安全保护装置和方法
【专利摘要】本发明提供一种安全保护装置，能够监控受保护设备的阻抗（仅用于诸如电热毯的电阻加热设备），并且在受保护设备的阻抗低于正常值的0.98倍时切断受保护设备的电源，从而避免潜在的火灾和电击。电阻加热设备的退化和/或电击将导致所述设备的阻抗降低，并且所述设备的低阻抗将导致过热或火灾。安全保护装置能够在检测到他们的电阻加热设备的性能退化时提醒用户替换他们的电阻加热设备。
【专利说明】安全保护装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种安全保护装置和方法，更具体地说，涉及一种电阻加热电器的安全保护装置和方法。
【背景技术】
[0002]随着社会进步，人们对用电安全的要求越来越高。如大家熟悉的断路器，它具有的过载保护功能可以避免:因电路的过热而造成绝缘的损坏，从而导致电流短路，进而促使火灾的发生；断路器具有的短路保护功能可以迅速地切断短路电流，从而避免电气火灾的发生。又如大家熟悉的漏电保护装置，它可以在流入保护装置的电流与流出保护装置的电流差值达到设定值时切断电路，从而使用户避免可能的触电事故。然而，人们发现尽管我们有了这么多、这么好的用电安全保护设备，但还是不断地有电器火灾的发生，不断地发生人们因电器的漏电而发生触电事故。那是因为，我们现有的产品是有其保护的局限性的，具体说明如下:
[0003]断路器的过载保护功能的定义为:当通过此设备的电流< 1.13 (对微型断路器适用)或1.05 (对除微型断路器外的断路器适用)倍的额定电流时，断路器不脱扣；当电流>1.45 (对微型断路器适用)或1.3 (对除微型断路器外的断路器适用)倍的额定电流时，断
路器在规定的时间内脱扣。额定电流设定为6A、10A、16A、25A......产品标准推荐的一些离散
的优选值。由此可见，它不能保护某一特定的电器，如额定电流为7A的电阻加热器。当电器的端电压的因某种不正常的情况，从220V增加为380V或因其老化造成部分短路使其额定电流从7A上升到12A时，我们因找不到合适的保护装置而使这种情况成为火灾的隐患。具体地，当选6A的断路器作为其保护电器时，则可能造成加热器在正常工作状态下，保护电器的脱扣；选用IOA的断路器则在加热器处于过载的状态时保护电器不脱扣。
[0004]断路器的短路保护功能的定义为:当通过此设备的电流大于5倍的额定电流时，断路器迅速脱扣，以切断短路电流。同上类似地可以发现，它不能保护某种特定的电器。
[0005]漏电保护的原理为:当流入保护装置的电流与流出保护装置的电流的差值达到设定值I An时，保护装置动作切断电源，以避免可能发生的触电事故。然而，当流过触电者的电流不是流入保护装置之外的大地时，而是流回保护装置内时，保护装置不动作，这种情况下保护无效。如躺在电热毯上的老人因尿炕而引起220V电压直接施加在其身体的二侧，造成的触电事故。
[0006]如人的基础体温能衡量一个人的健康状况一样，电器的内阻可以衡量加热电器的安全状况。研发、生产、使用一种可以实时监测加热电器的安全状况，并在其安全状况偏离正常值时及时报警和切断电源可以大大地减少火灾及触电事故发生。
【发明内容】
[0007]本发明的另外方面和优点部分将在后面的描述中阐述，还有部分可从描述中明显地看出，或者可以在本发明的实践中得到。[0008]本发明提供了一种实时监测电阻加热电器的安全状况并在其安全状况偏离正常值时及时报警和切断电源的安全保护装置。
[0009]本发明能够用于电阻加热电器前端，以实时监测电阻加热电器的安全状况并在其安全状况偏离正常值时及时报警和切断电源。
[0010]本发明提供一种安全保护装置，能够监控受保护设备的阻抗(仅用于诸如电热毯的电阻加热设备)，并且在受保护设备的阻抗低于正常值的0.98倍时切断受保护设备的电源，从而避免潜在的火灾和电击。电阻加热设备的退化和/或电击将导致所述设备的阻抗降低，并且所述设备的低阻抗将导致过热或火灾。安全保护装置能够在检测到他们的电阻加热设备的性能退化时提醒用户替换他们的电阻加热设备。
