陳元龍

(西南大學(xué)附屬中學(xué),重慶 400715)

一種新型智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)的研究

陳元龍

(西南大學(xué)附屬中學(xué),重慶 400715)

本文提出了一種新型智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)能快速有效預(yù)測和應(yīng)變煤氣或天然氣泄漏事故。本系統(tǒng)包括煤氣感應(yīng)器、控制系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)模塊，其中煤氣感應(yīng)器實時監(jiān)測煤氣是否發(fā)生泄漏，當室內(nèi)煤氣濃度達到額定值時，持續(xù)輸出信號；控制系統(tǒng)接收到持續(xù)的信號后，自動啟動排風(fēng)系統(tǒng)；當室內(nèi)煤氣濃度低于額定值時，煤氣感應(yīng)器持續(xù)輸出信號，控制系統(tǒng)接收到持續(xù)的信號后，自動停止排風(fēng)系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用無線供電技術(shù)，不會產(chǎn)生電火花而引發(fā)煤氣爆炸事故，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用、安全有效。

無線供電;煤氣感應(yīng)；智能化排風(fēng)；安全

當下居民家庭普遍使用煤氣或天然氣，在方便生活的同時也存在著許多安全隱患。傳統(tǒng)的報警器通過氣體傳感器探測周圍環(huán)境中的低濃度可燃氣體，經(jīng)采樣電路，將探測信號用模擬量或數(shù)字量傳遞給控制器或控制電路，當可燃氣體濃度超過控制器或控制電路中設(shè)定值時，執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出報警信號。然而，常用的報警器大多采用線接觸形式，存在著因線接觸產(chǎn)生電火花而引爆可燃氣體的隱患，同時，常見的報警器還存在調(diào)整不便、可靠性偏低的缺點。為解決傳統(tǒng)報警器存在的線接觸產(chǎn)生電火花、不易調(diào)整、經(jīng)常失靈等問題，本文提出了一種新型的智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)的方案。

1 材料及方法

智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)由煤氣感應(yīng)器、控制系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)包括自振蕩逆變拓撲電路、全橋整流電路、交流電源和初級繞組；排風(fēng)系統(tǒng)包括次級繞組和風(fēng)扇。其中，煤氣感應(yīng)器與自振蕩逆變拓撲電路連接；自振蕩逆變拓撲電路與交流電源連接；自振蕩逆變拓撲電路與初級繞組連接；次級繞組和風(fēng)扇無線傳感。

自振蕩逆變拓撲電路為推挽式逆變拓撲結(jié)構(gòu)，非接觸充電系統(tǒng)中的高頻逆變拓撲一般有全橋逆變拓撲、半橋逆變拓撲、推挽式逆變拓撲等。全橋逆變拓撲和半橋逆變拓撲都需要隔離光源電路和光耦電路，存在體積大、成本高的缺點，不適宜在充電系統(tǒng)中采用。而推挽式逆變拓撲可設(shè)計為自振蕩逆變，只需在主電路中加入少量輔助元件即可實現(xiàn)開關(guān)器件的驅(qū)動，其體積和成本都比較小。因此，根據(jù)便攜式充電設(shè)備的特點，選擇推挽式逆變拓撲作為本系統(tǒng)的逆變拓撲。

本文設(shè)計的智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)中通過輸出信號智能控制無線供電電路的通斷，無線供電方式可消除電火花隱患，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單實用，可快速有效地應(yīng)變煤氣泄漏事故。

2 具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本作品的發(fā)明內(nèi)容作進一步的詳細描述。應(yīng)理解，本作品的實施例只用于說明本作品而非限制本作品，在不脫離本作品技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段作出的各種替換和變更，均應(yīng)包括在本作品的范圍內(nèi)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 自振蕩逆變拓撲電路的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 自振蕩逆變拓撲電路在穩(wěn)態(tài)工作模態(tài)Ⅰ下的電通路圖

圖4 自振蕩逆變拓撲電路在穩(wěn)態(tài)工作模態(tài)Ⅱ下的電通路圖

圖1為本作品的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為自振蕩逆變拓撲電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為自振蕩逆變拓撲電路在穩(wěn)態(tài)工作模態(tài)Ⅰ下的電通路圖；圖4為自振蕩逆變拓撲電路在穩(wěn)態(tài)工作模態(tài)Ⅱ下的電通路圖。圖1中10為智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)，11為煤氣感應(yīng)器，20為控制系統(tǒng)，21為交流電源，22為自振蕩逆變拓撲電路，23為全橋整流電路，24為初級繞組，30為排風(fēng)系統(tǒng)，31為次級繞組，32為風(fēng)扇。圖2、圖3和圖4中直流輸入端V，第一電感L1，第二電感L2，第三電感L3，第四電感L4，補償電容C，第一負載R1，第二負載R2，第一開關(guān)管Q1，第二開關(guān)管Q2，第一二極管D1，第二二極管D2。

