一种射频电磁能防爆点火试验装置及方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种射频电磁能防爆点火试验装置及方法。

背景技术

5G技术的大带宽、低延时和广连接是实现智能化各系统协调高效运行的技术基础。我国积极推进5G技术在各种工业场景下的应用，然而GB/T 3836.1《炸性环境 第1部分：设备 通用要求》中要求，针对，9kHz～60GHz的射频源，I类爆炸性环境射频信号阈功率不得超过6W（平均时间200us），IIA类爆炸性环境射频信号阈功率不得超过6W（平均时间100us），IIB类爆炸性环境射频信号阈功率不得超过3.5W（平均时间80us），IIC类爆炸性环境射频信号阈功率不得超过2W（平均时间20us），这大大制约了5G通信技术在特殊场景的应用。例如，5G技术在煤矿井下实际应用中，为满足目前防爆标准字面意义上的电磁波防爆限值，普遍采用的是标称发射功率为250mW的室分设备，经防爆改造后，考虑馈线损耗和隔离元器件的损耗，实际发射功率更小，实测运输大巷中最大通信距离覆盖范围不到300m，采煤工作面中最大通信覆盖范围只有30m~40m，边缘传输速率只有10Mbit/s左右。在此限制上，5G技术的优势完全没有充分发挥出来。

值得注意的是，上述指标来源于上世纪80年代，受相关技术发展的制约，试验方法和理论研究都存在一定的缺陷，已经不适用于作为5G技术的标准，现有的测量电路一般也是测量射频源的功率，但在射频源连接发射天线的发射端存在很多功率会被反射的问题，难以得到精确地测量和估计。

发明内容

本发明实施例提供了一种射频电磁能防爆点火试验装置及方法，实现了射频源在爆炸场所中的功率安全阈值的精确测定，针对5G通信技术在各种爆炸性场所的推广应用，为射频电磁能在5G频段功率安全阈值标准修订提供依据，充分发挥5G通信技术效能。

第一方面，本申请通过一实施例提供如下技术方案：

一种射频电磁能防爆点火试验装置，包括第一功率计、第二功率计、定向耦合器、爆炸发生器和功率计算电路；

所述定向耦合器的耦合端连接所述第一功率计；

所述定向耦合器的直通端与所述爆炸发生器连接，所述第二功率计连接于所述定向耦合器的直通端与所述爆炸发生器之间；

所述爆炸发生器上设有传感器，所述传感器用于检测所述爆炸发生器内是否发生爆炸；

在进行电磁能防爆点火试验时，所述爆炸发生器内充有可燃气体，所述定向耦合器的输入端连接射频源，所述射频源用于通过所述定向耦合器向所述爆炸发生器输入射频信号，所述功率计算电路用于在所述传感器检测到所述爆炸发生器内发生爆炸时，基于所述第一功率计和所述第二功率计获得所述爆炸发生器的当前馈入能量，并将所述当前馈入能量确定为所述射频源的安全能量阈值。

在一些实施例中，所述爆炸发生器包括箱体、驱动轴、第一偶极子天线金属管、金属盘、第二偶极子天线金属管和馈电极：

所述箱体内设有密闭爆炸腔，所述箱体设有进气阀门和排气阀门；

所述驱动轴沿着所述箱体轴向设置，所述驱动轴的一端穿过所述箱体并向所述箱体的内部延伸，所述驱动轴的另一端伸出所述箱体并与驱动电机连接；

所述第一偶极子天线金属管套设固定于所述驱动轴的外壁；

所述金属盘套设于所述第一偶极子天线金属管，且位于所述箱体的内部，所述金属盘在沿着圆周向均匀设置有至少一个缺口；

所述第二偶极子天线金属管固定设置于所述箱体内壁，所述第二偶极子天线金属管与所述第一偶极子天线金属管同轴设置，所述第二偶极子天线金属管朝向所述金属盘的一端套设有导电盘，所述导电盘与所述金属盘相互平行且同轴；

所述馈电极一端与所述导电盘电气连接，所述馈电极另一端朝向所述金属盘，当所述馈电极的另一端位于缺口内时，所述馈电极的另一端不与所述金属盘接触；当所述馈电极的另一端位于缺口外时，所述馈电极的另一端与所述金属盘抵接；

在进行电磁能防爆试验时，所述驱动电机用于驱动所述金属盘相对所述馈电极转动，以使所述馈电极的与所述金属盘的板面间歇性接触，在所述射频源的输出功率达到阈值后点燃所述可燃气体。