[0011]本发明提供了一种电阻加热电器的安全保护装置，包括:工作电源电路，用于对外部电源电压进行变压、镇流、滤波处理以为安全保护装置中的各个电路供电；电压采集与处理电路，用于对外部电源电压进行采样，将采样电压信号转换成数字电压信号，并传送数字电压信号到控制电路；电流采集与处理电路，用于对电阻加热电器的负载电流进行采样，将采样电流信号转换成数字电流信号，并传送数字电流信号到控制电路；控制电路，包含:初始化电路，用于在接收到初始化指令时，根据来自电压采集与处理电路和电流采集与处理电路的数字电压信号和数字电流信号对电阻加热电器的电阻值进行实时计算，直至电阻值稳定为止，并将计算时段内的最小电阻值传送到初始化及数据存储电路；和实时监测电路，用于在没有接收到初始化指令时，根据来自电压采集与处理电路和电流采集与处理电路的数字电压信号和数字电流信号对电阻加热电器的电阻值进行实时计算，并当计算的实时电阻值与最小电阻值之比小于第一预定阈值时，发出开断及报警指令；初始化及数据存储电路，用于在接收到用户触发输入时发出初始化指令给控制电路，并存储来自控制电路的最小电阻值；开断及报警驱动电路，用于在接收到来自控制电路的开断及报警指令后，向开断执行器施加驱动信号；开断执行器，用于当接收到来自开断及报警驱动电路的驱动信号时，对开关施加外力；开关，用于在接收到来自开断执行器施加的外力时，从闭合状态转变为开断状态。
[0012]本发明提供了一种电阻加热电器的安全保护方法，包括:a)初始化步骤，利用通过对外部电源电压进行采集获得的数字电压信号和数字电流信号对电阻加热电器的电阻值进行实时计算，直至电阻值稳定为止，并存储计算时段内的最小电阻值山)实时监测步骤，在初始化阶段之后，利用通过对外部电源电压进行采集获得的数字电压信号和数字电流信号对电阻加热电器的电阻值进行实时计算，并当计算的实时电阻值与最小电阻值之比小于第一预定阈值时，发出开断及报警指令；以及c)开断执行步骤，响应于开断及报警指令，将控制所述电阻加热电器的通断的开关从闭合状态转变为开断状态。
[0013]本发明的目的是填补现有的安全保护产品的市场空白，使得人们能够在日常生活中使用电阻加热类电器的过程中更加安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述和其他目的、特性和优点将会变得更加清楚，其中相同的标号指定相同结构的单元，并且在其中:
[0015]图1示出了根据本发明的安全保护装置的电路框图。[0016]图2示出了根据本发明的安全保护方法的示意性流程图。
[0017]图3示出了根据本发明的安全保护方法的初始化过程的示意性流程图。以及
[0018]图4示出了根据本发明的安全保护方法的实时监测过程的示意性流程图。
【具体实施方式】
[0019]下面将参照示出本发明实施例的附图充分描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
[0020]应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件或部分在不背离本发明教学的前提下可以称为第二元件、组件或部分。
[0021]除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
[0022]图1示出了根据本发明的安全保护装置的电路框图。虚线部分为与之相关的外部连接，如给本发明产品及本发明产品所保护的电器供电的外部电源20、本发明要保护的电阻加热电器30 (以下简称用电器)。
[0023]根据本发明的安全保护装置可以设置成如图1所示，与用电器30无关的独立结构；根据本发明的安全保护装置也可以做成用电器30的一部分，如设置在用电器的插头内。
