CN112834958A

CN112834958A - 检测电加热纺织品中传感线完整性的电路完整性检测系统

Info

Publication number: CN112834958A
Application number: CN202110013842.0A
Authority: CN
Inventors: G·科恩
Original assignee: Guangda Home Appliances Co
Current assignee: Guangda Home Appliances Co; Sunbeam Products Inc
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2021-05-25
Also published as: CN104459431A

Abstract

一种用于检测电加热纺织品中传感线完整性的电路完整性检测系统，其中传感线完整性通过检查来自被连接至传感线的相对端的第一和第二A/D转换器的输入检测。

Description

检测电加热纺织品中传感线完整性的电路完整性检测系统

本申请是于2014年09月17日提交的、申请号为201410474902.9、发明名称为“用于检测电加热纺织品中传感线完整性的电路完整性检测系统”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本发明为于2013年7月8日提交的名称为用于检测电加热纺织品中传感线完整性的电路完整性检测系统的美国申请13/978,645的部分延续申请，该美国申请为2013年8月20日提交的名称为用于检测电加热纺织品中传感线完整性的电路完整性检测系统的国际申请PCT/US2012/053144的国家阶段申请，其国际申请要求于2012年4月30日提交的名称为保护利用NTC/PTC传感线的加热垫的强化系统的美国临时专利申请61/640,341以及与2011年10月26日提交的名称为保护利用NTC/PTC传感线的加热垫的强化系统的美国临时专利申请61/551,512的优先权，本发明内容完全引用上述申请的全部公开技术特征。

技术领域

本发明涉及电加热纺织品热区检测器，并且尤其涉及用于检测被设计用于检测电加热纺织品(例如，加热垫、电加热毯、电加热床罩或电加热床垫)中热区的线断裂的系统和装置。

背景技术

通常，电加热纺织品是具有电加热元件的结构。例如，加热元件可以由电阻通过电流加热，并且可以作为穿过整个垫的一种或多种金属线提供。金属线的形状和尺寸可以变化，并且在一些情况中，线事实上可以是小金属丝。加热元件通常包括具有正温度系数(PTC)特性的金属线构造成的中心加热元件。中心PTC线周围是负温度系数(NTC)材料层。电加热垫通常被接通到电源插座，从而使得电源可以被供应至加热元件，从而使得热量产生。通过这种方式，电加热纺织品可以被用于为身体的期望区域取暖。同期的加热垫通常包括控制器和/或微处理器，其控制从加热垫输出的热量。

一些电加热纺织品还包括被设计用于检测热区的电路。当电加热纺织品的任何部分的温度超过被设计为用于防止对不知情用户热损伤的限值时，热区产生。传感线具有低电阻，并且通常绕NTC层缠绕，其被用于为泄漏电流提供路径并监测由加热引起的NTC层中泄漏电流的增加。然而，传感线的断裂可能导致控制器无法检测热区。

帮助检测传感线断裂的一种已知的方法是在电源开始被应用于产品上时检查传感线的电压。当电源开始被应用时，线相对而言处于低温。当加热垫变暖时，NTC电阻将减小。电阻的这一改变能够被用于确定传感线是否在其与控制器连接器连接点在线的端部或接近线的端部处断裂。尽管这可以在单元开始通电时确认传感线完整性，在加热垫达到操作温度时，其无法再继续充当“断裂传感线”检测器。而且，也无法检测在不接近NTC/PTC线的端部处连接至控制器连接器处的传感线的断裂。

另一种传感线方法涉及将传感线的两端连接在一起。在这种情况下，弥补了沿NTC/PTC线的任何地方的单个断裂，并且热区的继续检测不受影响。然而，不可能知道传感线断裂发生。此外，如果第二个线断裂发生，热区检测遗失是非常可能的。具体而言，热区检测会在两处线断裂之间遗失。

