CN203523055U - 电加热织物和检测感测线完整性的电路完整性检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于检测加热垫中感测线的完整性的电路完整性检测系统，其中通过首先使用来自微控制器的低电压电测试信号驱动感测线的一端，然后检查所述测试信号是否存在于该感测线的另一端，确定感测线的完整性，为了区分测试信号与感测线上存在的标准AC线电压，电测试信号优选地具有与标准50-60Hz的AC线电压不同的频率。在一个实施方案中，测试信号的频率是近似30kHz。

Description

电加热织物和检测感测线完整性的电路完整性检测系统

技术领域

本实用新型涉及电加热织物热点检测器，更具体而言，涉及一种检测用来检测电加热织物中热点的线中的断裂的系统和设备，所述电加热织物例如为加热垫、电加热毯、电加热床罩（throw）或电加热床垫。 

背景技术

通常，电加热织物是具有电加热元件的结构。电加热元件例如可通过电由电阻加热，且可被提供为贯穿整个垫的一个或多个金属线。所述金属线的形状和大小可改变，且在一些情况下，所述线实际上可以是小的金属丝。电加热元件通常包括由具有正温度系数（PTC）特性的金属线构成的中心加热元件。在中心PTC线周围是一层负温度系数（NTC）材料。电加热垫的插头通常被插入电源插座，以便为加热元件供电，导致产生热量。以这种方式，电加热织物可用于温暖身体的期望区域。目前，加热垫通常包括一个控制从加热垫输出的热量的控制器和/或微处理器。 

一些电加热织物还包括被设计来检测热点的电路。当电加热织物的任何部分的温度超出被设计来防止对毫无警惕的使用者造成热损伤的极限时，出现热点。感测线具有低电阻，且其通常缠绕在NTC层周围，且其被用于为漏电流提供路径并监测加热造成的NTC层中漏电流的增加。然而，感测线的断裂可导致控制器无法检测热点。 

一种已知的帮助检测感测线断裂的方法是在功率初始被施加至产品时检查感测线的电压。当功率开始被施加时，相对而言，线是冷的。随着加热垫变热，NTC电阻会减小。电阻的这种变化可被用于确定感测线是否在线的以下端部——在该端部，感测线附接至控制器连接器——处或在极接近线的该端部处断裂。尽管这在该单元初始上电时可以验证感测线的完整性，但是一旦加热垫达到运行温度，就不能作为持续的“断裂的感测线”检测器。它也不能检测感测线的、不在NTC/PTC线的以下端部附近的断裂——在该端部，NTC/PTC线连接至控制器连接器。 

另一种感测线方法包括将感测线的两端连接在一起。在这种情况下，对沿着NTC/PTC线任意地方的单处断裂进行补偿，且不影响热点的持续检测。然而，不可能知道感测线中已经出现了断裂。此外，如果出现第二处线断裂，则非常可能丧失对热点的检测。具体而言，在两处线断裂之间热点检测丧失。 

因此，期望的是提供一种持续检查感测线完整性的检测系统。如果在使用过程中任何时间由于任何原因感测线断裂，该系统将关闭，阻止该产品的使用。 

实用新型内容

本实用新型包括一种监测电加热织物感测线的状况以确定感测线中是否出现断裂的系统和设备。在一个实施方案中，可在不断开电加热织物内的加热电路的情况下确定感测线的状况。加热电路可运行在通常标准的50-60Hz的AC线电压下，使得所述感测线可正常运行在相应的频率。除了该信号之外，感测线的完整性可通过如下方式确定：首先使用来自微控制器的低电压电测试信号驱动感测线的一端，然后检查所述测试信号是否存在于该感测线的另一端。为了区分测试信号与感测线上存在的标准AC线电压，电测试信号优选地具有与标准50-60Hz的AC线电压不同的频率。在一个实施方案中，测试信号的频率是近似30kHz。测试信号也可采用其他频率和电压。 