[0024]如图1所示，根据本发明的安全保护装置包括:给安全保护装置自身中的各个电路供电的工作电源电路101、电压采集与处理电路102、电流采集与处理电路103、初始化及数据存储电路104、控制电路105、开断及报警驱动电路106、声光报警电路107、内置开关开断执行器108、及用于切断用电器30电源的内置开关109。
[0025]工作电源电路101:与外部电源20相连，直接取外部电源20电压，通过对外部电源20电压进行变压、镇流、滤波处理后给安全保护装置中的各个电路供电。
[0026]电压采集与处理电路102:与外部电源20相连，对外部电源20电压进行采样，并对采样电压信号依次进行诸如滤除高频噪声的低通滤波处理、信号放大处理、电平限幅处理等的处理。将处理后的模拟电压信号转换成数字电压信号，并传送数字电压信号到控制电路105。
[0027]电流采集与处理电路103:采集电流互感器110感测用电器30负载电流所产生的与负载电流成线性关系的电流感测信号，并对电流感测信号依次进行诸如滤除高频噪声的低通滤波处理、信号放大处理、电平限幅处理等的处理。将处理后的模拟电流信号转换成数字电流信号，并传送数字电流信号到控制电路105。
[0028]电流互感器110套接在电源20与用电器30之间的连接线缆上，用于感测用电器30的负载电流所产生的电流感测信号，并将电流感测信号传送给电流采集与处理电路103，并且电流采集与处理电路103对所述电流感测信号进行采样，以生成采样电流信号。虽然图1中示出了电流互感器110，但本领域技术人员应该理解，也可以采用其他现有的或将来的电路来感测电流。
[0029]控制电路105包括初始化电路1051和实时监测电路1052。初始化电路1051对来自电压采集与处理电路102的处理后的电压、来自电流采集与处理电路103的电流的瞬态值进行内阻计算。在接收到初始化指令时，对内阻进行实时计算，直至内阻相当稳定为止，并将计算时段内的内阻最小值送入数据存储单元104内，供判断用。内阻最小值的判断方式可以采用图3所示的方式。在没有初始化指令的情况下，实时监测电路1052根据来自电压采集与处理电路102和电流采集与处理电路103的实时的电压、电流值计算用电器30的内阻，并将之与数据存储单元104内的标准值(B卩，用电器30的最小电阻值)作比较，当差值超出设定值时，发出开断及报警指令。
[0030]初始化及数据存储电路104:可以是一个触发式的单触点信号(复位按钮)及可存储几个数据的存储器。
[0031]开断及报警驱动电路106:可在接收控制电路105发出的开断及报警指令后，经脉宽检测滤除误触发信号，然后由单稳态电路产生真正的开断及报警信号给开断执行器108及报警执行器107。
[0032]声光报警107:可以为发光二极管与蜂鸣器的组合。但本领域技术人员应该理解，其他可以实现声音报警及可视化报警的其他组合也包含在本发明的范围内。
[0033]内置开关开断执行器108:例如，可以是电磁铁，当线圈受到激励时，推杆推出使内置开关109变为开断状态。
[0034]内置开关109:例如，可以是一个常闭的按扭开关，当受到外力推动时，例如开关开断执行器108施加的外力时，其状态从闭合转变为开断状态。
[0035]如前所述，根据本发明的安全保护装置可以是与用电器30无关的独立产品(情形
1)，也可以是用电器30的一部分，如设置在用电器的插头内(情形2)。对于上述情形I和情形2的具体应用如下文所述。
[0036]与电源的连接:对情形1，如图1所示，根据本发明的安全保护装置插在外部电源20插座内，根据本发明的安全保护装置上设置一个供用电器30取电用的电源插座。用电器30插在根据本发明的安全保护装置上的插座内。
[0037]对情形2，因为根据本发明的安全保护装置设置在用电器30的插头内，所以将用电器30的插头直接插入外部电源20插座内即可。
