防爆无线电设备发射的无线电波功率。欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》规定了爆炸性气体环境中无线电波防爆安全接收点火功率阈值，但缺少无线电波防爆安全发射功率阈值的内容。国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》虽然有无线电波防爆安全发射功率阈值的相关规定，但错误地将欧洲标准CLC/TR 50427:2004中的无线电波防爆安全接收点火功率阈值修改为无线电波防爆安全发射功率阈值，大大降低了爆炸性环境中无线电设备所能允许的最大发射功率。由于煤矿井下没有能作为接收天线的起重机这类细长结构物体，且现有矿井无线通信及定位系统工作频率均远大于30 MHz，所以，无线电波防爆安全接收点火功率阈值应为8 W，而不是国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的无线电波防爆安全发射功率阈值6 W。在发射天线发射的无线电波能量全部被等效天线吸收的最不利于无线电防爆的传输和耦合情况下，无线电设备工作频率为等效天线谐振频率时，接收点火功率达到最大，为等效天线接收的总功率的一半，即发射功率的一半。在实际工程中，无线传输效率和耦合效率均不会为1，因此，无线电波防爆安全发射功率阈值应是无线电波防爆安全接收点火功率阈值2倍以上。煤矿井下无线电波防爆安全接收点火功率阈值为8 W，因此，煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W。Abstract: High power radio waves emitted by mobile communication systems such as 5G, 5.5G, WiFi6, WiFi7, UWB, ZigBee, as well as personnel and vehicle positioning systems in mines, pose a risk of igniting gas and coal dust. Therefore, it is necessary to set a reasonable threshold for the explosion-proof safe power of radio waves emitted by explosion-proof radio equipment, and limit the power of radio waves emitted by explosion-proof radio equipment. The European standard CLC/TR 50427:2004 Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide specifies a threshold for the safe reception and ignition power of radio waves in explosive gas environments. But it lacks content on the threshold for the safe transmission power of radio waves. Although the national standard GB/T 3836.1-2021 Explosive atmospheres-Part 1:Equipment-General requirements and the international standard IEC 60079-0:2017 Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements have relevant provisions on the safe transmission power threshold for radio wave explosion protection, they mistakenly modify the safe reception ignition power threshold for radio wave explosion protection in the European standard CLC/TR 50427:2004 to the safe transmission power threshold for radio wave explosion protection. It greatly reduces the maximum transmission power allowed by radio equipment in explosive atmospheres. There’s a lack of slender structural objects such as cranes that can serve as receiving antennas in coal mines. The existing radio communication and positioning systems in mines operate at frequencies far greater than 30 MHz. Therefore, the threshold for the safe reception and ignition power of radio waves should be 8 W, instead of the radio wave explosion-proof safe transmission power threshold of 6 W specified in the national standard GB/T 3836.1-2021 and the international standard IEC 60079-0:2017. When the energy of the radio waves emitted by the transmitting antenna is fully absorbed by the equivalent antenna, which is the most unfavorable for wireless explosion-proof transmission and coupling, and the operating frequency of the radio equipment is the equivalent antenna resonance frequency, the reception and ignition power reaches its maximum. It is half of the total power received by the equivalent antenna, that is, half of the transmission power. In practical engineering, both radio transmission efficiency and coupling efficiency are not equal to 1. Therefore, the threshold for safe transmission power of radio waves should be more than twice the threshold for safe reception and ignition power of radio waves. The threshold for the safe reception and ignition power of underground radio waves in coal mines is 8 W. Therefore, the threshold for the safe transmission power of underground radio waves in coal mines should be greater than 16 W.
