一种新型智能感应煤气无线供电排风系统的研究

陈元龙

(西南大学附属中学,重庆 400715)

一种新型智能感应煤气无线供电排风系统的研究

陈元龙

(西南大学附属中学,重庆 400715)

本文提出了一种新型智能感应煤气无线供电排风系统方案，该系统能快速有效预测和应变煤气或天然气泄漏事故。本系统包括煤气感应器、控制系统和排风系统模块，其中煤气感应器实时监测煤气是否发生泄漏，当室内煤气浓度达到额定值时，持续输出信号；控制系统接收到持续的信号后，自动启动排风系统；当室内煤气浓度低于额定值时，煤气感应器持续输出信号，控制系统接收到持续的信号后，自动停止排风系统。本系统采用无线供电技术，不会产生电火花而引发煤气爆炸事故，结构简单、经济实用、安全有效。

无线供电;煤气感应；智能化排风；安全

当下居民家庭普遍使用煤气或天然气，在方便生活的同时也存在着许多安全隐患。传统的报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，经采样电路，将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路，当可燃气体浓度超过控制器或控制电路中设定值时，执行器或执行电路发出报警信号。然而，常用的报警器大多采用线接触形式，存在着因线接触产生电火花而引爆可燃气体的隐患，同时，常见的报警器还存在调整不便、可靠性偏低的缺点。为解决传统报警器存在的线接触产生电火花、不易调整、经常失灵等问题，本文提出了一种新型的智能感应煤气无线供电排风系统的方案。

1 材料及方法

智能感应煤气无线供电排风系统由煤气感应器、控制系统和排风系统组成。控制系统包括自振荡逆变拓扑电路、全桥整流电路、交流电源和初级绕组；排风系统包括次级绕组和风扇。其中，煤气感应器与自振荡逆变拓扑电路连接；自振荡逆变拓扑电路与交流电源连接；自振荡逆变拓扑电路与初级绕组连接；次级绕组和风扇无线传感。

自振荡逆变拓扑电路为推挽式逆变拓扑结构，非接触充电系统中的高频逆变拓扑一般有全桥逆变拓扑、半桥逆变拓扑、推挽式逆变拓扑等。全桥逆变拓扑和半桥逆变拓扑都需要隔离光源电路和光耦电路，存在体积大、成本高的缺点，不适宜在充电系统中采用。而推挽式逆变拓扑可设计为自振荡逆变，只需在主电路中加入少量辅助元件即可实现开关器件的驱动，其体积和成本都比较小。因此，根据便携式充电设备的特点，选择推挽式逆变拓扑作为本系统的逆变拓扑。

本文设计的智能感应煤气无线供电排风系统中通过输出信号智能控制无线供电电路的通断，无线供电方式可消除电火花隐患，系统结构简单实用，可快速有效地应变煤气泄漏事故。

2 具体实施方式

下面结合具体实施方式对本作品的发明内容作进一步的详细描述。应理解，本作品的实施例只用于说明本作品而非限制本作品，在不脱离本作品技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段作出的各种替换和变更，均应包括在本作品的范围内。

图1 系统结构图

图2 自振荡逆变拓扑电路的结构示意图

图3 自振荡逆变拓扑电路在稳态工作模态Ⅰ下的电通路图

图4 自振荡逆变拓扑电路在稳态工作模态Ⅱ下的电通路图

图1为本作品的结构示意图；图2为自振荡逆变拓扑电路的结构示意图；图3为自振荡逆变拓扑电路在稳态工作模态Ⅰ下的电通路图；图4为自振荡逆变拓扑电路在稳态工作模态Ⅱ下的电通路图。图1中10为智能感应煤气无线供电排风系统，11为煤气感应器，20为控制系统，21为交流电源，22为自振荡逆变拓扑电路，23为全桥整流电路，24为初级绕组，30为排风系统，31为次级绕组，32为风扇。图2、图3和图4中直流输入端V，第一电感L1，第二电感L2，第三电感L3，第四电感L4，补偿电容C，第一负载R1，第二负载R2，第一开关管Q1，第二开关管Q2，第一二极管D1，第二二极管D2。