如圖1所示，智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)10包括煤氣感應(yīng)器11、控制系統(tǒng)20和排風(fēng)系統(tǒng)30?？刂葡到y(tǒng)20包括自振蕩逆變拓撲電路22、全橋整流電路23、交流電電源21和初級繞組24；排風(fēng)系統(tǒng)30包括次級繞組31和風(fēng)扇32；其中，煤氣感應(yīng)器11與自振蕩逆變拓撲電路22連接；全橋整流電路23與自振蕩逆變拓撲電路22和交流電源21連接；自振蕩逆變拓撲電路22和初級繞組24連接；次級繞組31與風(fēng)扇32連接。

自振蕩逆變拓撲電路22為推挽式逆變拓撲結(jié)構(gòu),如圖2所示，推挽式逆變拓撲結(jié)構(gòu)包括一個直流輸入端V、第一與第二驅(qū)動電路、4個電感和一個補償電容C，第一驅(qū)動電路包括第一開關(guān)管Q1、第一穩(wěn)壓二極管和第一負載R1；第二驅(qū)動電路包括第二開關(guān)管Q2、第二穩(wěn)壓管和第二負載R2；第一開關(guān)管Q1和第二開關(guān)管Q2的射極、第一二極管D1和第二二極管D2的正極分別連接到直流輸入端V的負極；第一開關(guān)管Q1的集電極與第三電感L3的一端連接，第一負載R1的一端、第一電感L1的一端和補償電容C的一端分別連接于第一開關(guān)管Q1的集電極和第三電感L3之間的連接節(jié)點上；第二開關(guān)管Q2的集電極與第二電感L2的一端連接，第二負載R2的一端、補償電容C的另一端和第一電感L1的另一端分別連接于第二開關(guān)管Q2的集電極和第二電感L2之間的連接節(jié)點上；第一開關(guān)管Q1的基極與第一二極管D1的負極連接，且第二負載R2的另一端連接于第一開關(guān)管Q1與第一二極管D1之間的連接節(jié)點上；第二開關(guān)管Q2的基極與第二二極管D2的負極連接，且第一負載R1的另一端連接于第二開關(guān)管Q2和第二二極管D2之間的連接節(jié)點上；第二電感L2的另一端和第三電感L3的另一端相互連接；第四電感L4的一端連接于第二電感L2和第三電感L3之間的連接節(jié)點上，另一端與直流輸入端V的正極連接。

推挽式逆變拓撲可實現(xiàn)電路自振蕩工作，從而避免了在開關(guān)管Q1、Q2兩端加開關(guān)控制驅(qū)動電路。開關(guān)管的柵極驅(qū)動電壓直接從開關(guān)管兩端獲得，驅(qū)動電路是由一個穩(wěn)壓二極管與一個負載串聯(lián)組成。直流電壓源與電感L2組成等效的直流電流源。電感L3、L4為相分變壓器兩個繞組的等效電感。電感L1為發(fā)射線圈等效電感，電容C為發(fā)射線圈補償電容。選擇穩(wěn)壓值為5V的穩(wěn)壓二極管，驅(qū)動電壓為5V的開關(guān)管。

穩(wěn)態(tài)時電路有兩個工作模態(tài)，其工作過程如下：

(1) 模態(tài)Ⅰ

如圖3所示，模態(tài)Ⅰ時，補償電容C兩端的電壓上正下負，即A點電位高B點電位低。當A點電壓高于5V時，穩(wěn)壓管D2的電壓為5V，驅(qū)動Q2導(dǎo)通。此時電路的電流流向如圖3中粗線所示，直流電流經(jīng)過相分變壓器分為I1、I2(兩者基本相等)，其中I1通過A點進入諧振回路，在B點與I2匯合，經(jīng)過Q2，所以推挽式拓撲流入諧振回路的電流為等效電流源的一半，與補償電容式半橋拓撲對偶，I1由A點向諧振回路注入能量，向補償電容C充電，A點的電位按正弦半波規(guī)律變化。當A點電位下降至小于5V時，Q2關(guān)斷，補償電容C兩端的電壓過零后反向增加。

(2) 模態(tài)Ⅱ

如圖4所示，模態(tài)Ⅱ時，補償電容C兩端的電壓翻轉(zhuǎn)，下正上負，即B點位高A點位。當B點電壓大于5V時，穩(wěn)壓管D1的電壓為5V，驅(qū)動Q1導(dǎo)通。此時電路的電流流向如圖4中粗線所示，I2通過B點為諧振回路反向注入能量，并在A點與I1匯合，經(jīng)過Q1流回直流電源。此時A點電位為零，B點電位高于5V并按正弦半波規(guī)律變化。當B點電位下降至小于Q1時，Q1關(guān)斷，補償電容C兩端的電壓過零后正向增加。