因此，期望提供一种能够持续检查传感线完整性的检测系统。如果传感线在使用期间的任何时间和以任何原因断裂，该系统将停机且阻止产品的使用。

发明内容

本发明包括一种用于监测电加热纺织品传感线的状况以确定传感线断裂是否发生的系统和装置。在一个实施例中，传感线的状况能够在不与电加热纺织品内的加热电路分离的情况下被确定。加热电路可以在大致标准50-60Hz AC线电压下操作，从而使得传感线可以在相应的频率下正常操作。除了这种信号，传感线完整性可以通过首先利用来自微控制器的低电压电测试信号驱动传感线的一端，并且之后检查测试信号是否出现在传感线的另一端来确定。为了将出现在传感线上的测试信号与标准AC线电压区分，电测试信号优选地具有与标准50-60Hz AC线电压不同的频率。在一个实施例中，测试信号频率为大约30kHz。测试信号的其他频率和电压也可以被使用。

在一个实施例中，传感线被定位，用于检测和/或测量电加热纺织品的热量。优选地，传感线绕负温度系数(NTC)材料缠绕，并且传感线的每一端被连接至微控制器。在传感线的一端，微控制器内的脉冲宽度调制器产生低电压电测试信号。从而使得在传感线上进行温度监测处将测试信号与50-60Hz AC线电压区分，测试信号优选处于截然不同的频率，并且更优选为大约30kHz。这一测试信号通过低通滤波器，以减少不期望的更高的频率信号成分，并且使信号变成“驱动”的。驱动信号之后通过高通滤波器，以使驱动测试信号产生电路与AC线电压隔离。

测试信号之后通过缠绕的传感线。在连接回微控制器之前，传感线和信号优选地分离。一个为标准检测目的继续贯穿微控制器的模拟/数字转换器，而另一个优选贯穿通过高通滤波器，以过滤掉低频率AC线电压，从而产生“回波”信号。回波信号可以之后进入微控制器。如果传感线未断裂，回波信号的幅值将大致变化，但将处于与驱动信号相同的频率。

在微控制器内，回波信号被发送至比较器，比较器将输出回波测试信号的每一次转换的转换。计数器计下一段时期中的转换数。如果微控制器检测到比较器的至少一个预先确定的转换阈值，传感线被确定为是完整的。然而，在计数少于转换阈值的情况下，传感线被确定为断裂。微控制器之后优选地为安全目的关闭加热垫的加热元件。

应当理解为，其他频率可以被用于驱动测试信号。然而，驱动测试信号的改变可能需要不同的滤波器(例如特定带通滤波器)，以确保驱动测试信号频率被恰当地应用于传感线以及从传感线中获取。此外，滤波器、比较器、计数器、调制器和A/D转换器中的一些或全部可以被布置在微控制器上或者可以与微控制器分离。

附图说明

图1是现有技术加热垫的框图。

图2是现有技术传感线配置的示意框图。

图3A是另一现有技术传感线配置的框图，其中传感线是完整的。

图3B是图3A的传感线的框图，其中传感线有一处断裂。

图3C是图3A的传感线的框图，其中传感线有两处断裂。

图4是根据本发明的教示的微控制器和传感线配置的框图。

图5是根据图4的框图的示例示意电路图。

图6是根据本发明的教示的用于确定传感线完整性的方法的流程图。

图7示出根据本发明的教示的传感线完整性检测系统的替换实施例。

图8示出根据本发明的教示的传感线完整性检测系统的替换实施例。

图9示出根据本发明的教示的传感线完整性检测系统的替换实施例。

应当理解为，本发明附图不必须是按比例的，并且本文中所公开的实施例有时是通过局部视图示出的。在某些示例中，对于本发明的理解非必须的细部或使其他细部难以理解的细部已省略。还应当理解为，本发明不必须限于本文中所示出的特定实施例。自始至终，各种附图中使用的同类附图标记表示同类或相似部分或结构。