在一个实施方案中，感测线被定位以检测和/或测量电加热织物的加热。优选地，感测线绕负温度系数（NTC）材料缠绕，且感测线的每个端都连接至微控制器。在感测线的一端，微控制器中的脉冲宽度调制器产生一个低电压电测试信号。从而测试信号可与50-60Hz的AC线电压区分开，在该AC线电压下，感测线上的温度监测发生，测试信号优选地在一个非常不同的频率，更优选地在约30kHz。该测试信号通过低通滤波器以减少不期望的较高频率的信号成分，并变成信号“DRIVE”。然后，该DRIVE信号通过高通滤波器以使DRIVE测试信号生成电路与AC线电压隔离。 

然后测试信号通过缠绕的感测线。在感测线回连至微控制器之前，优选地使感测线与信号分离。出于标准传感的目的，一个分支（prong） 继续至微控制器的模拟/数字转换器，而另一分支优选地通过高通滤波器以滤除较低频率的AC线电压，产生“RETURN”信号。然后，该RETURN信号可进入微控制器。如果感测线未断裂，通常RETURN信号的幅值会发生变化，但RETURN信号会处于与DRIVE信号相同的频率。 

在微控制器内，RETURN信号被传送至比较器，每次RETURN测试信号转变（transition），该比较器将输出一个转变。计数器在一时间段内对转变的数目进行计数。如果微控制器检测到至少一预定阈值数目的比较器的转变，则确定感测线完整。然而，在计数小于转变的阈值数目时，确定感测线断裂。出于安全目的，微控制器优选地接着禁用加热垫的加热元件。 

应理解，其他频率可用于DRIVE测试信号。然而，DRIVE测试信号频率的变化可能使得需要不同的滤波器，例如特定的带通滤波器，以确保DRIVE测试信号的频率被适当地施加至感测线和从感测线提取。此外，滤波器、比较器、计数器、调制器及A/D转换器中的一些或全部可呈现在微控制器上或者可与微控制器分开。 

附图说明

图1是现有技术加热垫的方框图。 

图2是现有技术感测线配置的示意性方框图。 

图3A是另一现有技术感测线配置的方框图，其中感测线是完整的。 

图3B是图3A的感测线配置的方框图，其中感测线具有一处断裂。 

图3C是图3A的感测线配置的方框图，其中感测线具有两处断裂。 

图4是根据本实用新型教导的微控制器和感测线配置的方框图。 

图5是根据图4的方框图的示例性示意电路图。 

图6是根据本实用新型教导的用于确定感测线完整性的方法的流程图。 

图7示出根据本实用新型教导的感测线完整性检测系统的替代实施方案。 

图8示出根据本实用新型教导的感测线完整性检测系统的替代实施方案。 

应理解，这些附图不一定按比例绘制，并且在此公开的实施方案有 时通过局部图示出。在某些情况下，对于理解本实用新型不必要的细节或者使得其他细节难于理解的细节可能被省略。还应理解，本实用新型不一定限于在此示出的特定实施方案。所有各附图中使用的相同的数字标示相同或相似的部分或结构。 

具体实施方式

现在参考附图，且更具体而言，参考图1，示出了现有技术电加热织物例如加热垫1的方框图。加热垫1包括一个加热垫控制器2，该控制器可包括一个微处理器或微控制器，用于控制加热垫1的运行。微控制器2与加热元件4电连通，并向加热元件4提供功率以加热加热垫1。或者，微控制器2可位于加热垫的外部。微控制器2还与感测元件6电连通。感测元件6是被设计来检测加热垫1中的热点的安全构件。一旦检测到一个热点，微控制器2通常停用加热元件4或减少提供至加热元件4的功率，直到不再存在热点。电源8通常电连接至微控制器2，以向微控制器2提供电功率。电源8通常被纳入微控制器2中，但可以是连接至标准壁装插座的插头、或电池、或其他电功率源。 

