防干烧燃气灶抗干扰性能分析研究.pdf

2023 年 7 月/Jul.2023 93技术创新/防干烧燃气灶抗干扰性能分析研究翁旋波 林志勇 谢昌华 侯来广（广州市红日燃具有限公司 广州 510080）摘要：本文描述了防干烧燃气灶的工作原理，分析了防干烧燃气灶误动作的原因及影响因素，并通过对市面上各类防干烧燃气灶做了抗风性火焰干扰测试，介绍了提高抗火焰干扰能力的方法，并通过试验验证方法的有效性及准确性，藉以帮助企业优化防干烧燃气灶的性能。关键词：防干烧燃气灶；误动作；抗风性；抗火焰干扰Abstract：This paper describes the working principle of anti-dry-burn cooker,analyzes the causes and influencing factors of anti-dry-burn cooker misoperation,and introduces the method to improve the anti-flame interference ability by doing wind resistance flame interference test on various types of anti-dry-burn gas cookers on the market,and verifies the effectiveness and accuracy of the method through test,so as to help enterprises optimize the performance of anti-dry-burn cookers.Key words：anti-dry burner cooker;misoperation;wind resistance;flame interference resistanceAnti-Dry Burner Cooker Anti-Interference Performance Analysis Study引言现代社会，燃气灶已经成为了人们日常必备的厨房器具。然而现实生活中，人们往往由于聊天、玩手机、记忆力下降等原因忘记照看使用中的燃气灶，从而造成火灾隐患，这类事故时有发生，并且难以杜绝。为了有效防止这种安全隐患的发生，防干烧燃气灶由此应运而生。所谓防干烧燃气灶就是搭载了防干烧装置的燃气灶，具体可以分为接触式防干烧燃气灶和非接触式防干烧燃气灶两种，本文主要讲述接触式防干烧燃气灶。接触式防干烧燃气灶的防干烧装置是一个可以检测锅底温度的探头，本质是一种 NTC 热敏电阻，其阻值随着温度的增加而减小，工作时可以将温度信号转化为电信号给主控，主控根据电信号判断做出对应的动作。当探头检测温度超过预设阀值时，主控关闭燃气灶燃气通路，燃气灶熄火从而实现防干烧功能1，这就一定程度上避免了用户忘记关火导致厨房火灾事故的发生。进一步地，防干烧燃气灶可以根据防干烧装置反馈的电信号做出调整大小火的动作，并通过文字显示或语音提示反馈给用户，用户根据提示进行烹饪动作，这是现在一些智能烹饪燃气灶的工作原理，也是未来厨房智能化的重要基础。但目前的一些防干烧燃气灶常常发生误动作缺陷，所谓的误动作即是燃气灶在烹饪过程中没有发生干烧的情况就无故自发性的熄火，严重影响用户体验。常有用户抱怨防干烧功能鸡肋不如没有，或者抱怨防干烧技术不成熟，这些用户体验无疑会对防干烧燃气灶的推广带来不利影响，因此提高防干烧装置精度和抗干扰能力的重要性是不言而喻的。94日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation1 防干烧燃气灶误动作的原因正常工作状态下，防干烧燃气灶在没有发生干烧状况的时候熄火了，这就是误动作。防干烧燃气灶误动作产生的原因有很多，主要可以概括为：动作温度阀值设置偏低，有风状态火焰干扰，不同锅具适应性差。1.1 动作温度阀值设置偏低烹饪食物的过程，锅具温度的变化一般可以分为三个阶段：第一阶段，锅具从冷态受热急剧升温阶段；第二阶段，锅具在食物和水蒸发的作用下达到热平衡状态；第三阶段，水分蒸发完，锅具继续升温，进入干烧状态。防干烧燃气灶的目标就是避免或减小第三阶段发生的时间，因此防干烧装置探测温度的阀值时一般就设置在第三阶段某个温度点，这个阀值越大，干烧时间就越长，安全隐患就越大；阀值越小，防干烧燃气灶的动作就越灵敏，相对的也越容易误动作。防干烧燃气灶的温度阀值是通过程序预设在主控上的，目前大部分接触式防干烧燃气灶的防干烧装置温度测量范围在（-40 300）左右，而动作的温度阀值一般设置在（210 290）左右。