[0038]图2示出了根据本发明的安全保护方法的示意性流程图。
[0039]如图2所示，根据本发明的安全保护方法包括初始化步骤201、实时监测步骤202和开断执行步骤203。
[0040]当按照上述情形I或者情形2所述方式连接用电器30后，通过按压复位按钮来启动初始化步骤以便确定用电器30开机后至用电器30电阻值稳定期间的用电器30正常状态下的最小电阻值。此处，取用电器30正常状态下开机后的最小电阻值使得在随后的实时监测步骤202期间更安全的用电器30的使用。在初始化步骤201中，利用通过对外部电源电压进行采集获得的数字电压信号和数字电流信号对用电器30的电阻值进行实时计算，直至用电器30的电阻值稳定为止，并存储该计算时段内的最小电阻值。最小电阻值的获得方法将在下面参考图3详述。但本领域技术人员应该理解，图3的最小电阻值获取方法只是示例性的，本发明不限于此。
[0041]在初始化步骤之后，根据本发明的安全保护方法将对用电器30进行实时监测。在实时监测步骤202中，利用通过对外部电源电压进行采集获得的数字电压信号和数字电流信号对电阻加热电器的电阻值进行实时计算，并当计算的实时电阻值与最小电阻值之比小于设定阈值时，发出开断及报警指令。实时监测步骤202的具体实施将在下面参考图4详述。
[0042]在开断执行步骤203中，响应于来自实时监测步骤202的开断及报警指令，将控制所述用电器30的通断的开关109从闭合状态转变为开断状态，以保护用电器30的安全。此夕卜，在开断执行步骤203中，还响应于来自实时监测步骤202的开断及报警指令，发出声音报警及可视化报警。
[0043]图3示出了根据本发明的安全保护方法的初始化过程的示意性流程图。
[0044]用电器30的初始化过程如图3所示:当按照情形I或者情形2所述方式连接用电器30后，按复位按钮启动初始化过程。保护装置记录并存储用电器30的最小电阻。用电器30的电阻是随其温度的变化而变化的，一般来说，温度越低，其电阻也越低，故通常保护装置记录的是用电器开机时的电阻值。然而也有反过来的情况，此时保护装置记录的最小电阻是用电器达到温度平衡时的电阻。因此，在保护装置初始化过程中，对用电器30的电阻值进行实时计算，当电阻值稳定之后，获取并存储最小电阻值。
[0045]该初始化过程在初次使用用电器30时执行。此外，可以由用户根据需要通过操作初始化及数据存储电路104来启动初始化过程的执行。
[0046]如图3所示，在步骤301，设定计数器η的初始值为0，并初始化用电器30的电阻值&为O。
[0047]在步骤302，计数器η=η+1，接收来自电压采集与处理电路102和电流采集与处理电路103的电流和电压实时测量值In和Un0
[0048]在步骤303，计算用电器30的电阻值Rn=Un/In。并计算当前电阻值与前次电阻值之差的绝对值R=ABS (Rn-Rlri)。
[0049]在步骤304，判断R/Rn是否小于阈值a，g卩判断R/Rn〈a。如果是，则进入步骤305。否则，返回步骤302。
[0050]在步骤305，计算用电器30的电阻的最小值Rmin，Rmin=Min (R1, Rn),并将Rmin存储到数据存储器104中。并结束初始化过程。
[0051]阈值a优选地取值为0.01。但本领域技术人员应该理解，根据实际需求和其他实验结果，也可以将阈值a取值为0.015或0.008等。该阈值a预先设置在控制电路105中。
[0052]图3所示的初始化过程可由图1的控制电路105中的初始化电路执行。本领域技术人员应该理解，图3所示的初始化过程可以通过硬件、软件或者其结合来实现。
[0053]虽然图3中给出了确定最小电阻值的具体方法，但本领域技术人员应该理解，最小电阻值的确定方法不限于图3中的方式，现有以及将来的确定最小电阻值的方法都在本发明的范围内。