在一些实施例中，所述第一偶极子天线金属管与所述箱体内壁通过支撑轴承连接，所述支撑轴承用于支撑所述第一偶极子天线金属管和所述驱动轴。

在一些实施例中，所述驱动轴与所述箱体之间通过驱动轴密封件转动连接。

在一些实施例中，所述箱体设有观察窗。

在一些实施例中，所述观察窗设置有卸爆口，所述卸爆口堵塞有橡胶塞。

在一些实施例中，所述金属盘与所述第一偶极子天线金属管之间电气连接。

在一些实施例中，所述馈电极为钨丝，所述金属盘为镉盘。

在一些实施例中，试验装置还包括射频源和负载；

所述射频源的输出端与所述定向耦合器的输入端相连，所述负载连接在所述定向耦合器的隔离端。

在一些实施例中，所述定向耦合器的直通端与所述爆炸发生器之间连接有环形器。

在一些实施例中，所述环形器与所述第二功率计之间设置有用于保护所述第二功率计的衰减器。

第二方面，基于同一发明构思，本申请通过一实施例提供如下技术方案：

一种射频电磁能防爆点火试验方法，包括：

在所述爆炸发生器中充入可燃性气体；

控制所述射频源连接所述定向耦合器的输入端，以及控制所述射频源通过所述定向耦合器向所述爆炸发生器输出功率递增的射频信号；

在所述传感器检测到所述爆炸发生器内发生爆炸时，通过所述功率计算电路获得所述第一功率计检测的第一功率值和所述第二功率计检测的第二功率值，并基于所述第一功率值和所述第二功率值获得所述爆炸发生器的当前馈入能量，并将所述当前馈入能量确定为所述射频源的安全能量阈值。

在一些实施例中，所述在所述爆炸发生器中充入可燃性气体，包括：

控制进气阀门和排气阀门以通入可燃性气体，将内部的原有气体排出后，同时关闭所述进气阀门和所述排气阀门；

结合本发明的第一方面，在一些实施方式下，在所述控制所述射频源连接所述定向耦合器的输入端之后，所述方法还包括：

控制所述驱动电机通过所述驱动轴驱动所述金属盘进行匀速转动，以使所述馈电极与所述金属盘按照设定周期进行间歇性接触;

所述控制所述射频源通过所述定向耦合器向所述爆炸发生器输出功率递增的射频信号，包括：

控制所述射频源输出功率递增的射频信号，以在所述射频源的功率达到阈值时，所述馈电极和所述金属盘产生电火花放电，以点燃所述密闭爆炸腔中的可燃性气体。

在一些实施例中，所述可燃性气体包括：预设比例的空气和氢气、乙烯、甲烷和乙炔中的至少一种。

本发明实施例提供的一个或者多个技术方案，至少实现了如下技术效果或者优点：

本发明通过对爆炸发生器内电气连接，通过射频源发射信号达到一定的阈值，直到爆炸发生器发生爆炸被传感器探测到，对爆炸发生器两侧的第一功率计和第二功率计进行功率检测，获得馈入到爆炸发生器内的能量，从而较为精确的得到5G射频源在爆炸场所中的功率安全阈值，充分发挥5G通信技术效能，另外本发明通过在电路中设置定向耦合器将第一功率计的信号进行隔离，从而极大减少射频源的信号功率在第一功率计与电路的直接耦合端的存在能量反射所造成的能量损失，提高了测量精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中射频电磁能防爆点火试验装置的连接结构示意图；

图2为本发明实施例中箱体的整体结构示意图；

图3为本发明实施例中图2中纵剖面示意图；

图4为本发明实施例中图2中内部结构示意图；

图5为本发明实施例中加入环形保护器、衰减器、射频源及负载的连接结构示意图。

图6为本发明实施例中金属盘与第一偶极子天线金属管的连接结构示意图；

图7为本发明实施例中实验方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

第一方面，在一个可选的实施例中，参见图1和图2所示，提供了一种射频电磁能防爆点火试验装置，包括第一功率计001、第二功率计002、定向耦合器003、爆炸发生器004和功率计算电路005；

定向耦合器003的耦合端连接第一功率计001；

定向耦合器003的直通端与爆炸发生器004连接，第二功率计002连接于定向耦合器003的直通端与爆炸发生器004之间；

爆炸发生器004上设有传感器，传感器用于检测爆炸发生器004内是否发生爆炸，具体的，传感器可以为震动传感器，也可以为声音传感器；

在进行电磁能防爆点火试验时，爆炸发生器004内充有可燃气体，定向耦合器003的输入端连接射频源，射频源用于通过定向耦合器003向爆炸发生器004输入射频信号，功率计算电路005用于在传感器检测到爆炸发生器004内发生爆炸时，基于第一功率计001和第二功率计002获得爆炸发生器004的当前馈入能量，并将当前馈入能量确定为射频源的安全能量阈值。

