Dưới lòng một mỏ than hơi có khí, một thiết bị cầm tay hoặc đeo trên người hoạt động trong môi trường có thể chứa khí mỏ (firedamp) — chủ yếu là mê-tan — và mọi tia lửa điện hay bề mặt nóng về nguyên tắc đều có thể trở thành nguồn bắt lửa. Vì vậy, thiết bị mỏ cầm tay được thiết kế theo một triết lý đặc biệt khắt khe gọi là an toàn nội tại: không phải bằng cách nhốt vụ nổ trong một vỏ bọc nặng, mà bằng cách đảm bảo mọi mức năng lượng điện và nhiệt trong thiết bị, kể cả khi có sự cố, đều quá thấp để bắt cháy khí xung quanh. Bài đầu tiên về nguồn cấp nickel-metal hydride cho thiết bị mỏ an toàn nội tại này giải thích nguyên lý làm việc và hồ sơ phụ tải của hai thiết bị đeo người phổ biến nhất — đèn đội đầu của thợ mỏ và máy dò mê-tan cá nhân, thường được kết hợp — và cho thấy an toàn nội tại định hình thiết kế điện từ pin trở ra như thế nào. Bài giới thiệu bức tranh tiêu chuẩn: IEC 60079-0 cho yêu cầu chung, IEC 60079-11 cho bảo vệ bằng an toàn nội tại 'i', phân loại Nhóm I cho mỏ có khí nổ và các mức bảo vệ thiết bị Ma/Mb, thể hiện qua các dấu như Ex ia I Ma; đèn đội đầu thêm vào đó được IEC 60079-35-1 đề cập, còn máy dò mê-tan theo các tiêu chuẩn máy dò khí. Sản phẩm thực tế được chứng nhận neo chặt chế độ làm việc: một đèn đội đầu định mức Ex ia I Ma và IP65, cho ít nhất 7.500 lux ban đầu và ít nhất 5.000 lux sau mười một giờ, sạc trong mười giờ cho hơn 500 chu kỳ. Bài mổ xẻ phụ tải hình thành — một trình điều khiển LED chủ đạo, một cảm biến mê-tan xúc tác hoặc hồng ngoại với đặc trưng dòng riêng, một vi điều khiển, các báo động âm thanh-hình ảnh-rung và đôi khi một bộ phát sóng — và giải thích vì sao trong thiết bị an toàn nội tại, pin là thành phần bị quản lý chặt chẽ nhất.
Người thợ mỏ mang một ít thiết bị cầm tay sinh tử: một đèn đội đầu cung cấp ánh sáng rảnh tay suốt cả ca; một máy dò mê-tan cá nhân liên tục lấy mẫu không khí và báo động ở các ngưỡng mê-tan cài sẵn; các đơn vị đèn-máy dò kết hợp ngày càng phổ biến; và các thiết bị cầm tay phụ trợ như máy đo gió, máy giám sát khí cá nhân. Mỗi thiết bị được đeo trên người mười đến mười hai giờ, phải nhẹ và bền, và phải được chứng nhận để dùng ở nơi có thể có khí nổ.
Khác với thiết bị dưới lòng đất cố định có thể dùng vỏ chống nổ 'd' nặng, thiết bị đeo người không thể dựa vào khối lượng và sự dồn nén; nó dùng an toàn nội tại 'i', đảm bảo các mạch trong không có khả năng gây bắt lửa. Chính lựa chọn duy nhất đó dẫn dắt mọi quyết định hạ nguồn, gồm cả hóa học, kết cấu và giới hạn dòng của pin.
An toàn nội tại, được định nghĩa trong IEC 60079-11, giới hạn điện áp hở mạch, dòng ngắn mạch, điện dung và điện cảm tích trữ cũng như nhiệt độ bề mặt linh kiện, sao cho ngay cả sau một số lượng sự cố xác định, không tia lửa hay hiệu ứng nhiệt nào có thể bắt cháy hỗn hợp dễ bắt lửa nhất của nhóm khí liên quan. Mức bảo vệ 'ia' vẫn an toàn ngay cả với hai sự cố và được dùng ở nơi đòi hỏi mức cao nhất, được phản ánh trong khai khoáng bằng dấu Nhóm I, EPL Ma «Ex ia I Ma»; 'ib' chịu được một sự cố.
Mê-tan có năng lượng bắt lửa tối thiểu và nhiệt độ bắt lửa xác định, còn các đường cong bắt lửa của tiêu chuẩn cùng thiết bị thử tia lửa xác định dòng tối đa cho phép với một điện áp và điện cảm mạch cho trước. Vì pin là bể chứa năng lượng sơ cấp, sản lượng tối đa của nó trong điều kiện bình thường và sự cố — bao gồm đoản mạch qua các cực và hỏng hóc từng cell — là điểm khởi đầu của toàn bộ đánh giá an toàn nội tại, không phải suy nghĩ sau cùng.
Tải của đèn đội đầu do bộ điều khiển LED chi phối: một dòng gần như không đổi duy trì độ sáng chùm chính suốt cả ca, với chế độ phụ trợ thấp hơn. Thông số đèn được chứng nhận nói rõ chế độ này — độ sáng ban đầu ở cự ly một mét tối thiểu 7.500 lux và tối thiểu 5.000 lux sau mười một giờ, dòng làm việc nhỏ cho đèn phụ trợ và sạc xong trong mười giờ cho tuổi thọ chu kỳ trên 500. Bảo đảm mười một giờ đó là mục tiêu thời gian chạy cứng mà pin phải đạt ở cuối vòng đời và ở nhiệt độ mỏ.