如图1所示，智能感应煤气无线供电排风系统10包括煤气感应器11、控制系统20和排风系统30。控制系统20包括自振荡逆变拓扑电路22、全桥整流电路23、交流电电源21和初级绕组24；排风系统30包括次级绕组31和风扇32；其中，煤气感应器11与自振荡逆变拓扑电路22连接；全桥整流电路23与自振荡逆变拓扑电路22和交流电源21连接；自振荡逆变拓扑电路22和初级绕组24连接；次级绕组31与风扇32连接。

自振荡逆变拓扑电路22为推挽式逆变拓扑结构,如图2所示，推挽式逆变拓扑结构包括一个直流输入端V、第一与第二驱动电路、4个电感和一个补偿电容C，第一驱动电路包括第一开关管Q1、第一稳压二极管和第一负载R1；第二驱动电路包括第二开关管Q2、第二稳压管和第二负载R2；第一开关管Q1和第二开关管Q2的射极、第一二极管D1和第二二极管D2的正极分别连接到直流输入端V的负极；第一开关管Q1的集电极与第三电感L3的一端连接，第一负载R1的一端、第一电感L1的一端和补偿电容C的一端分别连接于第一开关管Q1的集电极和第三电感L3之间的连接节点上；第二开关管Q2的集电极与第二电感L2的一端连接，第二负载R2的一端、补偿电容C的另一端和第一电感L1的另一端分别连接于第二开关管Q2的集电极和第二电感L2之间的连接节点上；第一开关管Q1的基极与第一二极管D1的负极连接，且第二负载R2的另一端连接于第一开关管Q1与第一二极管D1之间的连接节点上；第二开关管Q2的基极与第二二极管D2的负极连接，且第一负载R1的另一端连接于第二开关管Q2和第二二极管D2之间的连接节点上；第二电感L2的另一端和第三电感L3的另一端相互连接；第四电感L4的一端连接于第二电感L2和第三电感L3之间的连接节点上，另一端与直流输入端V的正极连接。

推挽式逆变拓扑可实现电路自振荡工作，从而避免了在开关管Q1、Q2两端加开关控制驱动电路。开关管的栅极驱动电压直接从开关管两端获得，驱动电路是由一个稳压二极管与一个负载串联组成。直流电压源与电感L2组成等效的直流电流源。电感L3、L4为相分变压器两个绕组的等效电感。电感L1为发射线圈等效电感，电容C为发射线圈补偿电容。选择稳压值为5V的稳压二极管，驱动电压为5V的开关管。

稳态时电路有两个工作模态，其工作过程如下：

(1) 模态Ⅰ

如图3所示，模态Ⅰ时，补偿电容C两端的电压上正下负，即A点电位高B点电位低。当A点电压高于5V时，稳压管D2的电压为5V，驱动Q2导通。此时电路的电流流向如图3中粗线所示，直流电流经过相分变压器分为I1、I2(两者基本相等)，其中I1通过A点进入谐振回路，在B点与I2汇合，经过Q2，所以推挽式拓扑流入谐振回路的电流为等效电流源的一半，与补偿电容式半桥拓扑对偶，I1由A点向谐振回路注入能量，向补偿电容C充电，A点的电位按正弦半波规律变化。当A点电位下降至小于5V时，Q2关断，补偿电容C两端的电压过零后反向增加。

(2) 模态Ⅱ

如图4所示，模态Ⅱ时，补偿电容C两端的电压翻转，下正上负，即B点位高A点位。当B点电压大于5V时，稳压管D1的电压为5V，驱动Q1导通。此时电路的电流流向如图4中粗线所示，I2通过B点为谐振回路反向注入能量，并在A点与I1汇合，经过Q1流回直流电源。此时A点电位为零，B点电位高于5V并按正弦半波规律变化。当B点电位下降至小于Q1时，Q1关断，补偿电容C两端的电压过零后正向增加。