图2是现有技术感测线配置的示意性方框图。微控制器2被连接至一个加热元件4，该加热元件由一个电阻器组成，当电流通过该电阻器时电阻器产生热。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中未示出）绕加热元件4缠绕，且电阻相对较低的感测元件6（在图2中以感测线的形式示出）绕NTC材料缠绕。感测元件6通常一端连接至微控制器2，另一端悬空。 

运行时，微控制器2向加热元件4提供功率，这导致加热元件4发热。由于加热元件4的PTC特性，加热元件4的电阻随着其温度增加而增加。在一个现有技术实施方案中，微控制器2可试图基于加热元件4的电阻确定加热元件4的温度。然而，从PTC加热元件只能提取平均加热垫温度信息。NTC材料的电阻随着温度的增加而减小。感测元件6可检测电阻的这种变化，提供局部温度信息，由此微控制器2可检测沿着加热元件4任意处的热点。通常，当热点超过预定阈值温度时，作为安全机制，微控制器2停用加热元件4或减少功率。然而，感测元件6中 的断裂可导致微控制器2不能检测这种热点。 

图3A是另一现有技术感测线配置的示意性方框图。在该现有技术实施方案中，感测元件6的两端连接在一起。尽管感测元件6可继续检测基本上沿着感测元件6任何地方的热点，甚至在感测元件6中出现单处断裂时（如图3B中示出的），但是在这种配置中该断裂本身是不可检测的。此外，在图3C中，感测元件6中有两处分开的断裂。感测元件6不再能够检测感测元件6中在这两处断裂之间的热点。 

图4示出了根据本实用新型的一个实施方案的感测线完整性检测系统的方框图。如上文所述，感测元件6通过NTC材料7检测加热元件4所导致的热点。在一个实施方案中，感测元件6中的这种监测出现在存在约50-60Hz的AC线电压时。应注意，代替50-60Hz的范围，或者除了50-的60Hz范围之外，也可出现不同的频率。微控制器2可包括一个测试信号发生器，该测试信号发生器在图4中被以脉冲宽度调制器10的形式示出。替代地，这种测试信号发生器可与微控制器2分开。脉冲宽度调制器10优选地产生一个频率不同于AC线电压的频率的信号。在一个实施方案中，当如上所述AC线电压频率为约50-60Hz时，脉冲宽度调制器可产生一个频率为约30kHz的测试信号。 

然后，该测试信号优选地通过低通滤波器12，以减少不期望的较高频率的信号成分，且该信号变成DRIVE信号14。DRIVE信号14优选地接着通过高通滤波器16，然后遇到感测元件6。高通滤波器16优选地使脉冲宽度调制器10和低通滤波器12与AC线电压隔离。DRIVE信号14接着传至感测元件6的一端。低通滤波器12和高通滤波器16中的任一个或者二者可以是微控制器2的部件，或可与微控制器2分开。 

通过感测元件6的任何信号优选地通过高通滤波器18，以滤除AC线电压。如上文，高通滤波器18可以是微控制器2的一个部件，或可与微控制器2分开。通过高通滤波器18的任何信号标记为RETURN信号20。该RETURN信号20接着传至信号检测器部件，如图4示出的，该信号检测器部件包括比较器22。比较器22优选地比较RETURN信号20和阈值电压，该阈值电压可为约1V。当感测元件6完整时，RETURN信号20的幅值会改变，但是该RETURN信号会处于与例如具有约2v或更大的幅值的DRIVE信号14相同的频率，且通常具有与其相同的波形。 因此，比较器22在RETURN信号20每次转变时输出转变。计数器24对比较器22的转变的数目进行计数。为了标准的热点检测，感测元件6的第一端、第二端或两端可直接通到模数转换器（A/D）26。应注意，如上文，高通滤波器18、比较器22、计数器24和/或A/D26中的任一或全部可以是微控制器2的部件，或可与微控制器2分开。 

可包括固件或可执行软件的微控制器2通过寻找合适频率的比较器输出转变来确定电测试信号即RETURN信号20是否返回（指示感测线的完整性是否良好）。这通过在一固定时间段内对比较器输出转变的数目进行计数来实现。通过使用最小值作为阈值来寻找预期数目的转变，消除源自可能出现在比较器输入处的寄生源的错误计数，所述寄生源例如为电气噪声和AC线电压转变。 