[0054]图4示出了根据本发明的安全保护装置的实时监测过程的示意性流程图。[0055]在如图3初始化安全保护装置之后，保护装置如图4所示对用电器30进行实时监测。当用电器30的电阻值小于其最小值达到预定阈值时(例如，R < 98%Rmin)，保护装置发出报警并切断用电器30电源。对用电器30进行保护。
[0056]如图4所示，在步骤401，在初始化过程之后，计数器η复位，即，η=0。记录此时的
电压值U0。
[0057]在步骤402，计数器η=η+1。获取实时电压和电流值Un和In，计算用电器30的实时电阻值!^=^/^。
[0058]在步骤403，判断Rn/Rmin是否小于阈值β。如果步骤403中的判断成立，则进行到步骤404。如果不成立，则返回步骤402继续实时监测。
[0059]在步骤404，发出报警及开断指令。并结束。
[0060]阈值β优选地取值为0.98。但本领域技术人员应该理解，根据实际需求、不同用电器的电阻的不同变化情况、以及不同的实验结果，也可以将阈值β取0.9至0.98之间的
值之一。
[0061]图4所示的实时监测过程可由图1的控制电路105中的实时监测电路执行。本领域技术人员应该理解，图4所示的实时监测过程可以通过硬件、软件或者其结合来实现。
[0062]监测用电器30的电阻的意义:用电器30的电阻如同人体的体温一样，在通常的情况下是很稳定的。如果小于其正常值，说明它因老化(相邻的发热体间的绝缘的损坏)或其它原因(如使用电热毯的老人小便失禁)造成产品的部分短路，这种部分短路通常存在非常大的安全隐患。及时地切断用电器30的电源并报警可以避免火灾及触电事故的发生。同时，可以提醒人们及时更换“不健康”(电阻值小于其正常值)的用电器30，保证人们生命财产的安全。
[0063]根据本发明的安全保护装置可以用于用户加热电器的安全保护，如电热毯、电热水器、电加热器等。每一个加热电器需要配一个这样的保护装置，因而市场很大。
[0064]上面是对本发明的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本发明的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本发明的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本发明范围内 。应当理解，上面是对本发明的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本发明由权利要求书及其等效物限定。
【权利要求】
1.一种电阻加热电器的安全保护装置，包括: 工作电源电路，用于对外部电源电压进行变压、镇流、滤波处理以为安全保护装置中的各个电路供电； 电压采集与处理电路，用于对外部电源电压进行采样，将采样电压信号转换成数字电压信号，并传送数字电压信号到控制电路； 电流采集与处理电路，用于对电阻加热电器的负载电流进行采样，将采样电流信号转换成数字电流信号，并传送数字电流信号到控制电路； 控制电路，包含: 初始化电路，用于在接收到初始化指令时，根据来自电压采集与处理电路和电流采集与处理电路的数字电压信号和数字电流信号对电阻加热电器的电阻值进行实时计算，直至电阻值稳定为止，并将计算时段内的最小电阻值传送到初始化及数据存储电路；和 实时监测电路，用于在没有接收到初始化指令时，根据来自电压采集与处理电路和电流采集与处理电路的数字电压信号和数字电流信号对电阻加热电器的电阻值进行实时计算，并当计算的实时电阻值与最小电阻值之比小于第一预定阈值时，发出开断及报警指令； 初始化及数据存储电路，用于在接收到用户触发输入时发出初始化指令给控制电路，并存储来自控制电路的最小电阻值； 开断及报警驱动电路，用于在接收到来自控制电路的开断及报警指令后，向开断执行器施加驱动信号； 开断执行器，用于当接收到来自开断及报警驱动电路的驱动信号时，对开关施加外力； 开关，用于在接收到来自开断执行器施加的外力时，从闭合状态转变为开断状态。