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0. 引言
钢丝绳因其性能优良，常作为关键承载构件应用于煤矿提升设备中。钢丝绳长期连续使用会出现断丝、磨损、断股等损伤[1-2]，存在安全隐患，需要进行损伤检测，以免发生安全事故。实际生产中常采用人工、漏磁通、机器视觉等方法进行钢丝绳损伤检测。其中，漏磁通检测法应用最广泛，其利用传感器采集损伤处漏磁通信号，结合钢丝绳损伤相关影响因素分析来判断损伤程度，进而对钢丝绳的健康状况进行评估。
随着电磁检测技术的发展，研究人员对钢丝绳损伤漏磁通检测法进行了大量研究。E. Kalwa等[3]采用霍尔元件对钢丝绳损伤检测磁通回路的主磁通和漏磁通进行了大量实验，得出了不同损伤程度对应的磁通分布规律。张操等[4]针对基于漏磁通检测原理的钢丝绳探伤仪，分析了钢丝绳提离距离、传感器材料、断丝根数等对检测结果的影响。康宜华等[5]通过有限元分析法研究了不同钢丝绳磁化方法的效果差异，探讨了钢丝绳内部磁场和损伤漏磁通信号随励磁装置参数变化的规律。上述研究对于提高钢丝绳损伤检测精度和可靠性有一定效果，但未考虑磁通回路中磁噪声信号与钢丝绳损伤漏磁通信号的相互作用对钢丝绳损伤检测的影响。
本文通过理论和仿真分析研究钢丝绳损伤检测磁通回路中磁场分布特性，对磁通回路进行优化设计，以改善损伤漏磁场质量，提高检测装置性能。
1. 钢丝绳损伤漏磁通检测原理
钢丝绳损伤漏磁通检测基于钢丝绳的铁磁性特质[6]，利用励磁源将钢丝绳均衡磁化至饱和，采用径向多回路磁敏元件捕捉钢丝绳损伤漏磁通，根据钢丝绳损伤漏磁通与损伤程度呈线性关系的原理，判断钢丝绳损伤程度。
钢丝绳损伤漏磁通检测基本模型如图1所示。从永磁体N极发出的磁力线在永磁体与钢丝绳间气隙、钢丝绳、永磁体、衔铁间传播，构成闭合路径（磁通回路）。正常情况下，在钢丝绳段形成匀强磁场，磁力线包裹在钢丝绳内部[7-9]。当钢丝绳出现内部或外部断丝、锈蚀等损伤时，钢丝绳中的磁场在钢丝绳与空气2种不同介质间发生偏折，在损伤表面形成局部漏磁场。通过磁敏元件采集损伤漏磁通，经处理分析得出钢丝绳损伤程度。
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图 1 钢丝绳损伤漏磁通检测基本模型Figure 1. Basic model of wire rope damage detection by magnetic flux leakage从图1可看出，钢丝绳损伤漏磁通检测过程中除主磁通回路外，还存在磁噪声回路，对钢丝绳损伤漏磁通信号采集造成影响。建立漏磁通检测等效磁路模型（图2），对磁通回路中磁噪声信号进行分析。
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图 2 漏磁通检测等效磁路模型Figure 2. Equivalent magnetic circuit model of magnetic flux leakage detection图2中，将永磁体磁势F视为恒压源，R1为永磁体与钢丝绳间气隙磁阻，R2为衔铁与永磁体接触部分的磁阻，R3为衔铁磁阻，R4为衔铁与钢丝绳表面空气介质磁阻，R5为钢丝绳磁阻，Фm为回路主磁通，Ф1为衔铁中的磁通，Ф2为衔铁表面与钢丝绳间空气介质中的磁通，Ф3为钢丝绳磁通。由基尔霍夫第一、第二定律可知
$$ {\varPhi _{\rm{m}}} \geqslant {\varPhi _1} $$ (1) $$ {\varPhi _1}{\text{ = }}{\varPhi _2}{\text{ + }}{\varPhi _3} $$ (2) $$ {R_4}{\varPhi _2} = {R_5}{\varPhi _3} $$ (3) $$ F = {R_1}{\varPhi _{\rm{m}}} + \left( {{R_2} + {R_3}} \right){\varPhi _1} + {R_4}{\varPhi _2} $$ (4) $$ {R_i} = \frac{1}{G_i} \;\;\;\;\;\;\;\;\;i=1,2,\cdots,5 $$ (5) 式中Gi为磁导，与导磁介质的材料及横截面积有关。
永磁体与钢丝绳间气隙导致产生部分漏磁通，使得Ф1＜Фm。该部分漏磁通不可避免，且主要分布在闭合回路两端，对钢丝绳损伤漏磁通信号检测影响有限，因此可将Ф1视为磁通回路的主磁通。
采用Ansoft Maxwell有限元软件对磁通回路中的磁场分布进行仿真分析，结果如图3所示。可看出磁力线从一侧永磁体出发，经过衔铁传至另一侧永磁体，再经钢丝绳形成主磁通回路。在钢丝绳损伤处，磁力线发生偏折，磁力线穿过损伤端面与空气接触后指向钢丝绳表面。
在钢丝绳损伤上方空气介质中，除损伤导致的漏磁通外，还存在永磁体−衔铁−空气−永磁体、永磁体−钢丝绳−空气−永磁体、永磁体−空气−永磁体等磁噪声回路，形成较强的背景磁场。多股漏磁通在磁敏元件处相互叠加，极易对钢丝绳损伤漏磁通检测信号造成干扰。其中影响最大的是衔铁导磁路径的漏磁通和两侧永磁体与空气介质之间耦合磁场导致的漏磁通。因此，本文主要考虑这2种因素对磁通回路进行优化。