本实施例提供的试验装置的原理为：本发明馈电极电气连接发生周期性通断从而导致爆炸发生器发生爆炸。这个过程中，通过遍历射频源的功率参数，模拟射频源在爆炸性场所无意金属导体耦合电磁波能量，并发生电路“通-断”状态改变的情况下，引燃爆炸发生器中的气体，通过传感器检测到爆炸的同时通过功率计算电路得到射频源的功率安全阈值。

本发明提供的试验装置的有益效果为：本发明通过对爆炸发生器内电气连接，不断通过对射频源升高频率，直到爆炸发生器发生爆炸被传感器探测到，对爆炸发生器两侧的第一功率计和第二功率计进行功率检测，然后经过差值计算获得馈入到爆炸发生器内的能量，从而较为精确的得到5G射频源在爆炸场所中的功率安全阈值，充分发挥5G通信技术效能，另外本发明通过在电路中设置定向耦合器将第一功率计的信号进行隔离，从而极大减少射频源的信号功率在第一功率计与电路的直接耦合端的能量损失，提高了测量精确度。

故而，本发明能够较为精确的得到5G射频源在爆炸场所中的功率安全阈值，充分发挥5G通信技术效能。

爆炸发生器可以采用第一个发明的结构，用于测量模拟同轴电缆的专用爆炸器点燃爆炸气体时的馈入能量，也就是安全阈值，该结构包括同轴电缆、驱动电机、输气管、绝缘支撑衬套、密闭爆炸腔、外导体、金属盘、内导体、馈电极等部件，驱动电机驱动外导体转动，使发生馈电极和金属盘相对转动，当馈电极在金属盘上划过，与金属盘周期性的发生“接触—断开—接触”连接，电气连接也发生相应的变化。

考虑到发射端的能量检测需求，本具体实施例公开了一种爆炸发生器。

在一些实施例中，参见图2和图3以及图4所示，爆炸发生器包括箱体1、驱动轴2、第一偶极子天线金属管3、金属盘4、第二偶极子天线金属管5和馈电极6：

箱体1内设有密闭爆炸腔11，箱体1设有进气阀门12和排气阀门13；

驱动轴2沿着箱体1轴向设置，驱动轴2的一端穿过箱体1并向箱体1的内部延伸，驱动轴2的另一端伸出箱体1并连接有驱动电机21；

第一偶极子天线金属管3套设固定于驱动轴2的外壁；

金属盘4套设于第一偶极子天线金属管3，需要说明的是，金属盘4与第一偶极子天线金属管3电气连接，且位于箱体1的内部，金属盘4在沿着圆周向均匀设置有至少一个缺口41，具体的，该缺口41可以为刻槽也可以为穿孔；

第二偶极子天线金属管5固定设置于箱体1内壁，第二偶极子天线金属管5与第一偶极子天线金属管3同轴设置，第二偶极子天线金属管5朝向金属盘4的一端套设有导电盘51，具体的，导电盘51与第二偶极子天线金属管5电气连接，导电盘51与金属盘4相互平行且同轴，具体的，导电盘51为法兰或者导电圆盘；

参见图4和图6所示，馈电极6一端与导电盘51电气连接，馈电极6另一端朝向金属盘4，当馈电极的另一端位于缺口41内时，馈电极6的另一端不与缺口41的槽底接触；当馈电极6的另一端位于缺口41外时，馈电极6的另一端与金属盘4的板面抵接，从而达到了金属盘4间歇性或周期性的与馈电极6发生“接触—断开—接触”连接的效果；

在另一个可选的实施例中，馈电极6与金属盘4的位置可以互换。

在另一个可选的实施例中，缺口41可以设置在金属盘4的周向面，使得馈电极相对于金属盘4的圆周面转动。

在进行电磁能防爆试验时，驱动电机21用于驱动金属盘4相对馈电极6转动，以使馈电极6的与金属盘4的板面间歇性接触，在射频源的输出功率达到阈值后点燃可燃气体，采用这种结构的爆炸发生器，可用于检测5G设备中的射频天线。

可以理解的是，本爆炸发生器基于偶极子天线设计，通过对偶极子天线的金属盘4上设置缺口41，使得驱动电机21驱动金属盘4相对于馈电极6匀速转动，从而实现了谐振偶极子天线从“正常工作状态”到“断路状态”的周期性变化，在电气状态切换的过程就可能造成危险火花并引燃爆炸性气体。

在一些实施例中，第一偶极子天线金属管3与箱体1内壁通过支撑轴承31连接，支撑轴承31用于支撑第一偶极子天线金属管3和驱动轴2，具体的，支撑轴承31可以设置在第一偶极子天线金属管3中部，也可以设置在第一偶极子天线金属管3靠近馈电极6的一端。