具体实施方式

现参考附图，并且尤其参考图1，显示现有技术电加热纺织品的框图，例如加热垫1。加热垫1包括加热垫控制器2，其可以包括微处理器或微控制器，用于控制加热垫1的操作。微控制器2与加热元件4电通信，并且为加热元件4供应电能，以加热加热垫1。替换地，微控制器2可以被定位在加热垫的外部。微控制器2还与传感元件6电通信。传感元件6为安全特征，其被设计为用于检测加热垫1中的热区(hot spot)。在检测到热区时，微控制器2大致中断或减少供给加热元件4的电能，直到热区不再出现。电源8大致被电连接至微控制器2，以向其提供电能。电源8通常被包括在微控制器2中，还可以是被连接至标准壁式插座上的插头、或电池或另一种电源。

图2是现有技术传感线配置的示意框图。微控制器2被连接至加热元件4，加热元件4由电阻器组成，当电流通过电阻器时，电阻器产生热量。通常，加热元件4的电阻器由具有正温度系数(PTC)特性的材料构成。具有负温度系数(NTC)特性的材料(图2中未显示)之后绕加热元件4缠绕，并且具有相对低电阻的传感元件6(图2中显示为传感线)绕NTC材料缠绕。传感元件6大致在一端被连接到微控制器2，并且余下另一端为开路。

在操作中，电能由微控制器2供应至加热元件4，这使得加热元件4发出热量。由于其PTC特性，加热元件4的电阻随着其温度升高而增加。在一个现有技术实施例中，微控制器2可以尝试基于其电阻确定加热元件4的温度。然而，只有平均加热垫温度信息能够从PTC加热元件中获取。NTC材料的电阻随着温度升高而减小。电阻的这一改变能够由传感元件6检测，提供局部温度信息，并且微控制器2由此能够检测沿加热元件4任何地方上的热区。通常，热区超过预先确定的临界温度时，微控制器2作为安全机制关闭加热元件4或减少电能。然而，传感元件6的断裂可能导致微控制器2无法监测这种热区。

图3A是另一现有技术传感线配置的示意框图。在这一现有技术实施例中，传感元件6的两端被连接在一起。尽管传感元件6能够沿传感元件6的任何地方在很大程度上(甚至在如图3B所示的传感元件6发生一处断裂的情况下)持续检测热区，断裂本身在这种配置中是无法检测到的。进一步，在图3C中，传感元件6中有两处独立的断裂。传感元件6无法在传感元件6的两处断裂之间检测热区。

图4示出了根据本发明的一个实施例的传感线完整性检测系统的框图。如上所述，传感元件6通过NTC材料7检测由加热元件4产生的热区。在一个实施例中，传感元件6的这种监测在大约50-60Hz的AC线电压存在时发生。应当注意，还可以出现取代50-60Hz范围或除此之外的不同频率。微控制器2可以包括测试信号发生器，其在图4中被显示为脉冲宽度调制器10。这种测试信号发生器可以替换地与微控制器2分离。脉冲宽度调制器10优选地产生具有与AC线电压的频率不同的频率的信号。在一个实施例中，在AC线电压频率为如上所述大约50-60Hz的情况下，脉冲宽度调制器可以产生大约30kHz频率的测试信号。

这种测试信号之后优选地通过低通滤波器12，以减少不期望的较高频率信号成分，并且信号成为DRIVE信号14。在与传感元件6交会之前，DRIVE信号14之后优选地通过高通滤波器16。高通滤波器16优选地将脉冲宽度调制器10和低通滤波器12与AC线电压隔离。DRIVE信号14之后到达传感元件6的一端。低通滤波器12和高通滤波器16中的一个或两个可以是微控制器2的组件或可以与之分离。

通过传感元件6的任何信号优选地通过高通滤波器18，以过滤掉AC线电压。如上所述，高通滤波器18可以是微控制器2的组件或可以与之分离。通过高通滤波器18的任何信号为标记的RETURN信号20。RETURN信号20之后被转到信号检测器组件，其包括如图4所示的比较器22。比较器22优选地将RETURN信号20与临界电压相比较，临界电压可以是大约1伏。在传感元件6完整的情况下，RETURN信号20幅值将变化，但将处于与DRIVE信号14相同的频率并且具有与其大致相同的波形，例如其幅值为大约2伏或更大。由此，比较器22的输出在RETURN信号20每一次转换时转换。计数器24计下比较器22的转换数。传感元件6的第一端、第二端或两端可以直接转到用于标准热区检测目的的模-数转换器(A/D)26。应当注意，如上所述，高通滤波器18、比较器22、计数器24和/或A/D26中的任一个或全部可以是微控制器2的组件或可以与之分离。