应注意，替代地，比较器22可以是A/D转换器，使得RETURN信号20可被转换成数字值（digital number），该数字值的值代表信号20的振幅。值超过预定阈值的数字值的存在表明信号20具有有效振幅。在一时间段内信号20的预定数目的有效振幅脉冲表明感测线是完整的。脉冲的预定数目优选地等于出现在DRIVE信号14上的脉冲数目。 

图5示出了用于感测线完整性检测系统的一种可能配置的示意性电路图。微控制器2可以是任何合适的芯片，但是为了本公开内容的目的，将讨论为PIC16F1827-I/SO芯片的形式的微控制器2。微控制器2的引脚3优选地输出30,000Hz的低电压信号。该30kHz的信号接着通过由1kΩ的电阻器12A和2.2nF的电容器12B构成的低通滤波器12，以及由2.2nF的阻塞电容器16B和2.4kΩ的电阻器16A构成的高通滤波器16。DRIVE信号接着通过感测元件6，此后DRIVE信号通过另一个高通滤波器18与较低频率的线电压信号隔离，该高通滤波器18由两个1nF的电容器18A和18C以及两个100kΩ的电阻器18B和18D构成。滤波后的RETURN信号接着被输入至微控制器2的引脚1。如将认识到的，替代地，可使用其他硬件配置、电阻、电容等。 

图6示出了用于确定感测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，接通DRIVE信号，使得脉冲波调制器10产生一个频率与感测元件6中的AC线电压的频率不同的信号。在步骤36，计数器24中的计数清零，且在步骤38启用比较器22中断。 

在步骤40，微控制器2确定是否已经出现一个新的报时信号（timetick）。当没出现新的报时信号时，过程返回至步骤40。当出现新的报时信号时，过程移至步骤42，在步骤42，微控制器2确定测试是否在其结束时间。当测试未在其结束时间时，微控制器2确定比较器22是否已经转变。如上文讨论的，比较器22将RETURN信号与阈值电压进行比较，该阈值电压在一个实施方案中是约1伏，比较器随着RETURN信号的每次转变以合适频率输出转变。在步骤44当比较器22已经转变时，计数器24在步骤46将其计数增加一。接着该方法返回至步骤40，以等待一个新的报时信号。 

在步骤42，如果测试在其结束时间，则该方法继续至步骤48，在步骤48，比较器22中断被禁用，在步骤50连同DRIVE信号一起被禁用。在步骤52，微控制器2确定计数器24的计数是否大于或等于最小阈值计数。最小阈值计数被设计来补偿可能出现的任何寄生源，例如电气噪声和/或AC线电压转变。如果计数器24的计数大于或等于最小阈值计数，则微控制器在步骤54确定测试已经通过，且感测元件6是完整的。然而，当在步骤52计数器24的计数比最小阈值计数小时，微控制器2在步骤56确定测试失败。在测试失败的情况下，微控制器2优选地停用加热元件4以保护使用者。 

可选择性地使用脉冲宽度调制器10以间歇地产生DRIVE信号14，或者脉冲宽度调制器10可持续运行。类似地，微处理器2可以预选时间间隔选择性地检查RETURN信号20，或者可不断地监测RETURN信号20以持续监测感测线6的完整性。 

图7示出了感测线完整性检测系统100的一个替代实施方案，如同在上文讨论的实施方案中，检测系统100包括一个微控制器102、一个加热元件104、一个NTC层107、一个感测元件106，及一个A/D转换器126。 

在该实施方案中，为了检测感测线106的完整性，按固定时间间隔，当测试信号被施加至感测线106时，至加热元件104的功率被移除和/或被断开。切断至加热元件104的功率可持续为例如16.66毫秒的一个电力线周期（power line cycle）的一段持续时间，或任意其他固定时间段。在三端双向可控硅开关元件D1被迫不启动期间，微处理器输出 U1提供一系列方波。采用适当的滤波以分离AC线频率和U1提供的信号以及分离被用于检测热点的A/D输入和感测线完整性信号。 

