一種新型智能感應煤氣無線供電排風系統的研究

陳元龍

(西南大學附屬中學,重慶 400715)

一種新型智能感應煤氣無線供電排風系統的研究

陳元龍

(西南大學附屬中學,重慶 400715)

本文提出了一種新型智能感應煤氣無線供電排風系統方案，該系統能快速有效預測和應變煤氣或天然氣泄漏事故。本系統包括煤氣感應器、控制系統和排風系統模塊，其中煤氣感應器實時監測煤氣是否發生泄漏，當室內煤氣濃度達到額定值時，持續輸出信號；控制系統接收到持續的信號后，自動啟動排風系統；當室內煤氣濃度低于額定值時，煤氣感應器持續輸出信號，控制系統接收到持續的信號后，自動停止排風系統。本系統采用無線供電技術，不會產生電火花而引發煤氣爆炸事故，結構簡單、經濟實用、安全有效。

無線供電;煤氣感應；智能化排風；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。傳統的報警器通過氣體傳感器探測周圍環境中的低濃度可燃氣體，經采樣電路，將探測信號用模擬量或數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定值時，執行器或執行電路發出報警信號。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整不便、可靠性偏低的缺點。為解決傳統報警器存在的線接觸產生電火花、不易調整、經常失靈等問題，本文提出了一種新型的智能感應煤氣無線供電排風系統的方案。

1 材料及方法

智能感應煤氣無線供電排風系統由煤氣感應器、控制系統和排風系統組成。控制系統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；排風系統包括次級繞組和風扇。其中，煤氣感應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；次級繞組和風扇無線傳感。

自振蕩逆變拓撲電路為推挽式逆變拓撲結構，非接觸充電系統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，不適宜在充電系統中采用。而推挽式逆變拓撲可設計為自振蕩逆變，只需在主電路中加入少量輔助元件即可實現開關器件的驅動，其體積和成本都比較小。因此，根據便攜式充電設備的特點，選擇推挽式逆變拓撲作為本系統的逆變拓撲。

本文設計的智能感應煤氣無線供電排風系統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，系統結構簡單實用，可快速有效地應變煤氣泄漏事故。

2 具體實施方式

下面結合具體實施方式對本作品的發明內容作進一步的詳細描述。應理解，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思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段作出的各種替換和變更，均應包括在本作品的范圍內。

圖1 系統結構圖

圖2 自振蕩逆變拓撲電路的結構示意圖

圖3 自振蕩逆變拓撲電路在穩態工作模態Ⅰ下的電通路圖

圖4 自振蕩逆變拓撲電路在穩態工作模態Ⅱ下的電通路圖

圖1為本作品的結構示意圖；圖2為自振蕩逆變拓撲電路的結構示意圖；圖3為自振蕩逆變拓撲電路在穩態工作模態Ⅰ下的電通路圖；圖4為自振蕩逆變拓撲電路在穩態工作模態Ⅱ下的電通路圖。圖1中10為智能感應煤氣無線供電排風系統，11為煤氣感應器，20為控制系統，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為排風系統，31為次級繞組，32為風扇。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，第一開關管Q1，第二開關管Q2，第一二極管D1，第二二極管D2。

如圖1所示，智能感應煤氣無線供電排風系統10包括煤氣感應器11、控制系統20和排風系統30。控制系統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；排風系統30包括次級繞組31和風扇32；其中，煤氣感應器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與風扇32連接。

自振蕩逆變拓撲電路22為推挽式逆變拓撲結構,如圖2所示，推挽式逆變拓撲結構包括一個直流輸入端V、第一與第二驅動電路、4個電感和一個補償電容C，第一驅動電路包括第一開關管Q1、第一穩壓二極管和第一負載R1；第二驅動電路包括第二開關管Q2、第二穩壓管和第二負載R2；第一開關管Q1和第二開關管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管Q1的集電極和第三電感L3之間的連接節點上；第二開關管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管Q2的集電極和第二電感L2之間的連接節點上；第一開關管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管Q1與第一二極管D1之間的連接節點上；第二開關管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管Q2和第二二極管D2之間的連接節點上；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電路自振蕩工作，從而避免了在開關管Q1、Q2兩端加開關控制驅動電路。開關管的柵極驅動電壓直接從開關管兩端獲得，驅動電路是由一個穩壓二極管與一個負載串聯組成。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為發射線圈等效電感，電容C為發射線圈補償電容。選擇穩壓值為5V的穩壓二極管，驅動電壓為5V的開關管。