初期的防干烧燃气灶，为了优先保障防干烧功能，把防干烧动作温度阈值设置的过低，导致用户使用时经常发生误动作。1.2 有风状态火焰干扰燃气灶燃烧过程中，火焰扰动在风的作用下时有发生。国家标准 GB 16410-2020家用燃气灶具6.1 条款中明确规定了试验室环境2：试验燃气灶周围 1 m 处空气水平流动速度 0.1 m/s。但这是试验室环境要求，在燃气灶实际使用环境的空气流动速度会远大于这个要求，尤其是在夏天通风环境良好的厨房里。燃气灶正常燃烧时，火焰温度高达（700 1 000），远远超过防干烧装置动作的温度阀值。正常燃烧的防干烧燃气灶火焰是不会烧到防干烧探头的，但在风的作用下，当扰动的火焰撩到防干烧探头时，防干烧探头的瞬间温度超过了设定的温度阀值，主控判定干烧，燃气灶熄火从而产生误动作。1.3 不同锅具适应性差不同材质的锅具导热系数差别很大，导热系数差的锅具在升温阶段锅底温度就可能超过 300，超过了防干烧燃气灶的动作阀值，在升温阶段，防干烧燃气灶就已经熄火了，这种现象为其中之一，典型锅具有陶瓷锅具，玻璃锅，厚铸铁锅等。还有一些锅具底部不平，探头不能紧贴锅具，导致探头测量不准，这种现象为其中之二，典型锅具有尖底锅。以上因素中，防干烧装置的动作温度阀值可以根据燃气灶的热负荷结合实际情况实时调整程序；不同锅具适应性问题目前可以依靠算法根据温度曲线去大体识别，但准确率不稳定，有待进一步优化，目前基本是品牌厂家直接在防干烧燃气灶上明示使用锅具的类型；有风状态火焰干扰对防干烧燃气灶误动作的影响是当前众多品牌厂家技术工程师们需要重点解决的难题。2 不同风速下防干烧燃气灶的抗风性测试本次试验选择了 4 款市面上常见的防干烧燃气灶，测试条件按国家标准 GB 16410-2020家用燃气灶具规定的实验室条件进行，试验分两个步骤进行：第一步按照国标要求的灶具试验状态进行烧水试验 15 min 以确保燃气灶达到热平衡状态，第二步将防干烧燃气灶处于不同风速场下燃烧 30 min 进行抗风性能测试。抗风性能测试用锅选用常用的导热系数大的平底不锈钢锅，风速采用风速测试仪在测试点测得，测试记录不同风速下的防干烧燃气灶处于正常状态还是误动作（熄火）状态，测试结果见表 1。风速通过匀速送风装置实现，通过调节匀速送风装置的电压以改变电机转速，出风口处设置均匀排布的多孔网板，以达到匀速送风的目的。送风装置原理图如图1 所示。3 实验结果分析1）试验中4款灶具均装配有市面上常见类型的探头，在 0.5 m/s 低速风的情况下，4 款燃气灶都可以正常运行2023 年 7 月/Jul.2023 95技术创新/燃气灶名称燃气灶 A燃气灶 B燃气灶 C燃气灶 D燃气灶图片探头类型额定热负荷4.5 kW4.5 kW4.5 kW4.2 kW平底不锈钢锅0.5 m/s 风速正常正常正常正常1 m/s 风速熄火熄火正常正常1.5 m/s 风速熄火熄火熄火熄火图 1 匀速送风装置原理图表 1 防干烧燃气灶在不同风速下测试结果无误动作出现，此时风速较低，燃烧火焰扰动基本撩不到探头，所以灶具探头未发生误动作。2）当风速提高至 1 m/s 匀速风的情况时，燃气灶 A和燃气灶 B 发生了误动作，燃气灶 C 和燃气灶 D 则没有，经过分析，燃气灶 C 的内环火盖有一层挡圈，挡圈挡住了大部分火焰对探头的干扰，因此燃气灶 C 没有发生误动作。燃气灶 D 则是因为没有内环火，外环火焰撩不到探头，因此也没有发生误动作。3）等风速继续提高至 1.5 m/s 匀速风的情况时，所有燃气灶均发生了误动作。主要原因是风速较大时，火焰扰动幅度太大，对探头干扰影响很大，因此 4 款燃气灶均出现了误动作。96日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation4 提高防干烧燃气灶抗干扰能力的措施通过上述测试，可以验证火焰扰动对防干烧探头具有明显的干扰能力，因此如何减少甚至隔绝火焰扰动对防干烧探头的影响成了本次研究的主要优化方向。从上述结果看出单环火结构对隔绝火焰干扰具有明显优势，但单环火结构热负荷很难做大，且没有内环小火功能，不适合中国人猛火爆炒和煲汤的烹饪习惯，因此，我们将研究对象主要放在具有内外环火燃烧器的燃气灶 A 和燃气灶 B 上，通过调整燃烧器内环火盖结构、调整防干烧探头结构作为此次主要技术方案。优化方案一：在燃气灶 A 和燃气灶 B 的现有的结构基础上增加一个独立的铜环，铜环置于燃烧器内环分火器上，高度略低于锅架高度，通过铜环阻挡火焰对探头的影响，其它测试条件不变。