微控制器2可以包括固件或可以执行软件，其通过查找比较器输出以合适频率的转换来确定电测试信号，RETURN信号20，是否返回(其指示传感线完整性是否良好)。这通过计下一个固定时期内比较器输出变换数而实现。杂散来源(例如可能出现在比较器输入处的电噪声和AC线电压转换)造成的错误计数通过使用最小值作为阈值查找预期数目的转换而消除。

应当注意，替换地，比较器22可以是A/D转换器，从而使得RETURN信号20可以被转换成数字值，其值表示信号20的幅值。数字值超过预先确定的阈值将指示信号20具有有效振幅。一段时期内信号20的预先确定量的有效振幅脉冲将指示传感线是完整的。预先确定的脉冲量优选地等于存在于DRIVE信号14上的脉冲量。

图5示出传感线完整性检测系统的一个可能配置的示意电路图。微控制器2可以是任何合适的芯片，但为了本公开的目的，微控制器2将作为PIC16F1827-I/SO芯片来讨论。微控制器2的三号引脚优选地输出30,000Hz低电压信号。该30kHz信号之后通过由1-kΩ电阻器12A和2.2nF电容器12B形成的低通滤波器12以及由2.2nF阻断电容器16B和2.4-kΩ电阻器16A形成的高通滤波器16。DRIVE信号之后通过传感元件6，并且在那之后DRIVE信号通过由两个1-nF电容器18A和18C以及两个100-kΩ电阻器18B和18D形成的另一高通滤波器18与低频率线电压信号隔离。经过滤的RETURN信号之后被输入到微控制器2的一号引脚。应当认识到，其他硬件配置、电阻、电容等等可以替换地被使用。

图6示出了用于确定传感元件的完整性的方法30。在步骤32，完整性测试开始。在步骤34，DRIVE信号发动，从而使得脉冲波调制器10产生与传感元件6中AC线电压的频率不同频率的信号。在步骤36，计数器24中的数被设置为0，并且在步骤38，实现比较器22中断。

在步骤40，微控制器2确定新的报时信号(time-tick)是否发生。在没有新的报时信号发生的情况下，进程返回步骤40。当新的报时信号发生时，进程进行到步骤42，其中微控制器2确定测试是否处于其终止时间。在测试不处于其终止时间时，微控制器2确定比较器22是否转换。如上所述，比较器22将RETURN信号与临界电压(在一个实施例中，其为大约1伏)相比较，并且比较器输出以合适频率随着RETURN信号每一次转换而转换。在比较器22在步骤44已转换的情况下，在步骤46，计数器24增加一个计数。该方法之后返回至步骤40，以等待新的报时信号。

在步骤42，如果测试处于其终止时间，该方法进行到步骤48，其中比较器22中断被关闭，在步骤50，RETURN信号随之中断。在步骤52，微控制器2确定计数器24的计数是否大约或等于最小阈值计数。最小阈值计数被设计为补偿任何杂散(spurious)来源(例如，可能出现的电噪声和/或AC线电压转换)。如果计数器24的计数大约或等于最小阈值计数，在步骤54，微控制器确定测试已通过，并且传感元件6是完整的。然而，在步骤52，在计数器24的计数小于最小阈值计数的情况下，在步骤56，微控制器2确定测试失败。随着测试失败，微控制器2优选地关闭加热元件4，以保护用户。

脉冲宽度调制器10可以选择性地被用于间歇性地产生DRIVE信号14，或者可以持续运行。同样地，微控制器2可以选择性地以预先选择的间隔检查RETURN信号20，或可以持续地监测RETURN信号20，以持续监测传感线6的完整性。