穩態時電路有兩個工作模態，其工作過程如下：

(1) 模態Ⅰ

如圖3所示，模態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，穩壓管D2的電壓為5V，驅動Q2導通。此時電路的電流流向如圖3中粗線所示，直流電流經過相分變壓器分為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律變化。當A點電位下降至小于5V時，Q2關斷，補償電容C兩端的電壓過零后反向增加。

(2) 模態Ⅱ

如圖4所示，模態Ⅱ時，補償電容C兩端的電壓翻轉，下正上負，即B點位高A點位。當B點電壓大于5V時，穩壓管D1的電壓為5V，驅動Q1導通。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并按正弦半波規律變化。當B點電位下降至小于Q1時，Q1關斷，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Ⅰ，電路循環工作在以上兩個模態，在發射線圈L1中產生正弦電流。電路的控制方法簡單，不需要附加開關管的驅動電路，實現了電路的自振蕩逆變。此外，開關管開關狀態的切換發生在補償電容C兩點電勢差為5V左右的時刻，基本實現了ZVS，從而降低了整個電路的損耗。

3 結果

當空氣中煤氣密度達到額定值時，煤氣感應器11信號輸出端部分開始運行，持續輸出信號；無線供電控制部分接收到持續的信號后閉合開關，開始運行無線供電系統(無線供電系統主要采用電磁感應原理，通過線圈進行能量耦合實現能量的傳遞)。系統工作時，輸入端將交流市電經全橋整流電路23變換成直流電，經過電源管理模塊后輸出的直流電通過自振蕩逆變拓撲轉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，次級線圈感應的電壓經接受轉換電路為排風系統30(如排風扇32)供電。變化的磁場會產生變化的電場，變化的電場會產生變化的磁場，其大小均與它們的變化率有關系，而正弦函數的變化率是另外一個正弦函數，所以電磁波能夠傳播出去，而感應電壓的產生與磁通量的變化相關，所以線圈內部變化的磁場產生感應電壓，從而完成供電過程，排風系統自動啟動； 當室內煤氣濃度下降到某個安全值，煤氣感應器11信號輸出端部分停止運行，即停止輸出信號，無線供電部分開關斷開，排風系統30自動停止工作。

4 討論

本文提出的一種新型智能感應煤氣無線供電排風系統方案較傳統煤氣報警器具有以下3個方面的創新功能：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，自動地監測煤氣是否發生泄漏；二是無線供電，利用當下極具發展前景的無線供電技術，防止煤氣泄漏時電火花的產生，為使用者的人身安全提供保障；三是自振蕩逆變拓撲，作為無線供電內部一電路設計，將無線供電效率提升。

5 結論

本文提出的智能感應煤氣無線供電排風系統方案采用當下極具發展前景的無線供電技術，室內煤氣發生泄漏時，系統能有效防止人煤氣中毒；電路中不會產生電火花，避免火災、爆炸事故的發生。本系統可以很好地解決傳統煤氣報警器存在的線接觸產生電火花、不易調整、經常失靈等問題，且結構簡單、經濟實用、安全有效。

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

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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，西南大學附屬中學高2017級2班學生，重慶市青少年創新人才培養“雛鷹計劃”學員。作品所獲獎項：第31屆重慶市青少年科技創新大賽發明類一等獎、第十二屆中國重慶高新技術成果交易會、第八屆中國國際軍民兩用技術博覽會優秀作品獎,zzy2003565@126.com。

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