基于数字防爆式的危险品作业场所静电释放装置设计*

李祖勤 刁宏伟 田树新 王翩翩

(91829部队 大连 116041)

基于数字防爆式的危险品作业场所静电释放装置设计*

李祖勤 刁宏伟 田树新 王翩翩

(91829部队 大连 116041)

针对当前危险品作业场所静电释放装置存在的安全隐患,提出一种具有数显和防爆功能的静电释放装置设计方法。利用设计合理的人体静电释放电阻,有效地控制人体静电释放时间与释放安全;采用直接接触的方式检测和显示人体静电值,释放结果可通过声光报警进行提示。该设计操作简便,能有效提高危险品作业场所的安全防护等级。

危险品; 静电释放; 数字防爆

Class Number O441.4

1 引言

静电是当物体接触分离时,因电荷移动而产生电荷不平衡的带电现象,人体所带静电是最为常见和普遍的。由于人体活动摩擦使得每个人的身上都带有一定程度的静电,当遇到突然分离或与低电位物体接触时,就会发生静电放电火花,引起电子元件的静电击穿,在存有易燃、易爆等场所极易引起火灾和爆炸。因此,静电危害问题已经引起世界各国的普遍重视,特别是在危险品生产(如电爆管、雷管、炸药等)、运输和贮存以及电子产品(如计算机、COMS器件等)等方面,更为人们所关注[1～8]。

目前,危险品库房静电释放装置仍存在以下问题:

1) 由于金属材料接地阻值太低,当人体静电电位较高时,人体与静电释放装置接触的瞬间(约几十ns)释放电能量转移高达80%～100%,极易引发静电火花放电,并对人体有电击感,对仓库和洞库等作业场所的安全带来了隐患。

2) 铜球材料存在表面氧化现象,增加了导电电阻,同时不能适时掌握静电释放装置与接地电阻的接触是否良好,从而影响了静电的释放。

3) 没有静电显示功能,在人体触摸释放器触摸球释放静电时,无法知道是否已经释放到安全静电压100V以下范围内还是因静电释放装置故障无法释放静电,存在严重的安全隐患。

因此,设计一型防爆数显静电释放装置,弥补普通静电释放装置的缺点,更加适用于易燃、易爆及防静电等场所,以确保人员和设备的安全。

2 数字防爆式静电释放装置设计

2.1 设计思路

防爆数显静电释放装置的主体思路是先检测人体静电值,然后释放人体静电并能在释放过程中显示静电值。静电释放装置选用静电亚导体材料作为触摸球,采用间接接地,设计合理的人体静电释放电阻,有效地控制人体静电释放时间,降低瞬间人体静电释放能量,使人体静电安全释放;采用直接接触的方式来检测和显示人体静电值、人体与静电触摸球接触可靠性和接地电阻可靠性,通过声光报警提示静电消除完毕和低电压,为了降低和简化操作设有测试仪表自动上、断电控制电路。

2.2 硬件组成

主要由防爆静电释放装置、测试仪表和支架等组成。其中静电释放装置由防爆触摸球、声光报警装置、接地检测装置、自动上断电电路、提示牌、立杆、固定装置和接地线等组成;测试仪表由壳体、触摸压动盘、放大电路、AD转换、MCU数据处理器和显示器等组成。防爆数显静电释放装置组成如图1所示。

图1 防爆数显静电释放装置组成图

2.3 总体结构设计

防爆数显静电释放装置的结构设计应符合人机工程学的基本要求,整机外形美观,布局合理,可根据使用要求选用立式或壁式安装方式,易于固定,便于操作和观察。防爆数显静电释放装置结构如图2所示。

图2 防爆数显静电释放装置结构图

2.3.1 触摸压动盘和静电释放触摸球设计

触摸压动盘采用不锈钢,具有良好的导电性,外形为圆盘型,适合手掌触摸,在外力的作用下能够沿着导向管自由伸缩,当外力撤除后自动复位。静电触摸球采用静电亚导体材料,外形为中间开孔的圆球形,用于安装触摸压动盘,当触摸压动盘压下后,成为一个完整的圆球形,在侧面开有灯光指示孔和报警器安装孔,内部装有锂电池和电路,通过螺钉与立杆固定。