图7示出传感线完整性检测系统100的替换实施例，如上所述的实施例中，其包括微控制器102、加热元件104、NTC层107、传感元件106以及A/D转换器126。

在这一实施例中，为了检测传感线106的完整性，供应至加热元件104的电源以固定的间隔被移除和/或分离，而测试信号被应用于传感线106。供应给加热元件104的电源的这种切断可以持续例如16.66毫秒的一个工频周期或任何其他固定的时间段。微控制器输出U1在三端双向可控硅开关元件(triac)D1被强制关闭期间提供一系列方波。合适的滤波被用于将AC线频率与U1提供的信号分离，并且单独的A/D输入被用于检测热区和检测传感线完整性信号。

在另一实施例中，如图8所示，传感线106的完整性能够通过在以选定时间段以一定间隔将NTC层107与AC电源分离而确定。在传感线完整性电路接合时，通过传感线提供测试信号。

在加热阶段，三端双向可控硅开关元件D1和D2“接通”，并且引脚B处于高Z(high-impedance，高阻抗)状态。NTC107泄漏由A/D126测量，以检测热区。在测试阶段，三端双向可控硅开关元件D1和D2被“断开”并且引脚B输出信号(例如方波)，该信号通过传感线106转向A/D126。传感线完整性通过检查由A/D126接收的信号的幅值和计算已经接收的方波脉冲的数量相对于被发送的数量而确定。

传感线106完整性的验证完成时(即，A/D126检测到合适的信号幅值和/或方波脉冲数量)，供应给加热元件104的电源重新接通，三端双向可控硅开关元件D1和D2“接通”并且引脚B处于高Z状态。这一过程可以根据需要重复，并且验证测试循环能够再次由微控制器102启动。

图9示出传感线完整性检测系统100的一个替换实施例，其包括微控制器102、加热元件104、NTC层107、传感元件106以及第一A/D转换器130和第二A/D转换器132。

在这一实施例中，传感线106的完整性由微控制器102轮询由第一和第二A/D转换器130和132提供的信息而检测。来自第一和第二A/D转换器130和132的输入可以如下：

1)无传感线106断裂——正常操作温度：

A/D130＝A/D132，且A/D130输入＜x伏。

无需控制器102处理。

2)无传感线106断裂——热区：

A/D130＝A/D132，且A/D130输入＞x伏。

控制器102将减少或移除供应给加热元件104的电能。

3)传感线断裂——正常操作温度：

A/D130＝A/D132，且A/D130输入＜x伏。

无需控制器102处理。

4)传感线断裂——热区：

A/D130≠A/D132。

控制器102将启用安全电路，以关闭控制器102。

5)传感线断裂——热区位于断裂处

A/D130＝A/D132；且A/D130和A/D132输入＜x伏。

控制器102将减少或移除供应给加热元件104的电能。

其中x伏为与NTC层107中温度直接相关的临界电压。当NTC层107温度升高时，NTC线107的电阻减小，导致提供给A/D转换器130电压增大。NTC层107的临界温度为“热区”出现在NTC层107上时的温度。

在状况4(传感线断裂——热区)下，来自第一和第二A/D转换器130和132的输入之间将存在差别，此时微控制器102优选地关闭加热元件，以保护用户。加热元件104的关闭可以包括保险丝断裂，以关闭控制器102。

由此，已经显示和描述了新颖的加热垫安全系统和方法的一些实施例。如前描述可明显看出，本发明的一些方面不限于本文中示出的示例的特定细部，并且因此可以预期，本领域技术人员将可以想到其他修改和应用或其等效方案。在前描述中所使用的术语“具有”和“包括”以及类似术语用于表示“可选的”或“可以包括”且不是“需要”的意思。然而，在考虑说明书和附图之后，对于本领域技术人员而言，本发明的很多改变、修改、变型和其他使用和应用将变得明显。所有这些不背离本发明的精神和范围的改变、修改、变型和其他使用和应用都被认为是包括在本发明中，本发明不仅仅限于所附权利要求。