2.如权利要求1所述的安全保护装置，其中，所述开断执行器是电磁铁，当电磁铁的线圈接收到驱动信号时，推杆推出以向开关施加外力。
3.如权利要求2所述的安全保护装置，还包括: 所述开断及报警驱动电路，用于在接收到开断及报警指令后，发出报警信号； 声光报警器，用于在接收到报警信号时，发出声音报警及可视化报警。
4.热权利要求3所述的安全保护装置，其中，声光报警器包括: 发光二极管，在接收到报警信号之后，点亮发光二极管； 蜂鸣器，在接收到报警信号之后，发出报警声音。
5.如权利要求4所述的安全保护装置，还包括电流互感器，用于感测电阻加热电器的负载电流所产生的电流感测信号，并将电流感测信号传送给所述电流采集与处理电路；以及 所述电流采集与处理电路对所述电流感测信号进行采样，以生成采样电流信号。
6.如权利要求5所述的安全保护装置，其中，第一预定阈值等于0.98。
7.如权利要求6所述的安全保护装置，其中，所述电压采集与处理电路对采样电压信号进行滤除高频噪声的低通滤波处理、信号放大处理、和电平限幅处理，并将处理后的采样电压信号转换成数字电压信号； 所述电流采集与处理电路对采样电流信号进行滤除高频噪声的低通滤波处理、信号放大处理、电平限幅处理，并将处理后的采样电流信号转换成数字电流信号； 初始化及数据存储电路包括用于接收用户触发输入的触发式按钮和用于存储数据的存储器；并且 所述开断及报警驱动电路，用于对开断及报警指令进行脉宽检测以滤除误触发信号。
8.如权利要求1-7所述的安全保护装置，其中，所述安全保护装置设置在电阻加热电器的外部，连接在外部电源与电阻加热电器之间。
9.如权利要求1-7所述的安全保护装置，其中，所述安全保护装置可作成电阻加热电器的一部分。
10.如权利要求9所述的安全保护装置，其中，所述安全保护装置设置在电阻加热电器的插头内。
11.一种电阻加热电器的安全保护方法，包括: a)初始化步骤，利用通过对外部电源电压进行采集获得的数字电压信号和数字电流信号对电阻加热电器的 电阻值进行实时计算，直至电阻值稳定为止，并存储计算时段内的最小电阻值； b)实时监测步骤，在初始化阶段之后，利用通过对外部电源电压进行采集获得的数字电压信号和数字电流信号对电阻加热电器的电阻值进行实时计算，并当计算的实时电阻值与最小电阻值之比小于第一预定阈值时，发出开断及报警指令；以及 c)开断执行步骤，响应于开断及报警指令，将控制所述电阻加热电器的通断的开关从闭合状态转变为开断状态。
12.如权利要求11所述的安全保护方法，所述步骤a)包括: al)设置计数器n=0，当前电阻值Rn=O ； a2) n=n+l，利用当前数字电压信号和数字电流信号，计算当前电阻值Rn ； a3)计算当前电阻值Rn与在前电阻值Rn-1之差的绝对值R ； a4)判断R与当前电阻值Rn之比是否小于第二预定阈值； a5)如果R与当前电阻值Rn之比大于等于第二预定阈值，则返回步骤a2);以及 a6)如果R与当前电阻值Rn之比小于第二预定阈值，则将Rl和Rn中的最小值作为最 小电阻值。
13.如权利要求12所述的安全保护方法，所述步骤c)还包括: 响应于开断及报警指令，发出声音报警及可视化报警。
14.如权利要求13所述的安全保护方法，其中，第一预定阈值等于0.98，第二预定阈值等于0.01 ο
15.如权利要求14所述的安全保护方法，其中，所述初始化步骤在初次使用电阻加热器时执行。
【文档编号】H02H3/08GK103972853SQ201310045861
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年2月5日 优先权日:2013年2月5日
【发明者】刘振忠, 周磊 申请人:施耐德电器工业公司