當補償電容C電壓正向大于5V時再次進入模態(tài)Ⅰ，電路循環(huán)工作在以上兩個模態(tài)，在發(fā)射線圈L1中產(chǎn)生正弦電流。電路的控制方法簡單，不需要附加開關(guān)管的驅(qū)動電路，實現(xiàn)了電路的自振蕩逆變。此外，開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)的切換發(fā)生在補償電容C兩點電勢差為5V左右的時刻，基本實現(xiàn)了ZVS，從而降低了整個電路的損耗。

3 結(jié)果

當空氣中煤氣密度達到額定值時，煤氣感應(yīng)器11信號輸出端部分開始運行，持續(xù)輸出信號；無線供電控制部分接收到持續(xù)的信號后閉合開關(guān)，開始運行無線供電系統(tǒng)(無線供電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞)。系統(tǒng)工作時，輸入端將交流市電經(jīng)全橋整流電路23變換成直流電，經(jīng)過電源管理模塊后輸出的直流電通過自振蕩逆變拓撲轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級繞組24。通過2個線圈耦合傳輸能量，次級線圈感應(yīng)的電壓經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路為排風(fēng)系統(tǒng)30(如排風(fēng)扇32)供電。變化的磁場會產(chǎn)生變化的電場，變化的電場會產(chǎn)生變化的磁場，其大小均與它們的變化率有關(guān)系，而正弦函數(shù)的變化率是另外一個正弦函數(shù)，所以電磁波能夠傳播出去，而感應(yīng)電壓的產(chǎn)生與磁通量的變化相關(guān)，所以線圈內(nèi)部變化的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而完成供電過程，排風(fēng)系統(tǒng)自動啟動； 當室內(nèi)煤氣濃度下降到某個安全值，煤氣感應(yīng)器11信號輸出端部分停止運行，即停止輸出信號，無線供電部分開關(guān)斷開，排風(fēng)系統(tǒng)30自動停止工作。

4 討論

本文提出的一種新型智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)方案較傳統(tǒng)煤氣報警器具有以下3個方面的創(chuàng)新功能：一是智能檢測，用煤氣傳感器代替人的感官，最快做出最有效的措施，自動地監(jiān)測煤氣是否發(fā)生泄漏；二是無線供電，利用當下極具發(fā)展前景的無線供電技術(shù)，防止煤氣泄漏時電火花的產(chǎn)生，為使用者的人身安全提供保障；三是自振蕩逆變拓撲，作為無線供電內(nèi)部一電路設(shè)計，將無線供電效率提升。

5 結(jié)論

本文提出的智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)方案采用當下極具發(fā)展前景的無線供電技術(shù)，室內(nèi)煤氣發(fā)生泄漏時，系統(tǒng)能有效防止人煤氣中毒；電路中不會產(chǎn)生電火花，避免火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生。本系統(tǒng)可以很好地解決傳統(tǒng)煤氣報警器存在的線接觸產(chǎn)生電火花、不易調(diào)整、經(jīng)常失靈等問題，且結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用、安全有效。

致謝： 本文為重慶市青少年創(chuàng)新人才培養(yǎng)“雛鷹計劃”研究項目成果。感謝重慶大學(xué)自動化專業(yè)博士生蔣成、西南大學(xué)附屬中學(xué)“雛鷹計劃”指導(dǎo)老師李九彬的悉心指導(dǎo)。

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RESEARCH ON A NEW TYPE OF INTELLIGENT GAS LEAK DETECTION POWERED BY WIRELESS SUPPLY

Chen Yuanlong

(The High School Affiliated to Southwest University, Chongqing 400715)

In this paper, a new kind of intelligent gas leak detection which powered by wireless electric supply is discussed.The system can predict gas leak quickly.The system includes the gas sensor, control system and exhaust system.The gas sensor can give the signal that tells gas leak or not.If a gas leak happened, the control system will start the exhaust system, and when the gas leak stopped, it will stop the exhaust system.The entire system is powered by wireless electric supply, and in this way,it avoids the gas explosion which leads by the electric spark,and shows economical, practical, safe and effective.

wireless electric supply; gas sensor; intelligent control; safety

2016-05-31；

2016-08-18

陳元龍，男，西南大學(xué)附屬中學(xué)高2017級2班學(xué)生，重慶市青少年創(chuàng)新人才培養(yǎng)“雛鷹計劃”學(xué)員。作品所獲獎項：第31屆重慶市青少年科技創(chuàng)新大賽發(fā)明類一等獎、第十二屆中國重慶高新技術(shù)成果交易會、第八屆中國國際軍民兩用技術(shù)博覽會優(yōu)秀作品獎,zzy2003565@126.com。

陳元龍. 一種新型智能感應(yīng)煤氣無線供電排風(fēng)系統(tǒng)的研究[J]. 物理與工程，2017，27(1)：93-97.