优化方案一测试结果如表 2。优化方案二：提供一种新型的防干烧探头装置，该探头采用二级压缩结构，工作时，探头测温点受力下压时可以隐藏隔热外壳里，利用外壳隔绝火焰干扰，其结构示意图如图 2 所示。更换燃气灶 A 和燃气灶 B 的防干烧探头，其它测试条件不变。优化方案二测试结果如表 3。结果分析：优化方案一和优化方案二的防干烧燃气灶均经受住了 1 m/s 匀速风的抗干扰测试，但仍未能通过1.5 m/s 匀速风的测试。相比较之前，防干烧燃气灶的抗干扰性能得到了显著提升，证明了燃烧器内环增加挡圈和探头采用二级压缩结构都是具有抗干扰能力更优的技术方案，如果两种优化方案结合，其效果可能会更加理想。这些改进方案其实都是硬件上的调整，当然不仅限于此，还有更多方式可以提高防干烧燃气灶的抗干扰性能，如软件的调整，这里就不展开讨论。5 结论1）厨房烹饪安全的重要性以及未来厨房智能化的需求，迫切需要发展防干烧燃气灶；当前防干烧燃气灶的发展还只停留在初级阶段，单纯的为了实现防干烧功能，燃气灶燃气灶 A燃气灶 B0.5 m/s 匀速风正常正常1 m/s 匀速风正常正常1.5 m/s 匀速风熄火熄火燃气灶燃气灶 A燃气灶 B0.5 m/s 匀速风正常正常1 m/s 匀速风正常正常1.5 m/s 匀速风熄火熄火表 2 优化方案一测试结果表 3 优化方案二测试结果图 2 二级压缩结构防干烧探头示意图然而在实现过程中未能充分考虑燃气灶的实际使用环境，使用过程中防干烧装置频繁误动作，导致用户体验差，遏制着防干烧燃气灶及智能化烹饪燃气灶的发展，需要进一步提高防干烧燃气灶的用户体验。2）在不同风速下对防干烧燃气灶的测试证明，一定范围内风速越大，防干烧燃气灶误动作的可能性就越大。防干烧探头没有隔绝火焰的结构设计，防干烧燃气灶越容易误动作。技术上可以采用燃烧器内环火盖带隔（下转 111 页）2023 年 7 月/Jul.2023 111技术创新/1）整流电路中并联缓冲电路由电阻和电容串联组成，其作用是衰减寄生振荡和尖峰电压或电流、降低二极管导通或关断产生的损耗以及降低电压变化率 dv/dt 或电流变化率 di/dt。2）电磁辐射是由电流变化率 di/dt 引起的，而且辐射源的强度与电流的波形变化率直接相关。因此降低二极管的电流上升率，就可以降低辐射源的干扰强度，从而解决产品的电磁辐射问题。3）RC 吸收电路的参数采用调整电容以此衰减振荡频率的方式确定电容值，并根据 LC 谐振在临界阻尼时没有尖峰存在而选择电阻值。此外，当电容未进行调制时，为对振荡幅值进行衰减，还可以采用在电路中增大“阻尼”以此来消耗电路中产生的能量。根据电容放电时间常数计算可知，增大电阻，放电常数越大，放电越慢，有利于降低尖峰电压和降低 dv/dt 或 di/dt，衰减电磁辐射强度。但需要注意的是从系统效率出发，元器件参数越大，损耗越大，效率越低。同时需要指出的是，RC 吸收电路的带宽较窄，对于高频干扰信号的抑制能力不足，抑制效果也容易受到温度变化、电源等环境因素的影响。因此对于未来 RC 吸收电路技术的研究需要向更广带宽和更高频率响应的方面进行开展。参考文献：作者简介：1 梁伟恩,付翔,杨军.开关电源中 RC 缓冲电路的设计 J.电子元器件应用,2010(6).2孙金田.关于家电设备PFC电路EMI电磁干扰的研究J.电子测试，2019(8):17-20.3 李可.开关电源的 PCB 设计 J.民营科技,2010(4):37.4 游冬,熊昶智.测试工具与解决方案 J.电子测试,2019(11).5 袁顺刚,刘玉琦,常志国,等.开关电源电磁干扰及其抑制技术的分析 J.数字通信世界,2018(3):119.赵燕（1985-），女，本科，微电子学专业，讲师，主要从事电子电气专业工作。（上接96页）热环结构设计，或者直接增加挡圈，可以有效阻挡火焰干扰。3）二级压缩结构的防干烧探头可以有效保护防干烧感温部免受火焰扰动的影响，提高防干烧燃气灶的抗干扰性。因此，相比传统一级压缩结构的防干烧探头，二级压缩结构的防干烧探头具有更强的火焰抗干扰性。其相当于利用防干烧探头的隔热外壳进行隔绝火焰干扰，对比于更改燃烧器内环火盖结构，结构更加美观。参考文献：作者简介：1 史井雄,周华,褚武建,等.关于家用燃气灶防干烧功能实现的研究C/中国燃气运营与安全研讨会（第九届）暨中国土木工程学会燃气分会 2018 年学术年会论文集.天津：煤气与热力杂志社,2018:551-555.2 GB 16410-2020,家用燃气燃气灶 S.翁旋波（1991-），男，助理工程师，主要从事厨卫产品开发工作。