当补偿电容C电压正向大于5V时再次进入模态Ⅰ，电路循环工作在以上两个模态，在发射线圈L1中产生正弦电流。电路的控制方法简单，不需要附加开关管的驱动电路，实现了电路的自振荡逆变。此外，开关管开关状态的切换发生在补偿电容C两点电势差为5V左右的时刻，基本实现了ZVS，从而降低了整个电路的损耗。

3 结果

当空气中煤气密度达到额定值时，煤气感应器11信号输出端部分开始运行，持续输出信号；无线供电控制部分接收到持续的信号后闭合开关，开始运行无线供电系统(无线供电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递)。系统工作时，输入端将交流市电经全桥整流电路23变换成直流电，经过电源管理模块后输出的直流电通过自振荡逆变拓扑转换成高频交流电供给初级绕组24。通过2个线圈耦合传输能量，次级线圈感应的电压经接受转换电路为排风系统30(如排风扇32)供电。变化的磁场会产生变化的电场，变化的电场会产生变化的磁场，其大小均与它们的变化率有关系，而正弦函数的变化率是另外一个正弦函数，所以电磁波能够传播出去，而感应电压的产生与磁通量的变化相关，所以线圈内部变化的磁场产生感应电压，从而完成供电过程，排风系统自动启动； 当室内煤气浓度下降到某个安全值，煤气感应器11信号输出端部分停止运行，即停止输出信号，无线供电部分开关断开，排风系统30自动停止工作。

4 讨论

本文提出的一种新型智能感应煤气无线供电排风系统方案较传统煤气报警器具有以下3个方面的创新功能：一是智能检测，用煤气传感器代替人的感官，最快做出最有效的措施，自动地监测煤气是否发生泄漏；二是无线供电，利用当下极具发展前景的无线供电技术，防止煤气泄漏时电火花的产生，为使用者的人身安全提供保障；三是自振荡逆变拓扑，作为无线供电内部一电路设计，将无线供电效率提升。

5 结论

本文提出的智能感应煤气无线供电排风系统方案采用当下极具发展前景的无线供电技术，室内煤气发生泄漏时，系统能有效防止人煤气中毒；电路中不会产生电火花，避免火灾、爆炸事故的发生。本系统可以很好地解决传统煤气报警器存在的线接触产生电火花、不易调整、经常失灵等问题，且结构简单、经济实用、安全有效。

致谢： 本文为重庆市青少年创新人才培养“雏鹰计划”研究项目成果。感谢重庆大学自动化专业博士生蒋成、西南大学附属中学“雏鹰计划”指导老师李九彬的悉心指导。

[1] 罗方涛.煤气化发电与甲醇多联产系统燃气轮机子单元运行优化与改造[D].华东理工大学,2012. Luo Fangtao. Coal gasification and methanol polygeneration system of gas turbine unit operation optimization and transformation of[D]. East China University of Science and Technology, 2012. (in Chinese)

[2] 段晓霞,梁冬柳,陈晓东,等.基于单片机的煤气报警系统[J].自动化技术与应用,2014(12):81-83. Duan Xiaoxia, Liang Dongliu, Chen Daifeng. Gas alarm system based on single-chip computer[J]. Automation Technology and Applications, 2014(12): 81-83. (in Chinese)

[3] 胡家斌.环保技术在南钢焦化的应用与实践[J].煤化工,2015(03):50-52. Hu Gubin. Environmental protection technology in the application and practice of nangang coking[J]. Coal Chemical Industry, 2015(03): 50-52. (in Chinese)

[4] 杨修国.基于MGS1100传感器煤气报警系统设计[J].国外电子测量技术,2014(07)85-88. Yang Xiuguo. Based on sensor MGS1100 gas alarm system design[J]. Journal of Electronic Measurement Technology Abroad, 2014(07): 85-88. (in Chinese)

[5] 王文越,刘敏,叶晨,等.基于GSM的家用煤气泄漏智能预警装置设计[J].科技广场,2014(09):249-253. Wang Wenyue, Liu Min,Ye Chen, et al. Based on the GSM intelligent household gas leak warning device design[J]. Science and Technology Plaza, 2014(09): 249-253. (in Chinese)

