岳大軍,王慧敏,許 穎,趙 洋

摘 要:人體紅外感應技術已成功運用到防盜報警、燈光控制、衛(wèi)廚設備等方面,但在電暖器具方面的應用還是空白。為杜絕普通電暖器引發(fā)火災事故和避免電能浪費,將人體感應、自動延時、斷電自鎖等技術和方法應用到電暖器上,設計制作了具有多重保護功能的電暖器。通過對PIR管安裝位置、溫度、取暖人數、延時時長等因素進行試驗,結果表明,紅外感應技術應用到電暖器上有明顯的保安節(jié)電效果,具有實際推廣應用的價值。

關鍵詞:安全節(jié)電;電暖器;紅外感應;設計試驗

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-190-03

Design and Test of the Heater Based on Infrared Induction

YUE Dajun,WANG Huimin,XU Ying,ZHAO Yang

(Engineering College,Hunan Agricultural University,Changsha,410128,China)

Abstract:Human infrared induction technology has not yet been used in electric heating appliances,although has been successfully applied to anti-theft alarm,lighting control,kitchen equipments,etc..In order to prevent fire disaster caused by general heaters and avoid wasting energy,a multi-protection heater is designed based on the techniques and methods of body induction,automatic delay,power self-locking etc.Tested on the factors including the placement of PIR tube,temperature,the number of heating people,delay duration The results show that the infrared induction technology used on the heater has obvious security and energy-saving effects and it is valuable for practical application.

Keywords:security energy-saving; heater; infrared induction; designed experiment

0 引 言

應用各種發(fā)熱器件制作的電暖器已普及到城鄉(xiāng)千家萬戶。不論是已安裝了空調設備、還是使用其他取暖設備的場所,包括辦公場所,個別地方甚至達到了人手一臺的程度。說明了這類取暖設備結構簡單,價格低廉、節(jié)電節(jié)能,使用方便,得到了人們的青睞與喜歡,在今后相當長的時期內,尤其是在南方,仍具有廣闊的市場前景。但是,因使用電暖器不慎而造成的火災時有發(fā)生,有些火災給人們的生命財產造成了無法挽回的損害。根據調查分析,結合身邊所發(fā)生過的案例,并參考各種媒體的報道可知,引起火災的主要原因是人們因某種原因突然外出,或睡覺休息等忘記關斷電源,時間長而引發(fā)了火災[1,2]。人們不能絕對保證在所有用電的場所、所有的時刻不發(fā)生一點點疏忽大意,也不是說一二次的疏忽大意就必然會發(fā)生火災事故,但一旦發(fā)生、一旦發(fā)生到某家底、某個人身上,則對于這個家庭將是災難性的、將造成無法挽回的后果。所以要重視暖器的安全問題,需要研究設計能提高安全性能、爭取做到萬無一失、節(jié)電、保安的電暖器。

1 總體設計

1.1 基本設計要求[3]

在基本不改變現(xiàn)有產品結構的基礎上,應該實現(xiàn)以下功能:

(1)距火源1 m范圍內,只要有人在取暖烤火,能保證連續(xù)供電而不斷電;

(2)當人短暫離開(10 min內)仍要保持通電狀態(tài);在無人狀態(tài)且超過設定時間后應立即自動切斷電源;

(3)能根據使用者的需要正常調節(jié)溫度;

(4)設計溫控保護,當超過設定溫度后能自動斷電,溫度下降后又能自動接通電路;

(5)要有斷電自鎖保護功能。

1.2 總體電路[4,5]

從圖1中可以看出,總體電路的主要特點是結構雖然簡單,卻具有多重保護功能:即人體紅外感應自動斷電功能,由繼電器控制實現(xiàn)的斷電自鎖保護功能;由溫控開關實現(xiàn)的高溫自動斷電、溫度下降后自動接通功能;由調溫器實現(xiàn)的溫度手動調節(jié)功能。另外,人體紅外傳感器所控制的是繼電器電磁線圈電流,工作可靠,使用壽命長,功耗卻很小,通過的電流只有 1.4 mA,起到了節(jié)電和保護紅外傳感器的作用,因為負載電流不通過紅外傳感器。對于斷電自鎖功能應用于電暖器上是非常有意義、也是非常有必要的。雖然斷電、人來后不能自動接通發(fā)熱電路,但只要輕輕按下按鈕,這對于取暖者而言并不麻煩,且在某種程度上還增加了用電必須注意節(jié)約和提高安全用電的意識。

圖1 總體電路

2 熱釋電紅外傳感器總成電路的設計

熱釋電紅外傳感器能檢測到人體發(fā)射的紅外線并轉換成電信號輸出。因為人體都有恒定的體溫,一般在37 ℃左右,會發(fā)出特定波長的紅外線(普通人體會發(fā)射10 μm左右的特定波長紅外線),利用紅外探頭(PIR管)探測人體發(fā)射的紅外線,利用菲涅耳濾光片,增強后聚集到PIR管,同時能明顯的抑制環(huán)境干擾。人們利用這方面的研究成果,已成功運用到安全防范[6,7]、燈光控制、衛(wèi)廚設備、人體測溫[8],也應用到對人體傷害極為嚴重的高壓電及X射線、γ射線工業(yè)無損檢測等方面。實際上,通過分析研究試驗,參考相關電路并進行改進設計,熱釋電紅外傳感器也適宜應用于普及到千家萬戶的各類電暖器上。電路如圖2所示。