在一些实施例中，驱动轴2与箱体1之间通过驱动轴密封件转动连接，驱动轴密封件可以为格莱圈。

在一些实施例中，箱体1设有观察窗14，观察窗14可采用聚乙烯塑料、玻璃或亚克力等透明材料制造，观察窗14设置在箱体1顶面，便于观察到箱体1内全部情况。

在一些实施例中，观察窗14设置有卸爆口141，卸爆口141堵塞有橡胶塞，具体的，设置泄爆口141用来卸掉部分爆炸压力，以防止爆炸对试验人员造成伤害。

在一些实施例中，金属盘4与第一偶极子天线金属管3之间电气连接。

在一些实施例中，馈电极6为钨丝，金属盘4为镉盘，在试验过程中发现，采用钨丝和镉盘作为打火电极，具有最高的打火效率。

在一些实施例中，参见图5所示，还包括射频源006和负载007；

射频源006的输出端与定向耦合器003的输入端相连，负载007连接在定向耦合器003的隔离端，通过负载007和射频源006能够构成整个完整的射频回路，构成完整的射频回路可以防止信号反射。

在一些实施例中，定向耦合器003的直通端与爆炸发生器004之间连接有环形器008，环形器008用于保护射频源006。

在一些实施例中，环形器008与第二功率计002之间设置有用于保护第二功率计002的衰减器009，衰减器009根据第二功率计002的型号选择适配的型号。

第二方面，在另一个可选的实施例中，请参阅图7所示，提供了一种射频电磁能防爆点火试验方法，试验方法包括：

S1、在爆炸发生器004中充入可燃性气体；

S2、控制射频源006连接定向耦合器003的输入端，以及控制射频源006通过定向耦合器003向爆炸发生器004输出功率递增的射频信号；

S3、在传感器0041检测到爆炸发生器004内发生爆炸时，通过功率计算电路005获得第一功率计001检测的第一功率值和第二功率计检测002的第二功率值，并基于第一功率值和第二功率值获得爆炸发生器的当前馈入能量，并将当前馈入能量确定为射频源006的安全能量阈值。

本实施例提供的试验方法，产生的有益效果与第一方面实施例产生的有益效果一致，可参考第一方面实施例中的内容阐述。

其中，当前馈入能量可根据第一功率值和第二功率值的差值得到计算结果。

在一些实施例中，在爆炸发生器中充入可燃性气体，包括：

控制进气阀门12和排气阀门13以通入可燃性气体，将内部的原有气体排出后，同时关闭进气阀门12和排气阀门13，通过这样的进气方式，相比普通的只通过进气阀门进行进气的方式，能够对内部的气体成分进行更为精确的变量控制，从而使攻略测量结果更加精准。

在一些实施例中，在控制射频源006连接定向耦合器003的输入端之后，方法还包括：

控制驱动电机21通过驱动轴2驱动金属盘4进行匀速转动，以使馈电极6与金属盘4按照设定周期进行间歇性接触;

控制射频源006通过定向耦合器003向爆炸发生器004输出功率递增的射频信号，包括：

控制射频源006输出功率递增的射频信号，以在射频源006的功率达到阈值时，馈电极6和金属盘4产生电火花放电，以点燃密闭爆炸腔中的可燃性气体。

在一些实施例中，可燃性气体包括：预设比例的空气和氢气、乙烯、甲烷和乙炔中的至少一种，可以理解的是，经过预设比例的可燃性气体，成分可控，更加便于在实验过程中对可燃成分进行控制变量，测量结果更加精准,预设比例可以是：空气与其它气体的体积比为：1：2或者2：1，其中，其它气体不仅可以为氢气、乙烯、甲烷和乙炔中的一种气体，还可以为氢气、乙烯、甲烷和乙炔的至少2种气体的混合物。

本发明结构中的偶极子天线经过阻抗匹配设计，采用不同的偶极子天线可以适用不同的5G信号频率，包括但不仅限于5G技术的典型频率，如700MHz、2.1GHz、2.6GHz、3.5GHz。

以下为可选的阻抗调配方式：

电压驻波比(VSWR)：指驻波波腹电压与波节电压幅度之比，驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。

其中K是反射系数，反射系数(反射电压与输入电压的比值)是衡量信号反射量的重要指标。

是在负载 （L = 0） 处测得的阻抗，/>

可以理解的是，通过阻抗调节，能够使得射频源的能量反射量最少。

本文中所描述的功能可在硬件、由处理器执行的软件、固件或其任何组合中实施。如果在由处理器执行的软件中实施，那么可将功能作为一或多个指令或代码存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体予以传输。其它实例及实施方案在本发明及所附权利要求书的范围及精神内。举例来说，归因于软件的性质，上文所描述的功能可使用由处理器、硬件、固件、硬连线或这些中的任何者的组合执行的软件实施。此外，各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为控制装置的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围。