基于红外感应技术电暖器的应用设计与试验

岳大军,王慧敏,许 颖,赵 洋

摘 要:人体红外感应技术已成功运用到防盗报警、灯光控制、卫厨设备等方面,但在电暖器具方面的应用还是空白。为杜绝普通电暖器引发火灾事故和避免电能浪费,将人体感应、自动延时、断电自锁等技术和方法应用到电暖器上,设计制作了具有多重保护功能的电暖器。通过对PIR管安装位置、温度、取暖人数、延时时长等因素进行试验,结果表明,红外感应技术应用到电暖器上有明显的保安节电效果,具有实际推广应用的价值。

关键词:安全节电;电暖器;红外感应;设计试验

中图分类号:TP274文献标识码:A

文章编号: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

应用各种发热器件制作的电暖器已普及到城乡千家万户。不论是已安装了空调设备、还是使用其他取暖设备的场所,包括办公场所,个别地方甚至达到了人手一台的程度。说明了这类取暖设备结构简单,价格低廉、节电节能,使用方便,得到了人们的青睐与喜欢,在今后相当长的时期内,尤其是在南方,仍具有广阔的市场前景。但是,因使用电暖器不慎而造成的火灾时有发生,有些火灾给人们的生命财产造成了无法挽回的损害。根据调查分析,结合身边所发生过的案例,并参考各种媒体的报道可知,引起火灾的主要原因是人们因某种原因突然外出,或睡觉休息等忘记关断电源,时间长而引发了火灾[1,2]。人们不能绝对保证在所有用电的场所、所有的时刻不发生一点点疏忽大意,也不是说一二次的疏忽大意就必然会发生火灾事故,但一旦发生、一旦发生到某家底、某个人身上,则对于这个家庭将是灾难性的、将造成无法挽回的后果。所以要重视暖器的安全问题,需要研究设计能提高安全性能、争取做到万无一失、节电、保安的电暖器。

1 总体设计

1.1 基本设计要求[3]

在基本不改变现有产品结构的基础上,应该实现以下功能:

(1)距火源1 m范围内,只要有人在取暖烤火,能保证连续供电而不断电;

(2)当人短暂离开(10 min内)仍要保持通电状态;在无人状态且超过设定时间后应立即自动切断电源;

(3)能根据使用者的需要正常调节温度;

(4)设计温控保护,当超过设定温度后能自动断电,温度下降后又能自动接通电路;

(5)要有断电自锁保护功能。

1.2 总体电路[4,5]

从图1中可以看出,总体电路的主要特点是结构虽然简单,却具有多重保护功能:即人体红外感应自动断电功能,由继电器控制实现的断电自锁保护功能;由温控开关实现的高温自动断电、温度下降后自动接通功能;由调温器实现的温度手动调节功能。另外,人体红外传感器所控制的是继电器电磁线圈电流,工作可靠,使用寿命长,功耗却很小,通过的电流只有 1.4 mA,起到了节电和保护红外传感器的作用,因为负载电流不通过红外传感器。对于断电自锁功能应用于电暖器上是非常有意义、也是非常有必要的。虽然断电、人来后不能自动接通发热电路,但只要轻轻按下按钮,这对于取暖者而言并不麻烦,且在某种程度上还增加了用电必须注意节约和提高安全用电的意识。

图1 总体电路

2 热释电红外传感器总成电路的设计

热释电红外传感器能检测到人体发射的红外线并转换成电信号输出。因为人体都有恒定的体温,一般在37 ℃左右,会发出特定波长的红外线(普通人体会发射10 μm左右的特定波长红外线),利用红外探头(PIR管)探测人体发射的红外线,利用菲涅耳滤光片,增强后聚集到PIR管,同时能明显的抑制环境干扰。人们利用这方面的研究成果,已成功运用到安全防范[6,7]、灯光控制、卫厨设备、人体测温[8],也应用到对人体伤害极为严重的高压电及X射线、γ射线工业无损检测等方面。实际上,通过分析研究试验,参考相关电路并进行改进设计,热释电红外传感器也适宜应用于普及到千家万户的各类电暖器上。电路如图2所示。

图2 热释电红外传感电路

以上电路[9,10]由人体热释电红外线传感器、信号处理芯片、控制及执行电路、电源电路等几部分组成。电路中主要采用了CSC9803红外感应信号处理芯片。该芯片工作电压为直流4.0~5.5 V,内置稳压3.1 V输出直接驱动PIR管。PIR管(探头)感应到信号经内部放大,若判断有触发,运放输出高电平,这时计时检测电路开始计时,计满一定的内部时钟周期,则跳变为高,控制信号由芯片的11脚输出,经三极管放大控制双向可控硅,并由双向可控硅控制外部交流电路[11,12]。外围电路中的R15为1 mΩ固定电阻,R12为微型可调电阻,两电阻与C9组成了RC电路,通过调节R12的值可以实现对延时时间的控制。试验得知在总电阻R=R12+R15=1 mΩ时,可控硅接通时间约为4 min;当R=R12+R15=3 mΩ时,可控硅接通时间约达到9 min。