2.3.2 静电释放装置立杆和固定装置设计

静电释放装置立杆选用304不锈钢管,直径为38mm,壁厚为3mm,可根据使用要求适当调整立杆的长度,其上部可与静电触摸连接,下部可与固定装置连接,接地线和测试电线从中间穿过。固定装置选用厚为10mm的不锈钢板,在圆环上钻直径为10mm的圆孔,用固定螺栓与地桩固定。

2.3.3 静电测试仪表支架和壳体设计

仪表支架选用304不锈钢管,直径为20mm,壁厚为1.5mm,两段连接在一起,其两端分别固定在立杆和测试仪表壳体上,支架连接处可自由活动。测试仪表壳体选用塑料材料,尺寸为120mm×80mm×60mm,内装测试仪表电路和显示器。

2.4 防爆特性设计

2.4.1 人体物理特性分析

1) 人体静电电压统计如表1所示[9]所示。

表1 人体静电电压统计表

2) 易燃、易爆最小引燃能量统计如表2所示。

表2 易燃、易爆最小引燃能量统计表

3) 人体通常带电静电放电电能分析

人体静电放电能量计算公式:

(1)

式中:W为放电能量,单位J;C为等效电容,单位F;V为电位差,单位V;人体电容100pF～400pF,通常带电2kV～5kV,带入式(1)得:

Max[W]=0.4mJ～2.5mJ

若大于可燃物的最小引燃能量时,就有引燃危害。

4) 人体静电消除安全指标[10]

放电电荷转移量小于0.1μC;转移能量μJ级;触摸后人体残余电压小于100V;释放过程中人体安全电流小于5mA;残余能量小于0.1mJ。

5) 人体静电的消除

消除静电就是提供一条静电电荷泄露的通道,泄放导体上积聚的电荷,使导体与大地等电位,使导体间电位差小于100V以下范围内。

人体静电电容电压释放计算公式为

U=U0e-t/RC

(2)

LnU=LnU0-(t/RC)

T=RC(LNU0-LNu)8.518-4.6

式中:U为静电释放后安全电压,单位V;U0为静电释放前电压,单位V;t为静电释放时间,单位s;C为人体电容,单位pF。

2.4.2 普通静电释放装置存在的危险

普通静电释放装置的设计是通过直接接地的方式,通过触摸铜球或不锈钢结构触摸球直接放电,其电阻约等于0,当人体与触摸球接触时与大地电阻在几十欧之间,人体对地间电容大概有200pF,假设人体自带有U0=5000V静电电压,将其释放到100V安全电压范围以内,带入式(2),求得静电释放时间在t=0.0001～0.00001之间。

这种直接通过金属导体使物体接地的释放静电的方式,释放时间极短,人体对地金属体瞬间(约几十ns)放电能量转移高达80%～100%,静电能量瞬间集中释放,极易引发静电火花放电,其引燃引爆能力极强,足以点燃易然、易爆物品。

2.5 防爆静电释放装置的设计

防爆静电释放装置的设计是通过间接接地的方式,通过非金属导电材料或防静电材料以及防静电制品使物体接地,间接释放静电。按照人体静电消除安全指标的要求和人体静电电容电压释放计算公式,将静电在1s内把5000V的静电电压降到100V以下,将U=100V,U0=5000V,t=1s和C=200pF带入式(2),求得R=1.28×109Ω,选用静电亚导体防爆触摸球,其电阻值在106Ω～109Ω之间,符合人体静电消除安全和防爆要求。

2.6 测试、显示电路设计

采用接触式测量,直接测试人体静电,用放大电路放大,AD转换经过MCU数据处理送显示器显示,特点是检测精度较高,实现较容易,但静电衰减快。

当有人靠近防爆数显静电释放装置时,上电电路自动接通测试仪表的电源,当手接触到触摸压动盘时,人体静电的电压值将显示出来,测试仪表连续显示人体静电值。用手继续向下压动,手掌接触到静电释放球,静电释放装置开始声光报警,开始释放静电,人体静电释放完毕后,静电释放装置停止声光报警,测试仪表显示人体残余静电电压。