2. 磁通回路优化设计
2.1 衔铁导磁路径优化
磁力线在磁通回路中的传导不仅与导磁介质的磁学状态有关，也与其几何形状有关。磁力线呈直线或曲线分布，且传导方向总是垂直于导体截面[10-12]。由于磁力线具有趋低磁阻性，所以不存在磁力线交叉或直角弯折现象。衔铁与永磁体接触部位为直角结构，不利于磁力线传导，导致永磁体−衔铁−空气−永磁体磁噪声回路中漏磁通较大，降低永磁体的磁能传递效率。同时，该部分漏磁通与钢丝绳损伤漏磁通一同被磁敏元件采集，导致钢丝绳损伤程度误判情况。
基于上述分析，将衔铁与永磁体接触部位设计为圆角结构，建立如图4所示的仿真模型，分析衔铁导磁路径优化对钢丝绳损伤漏磁通检测的影响。
衔铁与永磁体接触部位轴向漏磁通分布如图5所示。两侧永磁体长度均为400 mm，轴向距离为200 mm。可看出当接触端采用圆角时，两侧永磁体之间中点处（磁敏元件位置）磁感应强度较采用直角时小，表明衔铁与永磁体接触部分漏磁通小，可降低该部分漏磁通对钢丝绳损伤漏磁通检测信号的影响。
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图 5 衔铁与永磁体接触部位轴向漏磁通分布Figure 5. Radial magnetic flux leakage distribution at touching part of armature and permanent magnet2.2 磁桥路屏蔽装置设计
衔铁与永磁体接触部分圆角结构的优化设计使得绝大多数磁力线沿衔铁导磁路径传导到钢丝绳中，减小了主磁通回路磁通泄漏，但仍存在两侧永磁体与空气介质耦合产生的漏磁通。
基于磁场的趋高磁导率介质特性[13-15]，设计了磁桥路屏蔽装置。该装置为由高导磁材料制作的环形屏蔽壳，安装在磁敏元件所在的检测区域（图6），构建一条磁桥路引导空气介质中的漏磁通走向，消除该部分漏磁通对钢丝绳损伤漏磁通检测的影响。
采用Solidworks有限元软件研究磁桥路屏蔽装置的效果。设置屏蔽壳长度为160 mm，内径为80 mm。以直径为26 mm的铁棒代替钢丝绳，制作1处损伤，分别建立有无磁桥路屏蔽装置时的钢丝绳损伤检测模型进行有限元仿真，结果如图7所示。
从图7可看出，加装磁桥路屏蔽装置后，两侧永磁体与空气介质间耦合磁场导致的漏磁通经磁桥路屏蔽装置传递，装置内部区域只有很少的耦合漏磁通，为钢丝绳损伤漏磁通最佳检测区域。
将磁桥路屏蔽装置用于钢丝绳损伤检测中，磁敏元件采集的漏磁通如图8所示。
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图 8 钢丝绳损伤检测漏磁通分布Figure 8. Magnetic flux leakage distribution of wire rope damage detection两侧永磁体长度均为100 mm，150~250 mm为检测区域。可看出在190~196 mm损伤段，无磁桥路屏蔽装置时漏磁通最大值为53.6 mT，加装屏蔽装置后最大值为140.3 mT，表明加装磁桥路屏蔽装置可避免磁敏元件采集损伤漏磁通信号时受背景磁场干扰，有利于识别较小的损伤。
3. 实验验证
基于理论分析与有限元仿真结果，搭建钢丝绳损伤检测实验平台，如图9所示。钢丝绳型号为6×19+FC，总直径为26 mm，在钢丝绳表面制作1股（19根）长5 mm的断丝损伤。磁通回路中衔铁材料为DT4C；磁源为环形排列的N48型永磁体，分布于钢丝绳轴向两端，对钢丝绳进行轴向磁化。实验中钢丝绳以0.7 m/s的速度匀速穿过探伤仪，磁敏元件采集钢丝绳损伤漏磁通信号并将其转换为电压信号，经放大滤波后在示波器上显示，如图10所示。
图10中电压波形平稳部分为钢丝绳无损伤段信号，反映钢丝绳股间漏磁通；电压凸起部分为钢丝绳损伤段信号。可看出磁通回路优化后，由于导磁路径中主磁通增大，所以损伤处采集信号特征明显；钢丝绳损伤采集信号由磁通回路优化前的6.14 mV增大至18.59 mV，表明磁桥路屏蔽装置具有漏磁通聚合增强效果。由此可知优化的磁通回路能提高磁能利用率，有效聚合增强目标漏磁通，减小磁噪声影响，提高钢丝绳损伤检测性能。
4. 结论
（1） 衔铁与永磁体接触部位圆角结构的优化使得磁力线尽可能多地从衔铁中传导，从而减少磁通回路中非损伤段的漏磁通，增大磁通回路的传递效率，提高磁能利用率和钢丝绳磁化效果，有利于钢丝绳探伤仪的轻便化设计。
（2） 磁桥路屏蔽装置采用高导磁材料，引导钢丝绳损伤漏磁通检测区域内永磁体与空气介质之间耦合漏磁通的走向，减小其对损伤漏磁通检测的影响，有利于钢丝绳探伤仪检测较小的损伤。
（3） 实验结果表明，优化后的磁通回路中主磁通增大，损伤信号特征明显，且损伤信号较优化前大幅增强，提高了钢丝绳损伤检测的准确性。
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