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255.92µJ，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90.2µF，在同一电流等级下最大电感为1µH，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

　　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GB3836.4—2021规定的

　　Ⅰ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GB3836.4—2021的要求(Ⅰ类设备储能元件储能须小于其最小点燃能量Wmin=0.28 mJ)，必须对本质安全型气体超声波流量计供电电路中储能元件的参数进行设计。供电电路中电容和电感储能计算公式如下。

　　式中：C为电容的容值；U为电容两端的电压；L为电感的感值；I为电感两端的电流。本文以第一级供电电路为例计算电容和电感的储能，如图3所示。设流经电感L1的电流为iL1，输入电压为uIN，电容C1、C2两端电压为uC，二极管D1、D2压降为ΔuD，得到第一级供电电路输入端储能元件的储能计算公式如式(3)~(4)所示。

　　式中：uIN=3.6 V；ΔuD=500 mV；iL1=340 mA。计算得到C1、C2的最大储能分别为64.8µJ和648 nJ。同理，可计算出本文气体超声波流量计供电电路中其余电容和电感的最大储能，如表1所示。可知，气体超声波流量计供电电路中所有储能元件的最大储能均小于本安国家标准规定Ⅰ类设备的最小点燃能量。

　　4本质安全校核

　　为了确保气体超声波流量计供电电路中储能元件不会引起火花点燃，根据国家标准，需要对本安电路中的储能元件进行火花点燃校核，对本安电路中的芯片进行热点燃校核。

　　(1)火花点燃校核

　　首先对电容进行火花点燃校核，根据相关国家标准中对于Ⅰ类设备的要求，电压等级为输入电压的1.05倍，安全系数为1.5。在输入电压为±2.5、3.0、3.3、3.6、10 V时，供电电路设计电容值和国标允许的电容值如表2所示。由表可知，在同一电压等级下所有电容值之和均小于国标中规定的电容值，因此气体超声波流量计供电电路中电容的火花点燃校核通过。

　　其次对电感进行火花点燃校核，L1、L2的电流等级是电池经过限流电阻输出的最大电流，分别为79 mA和67 mA。国标规定，对于Ⅰ类设备在79 mA和67 mA电流等级下允许的最大电感值分别为160 mH和200 mH，而气体超声波流量计供电电路中电感L1、L2的感值为1µH，远小于国标规定的允许电感值。

　　(2)热点燃校核

　　热点燃校核是根据芯片的结温进行校核，结温计算公式如式(5)所示。

　　式中：TJ为芯片结温；TA为环境温度；RθJA为芯片热阻；PD为芯片最大输入功率。

　　根据本安国家标准对于Ⅰ类设备的规定，所有温度数据应以40℃环境温度为基准，且对于Ⅰ类设备中表面积小于20 mm2的元件最高温度应低于950℃。本文设计的气体超声波流量计最高工作温度为60℃，因此以60℃作为环境温度进行热点燃校核，通过式(5)计算得出，供电电路中所有芯片的表面最高温度，如表3所示。由表可知，除TC1220缺少热阻数据无法计算表面最高温度外，其余芯片表面最高温度均低于本安国家标准规定的Ⅰ类设备允许的最高表面温度。通过防爆所校核实验，确认了TC1220表面最高温度不会超过标准规定的最高允许温度。

　　5二重转压供电电路性能测试与讨论

　　(1)正常运行时电感L1输出电压测试

　　第一级供电电路正常工作时电感L1输出电压波形如图6(a)所示，图6(b)为图6(a)的放大图。在气体超声波流量计正常工作时电感L1输出频率2.5 MHz占空比76%幅值3.3 V的固定波形信号，虽然在上升和下降时有震荡产生，但总体输出波形较为稳定，能够满足气体超声波流量计的正常使用。

　　(2)换能器驱动与否对第一级供电电路输出电压的影响

　　换能器不驱动时与驱动时第一级供电电路输出电压波形分别如图7(a)、图7(b)所示。由图7(a)可见，换能器不驱动时第一级供电电路能够稳定输出3.3 V电压信号，且纹波较小；由图7(b)可见，换能器驱动时气体超声波流量计第一级供电电路输出电压每隔30 ms会有下降，这是由于换能器工作瞬间需要大量能量导致输出电压产生下冲，但下冲幅度较小，不影响气体超声波流量计的正常工作。

　　(3)输出电流与负载电阻阻值的关系

　　通过实验测试了负载电阻阻值与气体超声波流量计第一级供电电路输出电流的关系，如图8所示。负载电阻从150Ω下降到10Ω的过程中输出电流逐渐增大，在10Ω时达到最大值340 mA，当负载再次减小时，由于芯片内部自带短路保护功能输出电流在短时间内下降到0 mA。在输出电流达到最大值340 mA时，电感L1的储能为57.8 nJ，此时仍小于本安国家标准规定Ⅰ类设备的最小点燃能量0.28 mJ。

　　由以上实验结果可知，第一级供电电路的输出电压和电流，完全满足本质安全型气体超声波流量计供电电源要求。同样地，对气体超声波流量计第二级供电电路进行了测试，性能满足气体超声波流量计的正常使用要求。

　　6结束语

　　本文设计了一种开关电源与低压差线性稳压器组合的二重转压供电电路，实现了多电压的同时稳定输出，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。设计了该电路中储能元件的参数并计算了储能元件的最大储能，对该电路开展了本质安全校核和供电性能测试，结果表明：本文设计的二重转压供电电路完全满足Ⅰ类设备本质安全国家标准和气体超声波流量计对供电电源的要求，为实现气体超声波流量计的本质安全化提供了有利保障。

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