测试、显示电路原理如图3所示。

图3 近距空中支援

2.7 声光报警电路设计

2.7.1 组成

声光报警电路由静电释放、接地电阻不良和低电压报警电路组成。

2.7.2 功能

静电释放报警电路的功能是当静电释放开始时指示灯红灯闪烁,蜂鸣器报警,说明人体与触摸球接触可靠,静电正在释放,请勿离开,当绿灯闪烁,蜂鸣器不报警,人体静电释放完毕,可以进入危险场所作业。

接地电阻不良报警电路功能是两根接地线不能满足规定阻值的回路时,黄灯闪烁,蜂鸣器报警,说明接地电阻值>55Ω,请及时检查接地线。

低电压报警电路功能是当锂电池电压低于V时,蜂鸣器报警,说明需要及时更换同型号的电池。

声光报警电路原理如图4所示。

图4 声光报警电路原理框图

2.8 自动上电、断电电路设计

2.8.1 组成

自动上、断电电路由唤醒电路和红外感应电路组成。

2.8.2 功能

唤醒电路功能是当手掌可靠接触触摸球时,静电释放装置主要电路开始上电工作,当手掌离开触摸球1min后,静电释放装置主要电路断电停止工作,处于休眠状态。

红外感应电路功能是当人体距离静电释放装置10mm时,测试仪表上电工作,当人体离开后自动断电停止工作。

3 结语

该装置能有效提高危爆品在存储、报废处理、技术检查、燃料化验、加注等各个环节的安全防护水平。

[1] 陈广文,常天海.静电防护的有效方法—接地设计[J].现代电子技术,2005,195(4):111-113.

[2] 常天海,李铁虎.基于LABVIEW的静电电位动态测试系统[J].科学技术与工程,2010,10(26):6394-6397.

[3] 王帅,常天海,尹俊勋.危险品仓库静电隐患的测量、评估与防护铁路危险品货场静电防护技术[J].安全,2005(6):30-33.

[4] 刘东,朱拓,彭卫红,等.静电和空间静电的危害及消除方法[J].印制电路信息,2011(z1):49-55.

[5] 刘尚合,宋学君.静电及其研究进展[J].自然杂志,2007,29(2):63-68.

[6] 赵世宜,陈金旺,王胜,等.弹药运输中的静电危害与防护对策研究[J].装备环境工程,2011,8(3):66-69.

[7] 李琦,王帅,常天海,等.危险品仓库静电隐患的测量、评估与防护危险品仓库中“搬运工具”静电与摩擦火花的防护[J].安全,2005,26(5):39-41.

[8] 吕俊霞,胡雪梅.静电的预防措施和方法[J].照明工程学报,2010,21(1):87-90.

[9] 彭祖林,欧阳吉庭.人体静电及其诱发瓦斯燃爆研究[J].广东石油化工学院学报,2011,21(6):28-33.

[10] GB12158-2006防止静电事故通用导则[S].北京:国家标准.

Design of the Electrostatic Discharge Device for the Hazard Workplace Based on the Digital Explosion-proof

LI Zuqin DIAO Hongwei TIAN Shuxin WANG Pianpian

(No. 91829 Troops of PLA, Dalian 116041)

For the security risks of the electrostatic discharge, a design for the electrostatic discharge with the function of digital display and explosion-proof is proposed. By calculating the electrostatic discharge resistance, the release time for the human electrostatic discharge can be controlled. The static value can be detected and displayed by contacting directly and the release results can be prompted through sound and light alarm. The design can improve the security level of dangerous workplace effectively.

dangerous goods, electrostatic discharge, digital explosion

2014年6月6日,

2014年7月26日

李祖勤,男,工程师,研究方向:安全防护。刁宏伟,男,工程师,研究方向:安全防护。田树新,男,工程师,研究方向:系统建模与仿真。王翩翩,女,助理工程师,研究方向:安全防护。

O441.4

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.054