[6] 贺滢,邱麒朱,郑斌.基于ARM11的煤气智能检测系统的研究与实现[J].科技创新与应用,2012(13):22. He Ying, Qiu Qizhu, Zheng Bin. The research and implementation of intelligent gas detection system based on ARM11[J]. Scientific and Technological Innovation and Application, 2012(13): 22. (in Chinese)

[7] 袁伟,谢峰粹,李勇,等.家用煤气安全智能控制系统的设计[J].科技创新导报,2012(13):40-42. Yuan Wei, Xie Fengcui, Li Yong, et al. The design of household gas safety control system of intelligent[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2012(13): 40-42. (in Chinese)

[8] 董文宇.一种基于物联网云计算的无线室内空气质量监测技术[J].中国新通信,2012(24):28-30. Dong Wenyu. The wireless indoor air quality monitoring technology based on Internet of cloud computing[J]. China’s New Communications, 2012(24): 28-30. (in Chinese)

[9] 孙宁.煤气泄漏报警及智能排险系统设计[J].科技视界,2013(33):7+27. Sun Ning. The design of gas leak alarm and intelligent zone system[J]. Science and Technology Vision, 2013(33): 7+27. (in Chinese)

[10] 新产品介绍[J].世界电子元器件,1996(11):54-59+84-85. New product introduction[J]. Electronic Components in the World, 1996(11): 54 + 84-59-85. (in Chinese)

[11] 刘良福,黄隆胜.能自动关闭阀门的煤气报警控制器[J].赣南师范学院学报,2002(06):41-42. Liu Liangfu, Huang LongSheng. The gas alarm controller can automatically close the valve[J]. Journal of GanNan Normal College, 2002(06): 41-42. (in Chinese)

[12] 杨振彬.家用自动换气装置兼可燃性气体报警器[J].家用电器科技,1990(06):26. Yang Zhenbin. Household automatic ventilation device and combustible gas alarm[J]. Science and Technology of Household Appliances 1990(06): 26. (in Chinese)[13] 王刚勤.煤气泄漏声光报警自控装置[J].电工技术,1991(06):33-34. Wang Gangqin. The automatic control installation of sound and light alarm to gas leak[J]. Electrotechnics, 1991(06): 33-34. (in Chinese)

[14] 胡问国,吴永强,姜黎路,等.MB-2型煤气及可燃有害气体多功能报警器的研究[J].数据采集与处理,1989,S1:58-59. Hu Wenguo, Wu Yongqiang, Jiang Lilu, et al. The research of MB-2 gas and combustible harmful gas multi-function alarm[J]. Data Acquisition and Processing, 1989, S1: 58-59. (in Chinese)

[15] 蔡榕硕,姚瑞梅,杜华晖.厦门寨后垃圾填埋场释气影响及其控制[J].台湾海峡,1999(04):474-480. Cai Rongshuo, Yao Ruimei, Du Huahui. The influence and control of outgassing from Xiamen village landfill[J]. Taiwan Strait, 1999(04): 474-480. (in Chinese)

[16] 本刊通讯员.进口热拉机烘房浅析[J].丝绸,1984,(02):54-56. The newspaper correspondent. The analysis of imported hot drawing machine dryer makes[J]. Silk, 1984, 11: 54-56. (in Chinese)

[17] 曹德龙.瑞士KBB绢丝烧毛机简介[J].丝绸,1984,(03):62. Cao De-long. Introduction of Swiss KBB silk singeing machine[J]. Silk, 1984, (01): 62. (in Chinese)

[18] 裴曙光.煤气泄露检测器的设计[J].电子世界,2013(20):139-140. Pei ShuGuang. The design of gas leak detector[J]. Electronic World, 2013(20): 139-140. (in Chinese)

[19] 瑞士发布有关测量仪器的条例 欧盟起草饼干等食品进口管理新法案 泰国制定食品增补剂标签申批程序 (20则)[J].国际市场,2005(12):38-41. Switzerland issued regulations about measuring instrument The food imports management new bill to biscuits and so on which is drafted by the EU The food supplements label approval procedure which is Set by the Thai (20)[J]. International Market, 2005(12): 38-41. (in Chinese)

[20] 王树武,张洪石.可编程序控制器在2D12-150/3-Ⅰ型煤气压缩机控制系统中的应用[J].城市煤气,1994(07):15-20. Wang Shuwu, Zhang hongshi. The application programmable controller in 2D12-150/3-Ⅰ gas compressor control system[J]. The City Gas, 1994(07): 15-20. (in Chinese)

[21] 徐律,谢和平,王晓轩,等.煤气检测报警排风装置[P].湖北：CN201335481,2009-10-28.