在另一个实施方案中，如图8示出的，通过在一选定时间段内以某一时间间隔将NTC层107从AC电源断开，可确定感测线106的完整性。一旦合上感测线完整性电路，提供一个测试信号通过感测线。 

在加热阶段，三端双向可控硅开关元件D1和D2“接通”且引脚B处于高阻态。通过A/D126测量NTC107泄漏以检测热点。在测试阶段，“断开”三端双向可控硅开关元件D1和D2，引脚B输出一个信号，例如方波，该信号通过感测线106传至A/D126。通过检查A/D126接收的信号的振幅，以及对已经接收的方波脉冲的数目进行计数与多少被发送进行比较，确定感测线的完整性。 

一旦感测线106完整性的验证完成(即，A/D126检测到适当振幅的信号和/或方波脉冲数目)，就恢复至加热元件104的功率，三端双向可控硅开关元件D1和D2“接通”，引脚B处于高阻态。根据需要可重复这样的过程，且微控制器102可再次启动验证测试循环。 

因此，已示出和描述了数个新颖的加热垫安全系统和方法的实施方案。如根据上文描述明显的，本实用新型的某些方面不受在此示出的实施例的特定细节限制，且因此预期，本领域的普通技术人员将想到其他改型和应用，或其等同物。前述说明书中使用的术语“具有”和“包括”及类似术语被在“可选的”或“可包括”的意义上使用，而不是在“必需的”意义上使用。然而，在考虑说明书和附图之后，本实用新型的许多变化、改型、变体及其他用途和应用对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。不背离本实用新型的精神和范围的所有这些变化、改型、变体及其他用途和应用被认为被本实用新型覆盖，本实用新型仅由随附的权利要求限定。 

Claims (13)

1.一种电加热织物，包括： 

一个加热元件，与NTC材料连通，其中以第一频率产生第一信号通过所述加热元件； 

一个感测线，用于检测所述加热元件导致的热点； 

一个测试信号发生器，被电连接至所述感测线用于在所述感测线的第一端产生第二信号，其中所述测试信号具有第二频率；以及 

一个信号检测器，用于在所述感测线的第二端上检测所述第二信号。 

2.根据权利要求1所述的电加热织物，还包括： 

一个具有负温度系数（NTC）的层，位于所述加热元件和所述感测线之间。 

3.根据权利要求2所述的电加热织物，其中所述NTC层绕所述加热元件缠绕，且所述感测线绕所述NTC层缠绕。 

4.根据权利要求1所述的电加热织物，其中所述检测在存在所述第一信号时发生。 

5.根据权利要求4所述的电加热织物，其中所述第一频率与所述第二频率不同。 

6.根据权利要求5所述的电加热织物，其中所述第一信号是具有近似50-60Hz的第一频率的AC线电压。 

7.根据权利要求6所述的电加热织物，其中所述第二频率是近似30kHz的频率。 

8.根据权利要求1所述的电加热织物，其中所述检测在断开所述第一信号时发生。 

9.根据权利要求8所述的电加热织物，其中所述第一频率与所述第二频率不同。 

10.根据权利要求8所述的电加热织物，其中所述第一频率与所述第二频率相同。 

11.一种用于检测电加热织物中感测线完整性的电路完整性检测系统，该系统包括： 

一个感测线，用于检测由所述电加热织物的加热元件导致的热点，其中以第一频率产生第一信号通过所述加热元件； 

一个测试信号发生器，电连接至所述感测线，用于在所述感测线的第一端产生第二频率的测试信号； 

一个信号检测器，用于在所述感测线的第二端上检测所述第二频率。 

12.根据权利要求11所述的电路完整性检测系统，其中所述检测在存在所述第一信号时发生。 

13.根据权利要求11所述的电路完整性检测系统，其中所述检测在断开所述第一信号时发生。 

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