Claims

1.一种电加热纺织品，包括：

与NTC材料通信的加热元件，其中第一信号通过所述加热元件以第一频率产生；

传感线，用于检测由所述加热元件产生的热区；

具有负温度系数(NTC)的层，被定位在所述加热元件与所述传感线之间，其中所述传感线绕所述NTC层缠绕；以及

用于检测所述传感线的完整性的装置，包括：第一A/D转换器，所述第一A/D转换器被连接至所述传感线的第一端；第二A/D转换器，所述第二A/D转换器被连接至所述传感线的第二端；以及信号检测器，所述信号检测器用于检测来自所述第一A/D转换器的信号和来自所述第二A/D转换器的信号，其中当来自所述第一A/D转换器的所述信号不等于来自所述第二A/D转换器的所述信号时，所述传感线中存在断裂，且所述加热元件中存在热区。

2.根据权利要求1所述的电加热纺织品，其中当来自所述第一A/D转换器的所述信号等于来自所述第二A/D转换器的所述信号、且所述第一A/D转换器中的电压小于x伏时，所述传感线中无断裂，且所述加热元件中无热区。

3.根据权利要求1所述的电加热纺织品，其中当来自所述第一A/D转换器的所述信号等于来自所述第二A/D转换器的所述信号、且所述第一A/D转换器中的电压大于x伏时，所述传感线中无断裂，且所述加热元件中存在热区。

4.根据权利要求1所述的电加热纺织品，其中当来自所述第一A/D转换器的所述信号等于来自所述第二A/D转换器的所述信号、且所述第一A/D转换器中的电压小于x伏时，所述传感线中可能存在断裂，且所述加热元件中无热区。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的电加热纺织品，其中x伏为与所述NTC层中温度直接相关的临界电压。

6.一种用于检测具有加热元件的电加热纺织品中传感线的完整性的方法，所述方法包括以下步骤：

提供传感线，以监测所述电加热纺织品的热区；

提供具有负温度系数(NTC)的层，所述具有负温度系数NTC的层被定位在所述加热元件与所述传感线之间，其中所述传感线绕所述NTC层缠绕；以及

提供用于检测所述传感线的所述完整性的装置，所述用于检测所述传感线的所述完整性的装置包括：第一A/D转换器，所述第一A/D转换器被连接至所述传感线的第一端；第二A/D转换器，所述第二A/D转换器被连接至所述传感线的第二端；以及信号检测器，所述信号检测器用于检测来自所述第一A/D转换器的信号和来自所述第二A/D转换器的信号，其中当来自所述第一A/D转换器的所述信号不等于来自所述第二A/D转换器的所述信号时，所述传感线中存在断裂，且所述加热元件中存在热区。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在检测来自所述第一A/D转换器的所述信号和来自所述第二A/D转换器的所述信号的所述步骤期间，当来自所述第一A/D转换器的所述信号等于来自所述第二A/D转换器的所述信号、且所述第一A/D转换器中的电压小于x伏时，所述传感线中无断裂，且所述加热元件中无热区。

8.根据权利要求6所述的方法，在检测来自所述第一A/D转换器的所述信号和来自所述第二A/D转换器的所述信号的所述步骤期间，当来自所述第一A/D转换器的所述信号等于来自所述第二A/D转换器的所述信号、且所述第一A/D转换器中的电压大于x伏时，所述传感线中无断裂，且所述加热元件中存在热区。

9.根据权利要求6所述的方法，在检测来自所述第一A/D转换器的所述信号和来自所述第二A/D转换器的所述信号的所述步骤期间，当来自所述第一A/D转换器的所述信号等于来自所述第二A/D转换器的所述信号、且所述第一A/D转换器中的电压小于x伏时，所述传感线中可能存在断裂，且所述加热元件中无热区。

10.根据权利要求6所述的方法，还包括关闭所述加热元件。

11.根据权利要求7-10中任一项所述的方法，其中x伏为与所述NTC层中温度直接相关的临界电压。