[22] 谭启仁.强排式燃气热水器全方位人身安全保护装置[P].浙江：CN1563842,2005-01-12.

[23] 谭启仁.强排式燃气热水器全方位人身安全保护装置[P].浙江：CN2684094,2005-03-09.

[24] 常建国,杜永恒,潘玉勤,等.智能通风降温防煤气中毒装置[P]. 河南：CN203893362U,2014-10-22.[25] 沈锦华.可燃气体泄漏自动报警关断器[P].浙江：CN1074775,1993-07-28.[26] 沈锦华.可燃气体泄漏自动报警关断器[P].浙江：CN2110251,1992-07-15.[27] 余志鹏.煤气泄漏自动排风报警装置[P].江西：CN2333045,1999-08-11.

[28] 刘丰.一种具有煤气泄露探测提醒功能的LED灯具[P].广东：CN204026207U,2014-12-17.

[29] 陈英杰.煤气泄露报警器[P].广东：CN104637257A,2015-05-20.

[30] 不公告发明人.一种煤气检测报警排风系统[P].陕西：CN104574846A,2015-04-29.

[31] 陈英杰.煤气泄露报警器[P].广东：CN204423601U,2015-06-24.

[32] 李红卫,唐顺兵,李夯为,等.一种高炉低压排风切煤气休风法[P].山西：CN104878141A,2015-09-02.

[33] 刘霖,张树民,方晶敏. 一种煤气泄露报警电路[P].浙江：CN204614173U,2015-09-02.

[34] 徐莹.一种家居智能化煤气泄露自锁装置[P].浙江：CN204647866U,2015-09-16.

[35] 董卫东,童荣,周湘勇,等.一种煤气泄露监控报警系统[P].湖南：CN203422826U,2014-02-05.[36] 王其.一种煤气检测报警排风系统[P].江苏：CN202075840U,2011-12-14.[37] 黄晓华.煤气泄露应急保护装置[P].上海：CN102645908A,2012-08-22.

[38] 孙文合,王秀枝,郭晓峰,等.防止高炉煤气余压发电装置排水系统煤气泄露的保安器[P].河北：CN202544938U,2012-11-21.

[39] 汤一平.智能煤气泄露检测装置[P].浙江：CN2816780,2006-09-13.

[40] 李结发.煤气泄露自我保护通信装置及方法[P].江苏：CN101996475A,2011-03-30.[41] 王其.一种煤气检测报警排风系统[P].江苏：CN102184620A,2011-09-14.

[42] 吴汝怀.煤气泄露报警器[P].山东：CN2145414,1993-11-03.[43] 余志鹏.煤气泄漏自动排风报警装置[P].江西：CN2333045,1999-08-11.

[44] 白明星,刘丽亭,李佩,刘晓东.兼有防地震、防火、防煤气泄露的防盗安全门锁具[P].河北：CN2387220,2000-07-12.

[45] 徐律,谢和平,王晓轩,等.煤气检测报警排风装置[P].湖北：CN201335481,2009-10-28.

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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

陈元龙，男，西南大学附属中学高2017级2班学生，重庆市青少年创新人才培养“雏鹰计划”学员。作品所获奖项：第31届重庆市青少年科技创新大赛发明类一等奖、第十二届中国重庆高新技术成果交易会、第八届中国国际军民两用技术博览会优秀作品奖,zzy2003565@126.com。

陈元龙. 一种新型智能感应煤气无线供电排风系统的研究[J]. 物理与工程，2017，27(1)：93-97.