Trong thiết kế an toàn nội tại, bản thân các bộ điều khiển LED được giới hạn dòng và bảo vệ sự cố, để sự cố bộ điều khiển không thể xả năng lượng tích trữ thành tia lửa. Hình động đầu tiên vẽ dòng điện đại diện của thiết bị trong một ca — đường nền ổn định của đèn, các lần lấy mẫu định kỳ của cảm biến mê-tan và một đỉnh cảnh báo ngắn — trong khi hình thứ hai xếp lớp các hàng rào giới hạn năng lượng an toàn nội tại nằm giữa pin và thế giới bên ngoài.
Máy dò mê-tan cá nhân hoặc dùng pellistor xúc tác — một cầu Wheatstone được nung nóng mà các phần tử đốt cháy mê-tan và thay đổi điện trở, tiêu thụ dòng gia nhiệt ổn định đáng kể — hoặc đường quang hồng ngoại không tán xạ, phát xung nguồn hồng ngoại và lấy mẫu định kỳ, đánh đổi dòng cảm biến lấy quang học. Một vi điều khiển đọc cảm biến, quản lý màn hình và kích hoạt cảnh báo ba cấp — âm thanh, hình ảnh và rung — mà việc kích hoạt đồng thời là đỉnh dòng sắc nhất của thiết bị.
Tiêu chuẩn hiệu năng máy dò yêu cầu thời gian đáp ứng, độ chính xác và độ tin cậy cảnh báo xác định, và vì một cảnh báo mê-tan bị bỏ lỡ có thể gây chết người, thiết bị phải bảo đảm chức năng cảm biến và cảnh báo cho đến một điểm pin yếu xác định, với cảnh báo pin yếu rõ ràng, không nhập nhặng ngay trước khi phép đo bị ảnh hưởng — cùng logic 'dự trữ an toàn' như tay dạy robot (teach pendant), nhưng khắt khe hơn.
Thiết bị khai khoáng thuộc Nhóm I (khác với phân loại Nhóm II/III cho công nghiệp mặt đất), với các mức bảo vệ thiết bị Ma—thiết bị vẫn được cấp điện và an toàn ngay cả trong trường hợp hiếm gặp là sự cố, để dùng ở nơi nhiều khả năng có khí nổ—và Mb. Ở châu Âu, Chỉ thị ATEX 2014/34/UE là khung pháp lý và IECEx là chương trình chứng nhận quốc tế, trong khi ở Mỹ MSHA vận hành chế độ phê duyệt riêng; thiết kế dựa trên IEC 60079 là cốt lõi kỹ thuật chung được chấp nhận ở nhiều vùng mỏ.
Đèn đội đầu có một tiêu chuẩn riêng về rủi ro bắt lửa là IEC 60079-35-1, chuyên giải quyết việc ngăn đèn mũ trở thành nguồn bắt lửa trong các mỏ dễ có khí nổ (hiệu năng chiếu sáng được quy định riêng), trong khi hiệu năng của máy dò mê-tan cầm tay tuân theo các tiêu chuẩn máy dò khí. Hiểu được bản đồ này là thiết yếu trước khi thiết kế pin, vì chứng nhận của từng thiết bị ràng buộc các cell và linh kiện bảo vệ được phép dùng hợp pháp.
Phân tích cho ra một thông số pin khác với mọi thiết bị cầm tay thông thường: các cell thuộc loại và kết cấu được đánh giá an toàn nội tại chấp nhận, với điện áp tối đa và dòng ngắn mạch dự kiến được giới hạn bằng thiết kế; bảo vệ nối tiếp (cầu chì, phần tử chặn hoặc giới hạn dòng) vẫn hiệu quả khi có sự cố; dung lượng cho ca mười một giờ ở cuối vòng đời và nhiệt độ mỏ, với dung lượng dự trữ cảnh báo được bảo đảm; bảo vệ cơ học chống đảo cell, nghiền nát và rò điện phân; và kết cấu—thường được bọc kín và người dùng không mở được trong khu vực nguy hiểm—ngăn phát tia lửa khi sử dụng hoặc thay pin. Bài thứ hai biến điều này thành một bộ pin NiMH an toàn nội tại cụ thể và so sánh thẳng thắn với lithium và axit-chì; bài thứ ba trình bày toàn bộ chiến dịch thử nghiệm kiểu IECEx/ATEX.
Trong một thiết bị an toàn nội tại, pin không chỉ là nguồn điện; nó là giới hạn trên của năng lượng mà toàn bộ thiết bị có thể giải phóng, vì thế hóa học, cơ chế bảo vệ và chứng nhận của nó xứng đáng được nghiêm ngặt như cảm biến phát hiện khí.
Weijiang Power thiết kế và sản xuất cell nickel-kim loại hydride kín cùng các bộ pin công nghiệp được ghép nối cho thiết bị ở vùng sâu, không nối lưới và liên quan đến an toàn, đồng thời hỗ trợ đối tác OEM bằng hồ sơ hiệu suất IEC 61951-2, bằng chứng an toàn IEC 62133-2, đặc trưng hóa tải xung, thử nghiệm dải nhiệt rộng và đồng kiểm chứng bộ sạc/bộ pin. Hãy cho chúng tôi biết chu kỳ làm việc, dòng đỉnh, dải nhiệt độ, mục tiêu thời gian chạy và các tiêu chuẩn sản phẩm của bạn phải đáp ứng, kỹ sư của chúng tôi sẽ chỉ định tổ hợp cell-và-bộ pin bảo vệ thời gian chạy, độ tin cậy và tuổi thọ. Xem toàn bộ dòng sản phẩm tại trang sản phẩm.