圖2 熱釋電紅外傳感電路

以上電路[9,10]由人體熱釋電紅外線傳感器、信號處理芯片、控制及執(zhí)行電路、電源電路等幾部分組成。電路中主要采用了CSC9803紅外感應信號處理芯片。該芯片工作電壓為直流4.0~5.5 V,內置穩(wěn)壓3.1 V輸出直接驅動PIR管。PIR管(探頭)感應到信號經內部放大,若判斷有觸發(fā),運放輸出高電平,這時計時檢測電路開始計時,計滿一定的內部時鐘周期,則跳變?yōu)楦?控制信號由芯片的11腳輸出,經三極管放大控制雙向可控硅,并由雙向可控硅控制外部交流電路[11,12]。外圍電路中的R15為1 mΩ固定電阻,R12為微型可調電阻,兩電阻與C9組成了RC電路,通過調節(jié)R12的值可以實現(xiàn)對延時時間的控制。試驗得知在總電阻R=R12+R15=1 mΩ時,可控硅接通時間約為4 min;當R=R12+R15=3 mΩ時,可控硅接通時間約達到9 min。

為了增加人體的有效感應面(感應范圍),設計中采用并聯(lián)兩只PIR管,可以通過三根連接線將其連接后分別安裝在不同位置,但要盡可能地縮短相互間的連接線,以防止信號在導線上的損耗和噪聲干擾,影響自動斷電的可靠性。

3 試驗試用情況

從2008年4月~2009年4月,進行了諸如PIR管安裝位置、溫度影響、烤火人數多少、延時時長等多方面的試驗和應用。試驗中,采用兩根長300 mm、總功率為600 W的石英發(fā)熱管,安裝在木制四方型箱體正中。如圖3照片所示。試驗中,取消斷電自鎖功能;取消溫控斷電功能(短路溫控開關);同時通過調溫器將其功率調到最高輸出。試驗結果如下所述。

3.1 延時時長與烤火人數對可靠性的影響試驗

工作的可靠性,主要是有人在的時候,供電的連續(xù)性與當人離開后自動斷電的準確性。二者中,能否實現(xiàn)人離電斷更顯得重要,也是該設計的核心所在。

工作可靠性,直接影響到安全性能和節(jié)電。從以上試驗可知,選取延時時長為5～7 min內,用于這類電暖器,能取得滿意的節(jié)電效果和確保安全。雖然在只有一人烤火的情況下,偶爾有斷電情況發(fā)生,但只需要按一下開關按鈕,從實際出發(fā)并不是那么麻煩。當然,使用雙PIR管重復上述試驗(略)表明:斷電率明顯下降。為保證能在人離開后自動準確斷電,可以適當縮短延時時長,做到不影響安全性能。

圖3 試驗用電暖器

表1 延時時長與烤火人數對使用性能的影響

(單PIR管,安裝于電暖器側面墻板)

延時時長/min相應試驗時間/min

斷電率/%

1人2,3人4人連續(xù)用電 可靠性評價 安全性評價

120755025低高

240502510較低高

3602500中高

51001000高高

7240500高中

10300000高低

3.2 PIR探頭與取暖器相對位置的試驗

使用單PIR管,選定延時時長為5 min,按照圖4所示的三種典型位置進行試驗。

圖4 PIR探頭與電暖器三種典型位置的試驗

圖4(a)中,是將PIR探頭正面中心對準電暖器,(實際應用中不會出現(xiàn)此類情況)結果表明,在H=30 cm以內,不能斷電;在H=40～90 cm,自動斷電逐步趨于穩(wěn)定,偶有自動接通現(xiàn)象發(fā)生。當H≥90 cm后,能可靠斷電,且不會發(fā)生自動接通現(xiàn)象。分析可知,當H較小時,熱輻射對PIR管有影響,因為此時產生的波長不穩(wěn)定而造成熱釋電效應,導致探測器輸出信號。

圖4(b)中,PIR探頭中心軸線與電暖器熱反射線垂直。L值與H值每隔50 mm,一一對應試驗,每對應點分別測試10次以上,以排除個別現(xiàn)象,結果如表2所示。

表2 PIR探頭中心軸線與電暖器熱反射線垂直

H /nm

L /mm

050100150200250300350

150××××××▲√

200×××××▲▲√

250×××▲▲▲ √√

300××▲▲▲√√√

350×▲▲√√√√ √

400×▲√√√√√√

450▲√√√√√√√

500√√√√√√√√

注:表中√為可斷電;▲為不穩(wěn)定;×為不斷電

表2的試驗結果表明:當L>100 mm,H>400 mm,就能保證安全、可靠地斷電。在設計制作中,很容易做到避開不穩(wěn)定以外的區(qū)域,而在實際應用中,就可以做到隨意使用。

圖4(c)中,PIR探頭中心軸線與電暖器熱反射線平行。實際試驗中,是將PIR探頭安置于電源連接線中,像普通使用電源接線板情況那樣,把電源連接線拖放于地面。試驗證明:只要適當離開“50 mm”取暖器(主要是防止衣物、小棉被覆蓋PIR探頭),是完全能夠保證只要人離開,就可以在設定的時間內自動切斷電源。

4 結 語

安全與節(jié)電是社會和世界永恒的主題。以上所做的研究工作表明,把人體紅外感應技術應用于普及到千家萬戶的各類電暖器具上,能夠達到設計要求,試驗證明是完全可行的。設計制作時,將延時時長設計選定在7 min以內,注意PIR管總成模塊電路與電暖器的相對安裝位置,避開電暖器直接熱源,可以實現(xiàn)保證安全和達到節(jié)電目的。當只有一人使用時,雖偶爾有斷電情況出現(xiàn),應該認為,不影響其使用方便性和工作可靠性。

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