为了增加人体的有效感应面(感应范围),设计中采用并联两只PIR管,可以通过三根连接线将其连接后分别安装在不同位置,但要尽可能地缩短相互间的连接线,以防止信号在导线上的损耗和噪声干扰,影响自动断电的可靠性。

3 试验试用情况

从2008年4月~2009年4月,进行了诸如PIR管安装位置、温度影响、烤火人数多少、延时时长等多方面的试验和应用。试验中,采用两根长300 mm、总功率为600 W的石英发热管,安装在木制四方型箱体正中。如图3照片所示。试验中,取消断电自锁功能;取消温控断电功能(短路温控开关);同时通过调温器将其功率调到最高输出。试验结果如下所述。

3.1 延时时长与烤火人数对可靠性的影响试验

工作的可靠性,主要是有人在的时候,供电的连续性与当人离开后自动断电的准确性。二者中,能否实现人离电断更显得重要,也是该设计的核心所在。

工作可靠性,直接影响到安全性能和节电。从以上试验可知,选取延时时长为5～7 min内,用于这类电暖器,能取得满意的节电效果和确保安全。虽然在只有一人烤火的情况下,偶尔有断电情况发生,但只需要按一下开关按钮,从实际出发并不是那么麻烦。当然,使用双PIR管重复上述试验(略)表明:断电率明显下降。为保证能在人离开后自动准确断电,可以适当缩短延时时长,做到不影响安全性能。

图3 试验用电暖器

表1 延时时长与烤火人数对使用性能的影响

(单PIR管,安装于电暖器侧面墙板)

延时时长/min相应试验时间/min

断电率/%

1人2,3人4人连续用电 可靠性评价 安全性评价

120755025低高

240502510较低高

3602500中高

51001000高高

7240500高中

10300000高低

3.2 PIR探头与取暖器相对位置的试验

使用单PIR管,选定延时时长为5 min,按照图4所示的三种典型位置进行试验。

图4 PIR探头与电暖器三种典型位置的试验

图4(a)中,是将PIR探头正面中心对准电暖器,(实际应用中不会出现此类情况)结果表明,在H=30 cm以内,不能断电;在H=40～90 cm,自动断电逐步趋于稳定,偶有自动接通现象发生。当H≥90 cm后,能可靠断电,且不会发生自动接通现象。分析可知,当H较小时,热辐射对PIR管有影响,因为此时产生的波长不稳定而造成热释电效应,导致探测器输出信号。

图4(b)中,PIR探头中心轴线与电暖器热反射线垂直。L值与H值每隔50 mm,一一对应试验,每对应点分别测试10次以上,以排除个别现象,结果如表2所示。

表2 PIR探头中心轴线与电暖器热反射线垂直

H /nm

L /mm

050100150200250300350

150××××××▲√

200×××××▲▲√

250×××▲▲▲ √√

300××▲▲▲√√√

350×▲▲√√√√ √

400×▲√√√√√√

450▲√√√√√√√

500√√√√√√√√

注:表中√为可断电;▲为不稳定;×为不断电

表2的试验结果表明:当L>100 mm,H>400 mm,就能保证安全、可靠地断电。在设计制作中,很容易做到避开不稳定以外的区域,而在实际应用中,就可以做到随意使用。

图4(c)中,PIR探头中心轴线与电暖器热反射线平行。实际试验中,是将PIR探头安置于电源连接线中,像普通使用电源接线板情况那样,把电源连接线拖放于地面。试验证明:只要适当离开“50 mm”取暖器(主要是防止衣物、小棉被覆盖PIR探头),是完全能够保证只要人离开,就可以在设定的时间内自动切断电源。

4 结 语

安全与节电是社会和世界永恒的主题。以上所做的研究工作表明,把人体红外感应技术应用于普及到千家万户的各类电暖器具上,能够达到设计要求,试验证明是完全可行的。设计制作时,将延时时长设计选定在7 min以内,注意PIR管总成模块电路与电暖器的相对安装位置,避开电暖器直接热源,可以实现保证安全和达到节电目的。当只有一人使用时,虽偶尔有断电情况出现,应该认为,不影响其使用方便性和工作可靠性。

参考文献

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