防干燒燃氣灶抗干擾性能分析研究

翁旋波 林志勇 謝昌華 侯來廣

（廣州市紅日燃具有限公司 廣州 510080）

引言

現(xiàn)代社會，燃氣灶已經(jīng)成為了人們?nèi)粘１貍涞膹N房器具。然而現(xiàn)實生活中，人們往往由于聊天、玩手機、記憶力下降等原因忘記照看使用中的燃氣灶，從而造成火災(zāi)隱患，這類事故時有發(fā)生，并且難以杜絕。為了有效防止這種安全隱患的發(fā)生，防干燒燃氣灶由此應(yīng)運而生。所謂防干燒燃氣灶就是搭載了防干燒裝置的燃氣灶，具體可以分為接觸式防干燒燃氣灶和非接觸式防干燒燃氣灶兩種，本文主要講述接觸式防干燒燃氣灶。

接觸式防干燒燃氣灶的防干燒裝置是一個可以檢測鍋底溫度的探頭，本質(zhì)是一種NTC 熱敏電阻，其阻值隨著溫度的增加而減小，工作時可以將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號給主控，主控根據(jù)電信號判斷做出對應(yīng)的動作。當(dāng)探頭檢測溫度超過預(yù)設(shè)閥值時，主控關(guān)閉燃氣灶燃氣通路，燃氣灶熄火從而實現(xiàn)防干燒功能[1]，這就一定程度上避免了用戶忘記關(guān)火導(dǎo)致廚房火災(zāi)事故的發(fā)生。

進一步地，防干燒燃氣灶可以根據(jù)防干燒裝置反饋的電信號做出調(diào)整大小火的動作，并通過文字顯示或語音提示反饋給用戶，用戶根據(jù)提示進行烹飪動作，這是現(xiàn)在一些智能烹飪?nèi)細庠畹墓ぷ髟恚彩俏磥韽N房智能化的重要基礎(chǔ)。但目前的一些防干燒燃氣灶常常發(fā)生誤動作缺陷，所謂的誤動作即是燃氣灶在烹飪過程中沒有發(fā)生干燒的情況就無故自發(fā)性的熄火，嚴重影響用戶體驗。常有用戶抱怨防干燒功能雞肋不如沒有，或者抱怨防干燒技術(shù)不成熟，這些用戶體驗無疑會對防干燒燃氣灶的推廣帶來不利影響，因此提高防干燒裝置精度和抗干擾能力的重要性是不言而喻的。

1 防干燒燃氣灶誤動作的原因

正常工作狀態(tài)下，防干燒燃氣灶在沒有發(fā)生干燒狀況的時候熄火了，這就是誤動作。防干燒燃氣灶誤動作產(chǎn)生的原因有很多，主要可以概括為：動作溫度閥值設(shè)置偏低，有風(fēng)狀態(tài)火焰干擾，不同鍋具適應(yīng)性差。

1.1 動作溫度閥值設(shè)置偏低

烹飪食物的過程，鍋具溫度的變化一般可以分為三個階段：第一階段，鍋具從冷態(tài)受熱急劇升溫階段；第二階段，鍋具在食物和水蒸發(fā)的作用下達到熱平衡狀態(tài)；第三階段，水分蒸發(fā)完，鍋具繼續(xù)升溫，進入干燒狀態(tài)。防干燒燃氣灶的目標(biāo)就是避免或減小第三階段發(fā)生的時間，因此防干燒裝置探測溫度的閥值時一般就設(shè)置在第三階段某個溫度點，這個閥值越大，干燒時間就越長，安全隱患就越大；閥值越小，防干燒燃氣灶的動作就越靈敏，相對的也越容易誤動作。防干燒燃氣灶的溫度閥值是通過程序預(yù)設(shè)在主控上的，目前大部分接觸式防干燒燃氣灶的防干燒裝置溫度測量范圍在（-40 ～300）℃左右，而動作的溫度閥值一般設(shè)置在（210 ～290）℃左右。初期的防干燒燃氣灶，為了優(yōu)先保障防干燒功能，把防干燒動作溫度閾值設(shè)置的過低，導(dǎo)致用戶使用時經(jīng)常發(fā)生誤動作。

1.2 有風(fēng)狀態(tài)火焰干擾

燃氣灶燃燒過程中，火焰擾動在風(fēng)的作用下時有發(fā)生。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16410-2020《家用燃氣灶具》6.1 條款中明確規(guī)定了試驗室環(huán)境[2]：試驗燃氣灶周圍1 m 處空氣水平流動速度≤0.1 m/s。但這是試驗室環(huán)境要求，在燃氣灶實際使用環(huán)境的空氣流動速度會遠大于這個要求，尤其是在夏天通風(fēng)環(huán)境良好的廚房里。燃氣灶正常燃燒時，火焰溫度高達（700 ～1 000）℃，遠遠超過防干燒裝置動作的溫度閥值。正常燃燒的防干燒燃氣灶火焰是不會燒到防干燒探頭的，但在風(fēng)的作用下，當(dāng)擾動的火焰撩到防干燒探頭時，防干燒探頭的瞬間溫度超過了設(shè)定的溫度閥值，主控判定干燒，燃氣灶熄火從而產(chǎn)生誤動作。

1.3 不同鍋具適應(yīng)性差

不同材質(zhì)的鍋具導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，導(dǎo)熱系數(shù)差的鍋具在升溫階段鍋底溫度就可能超過300 ℃，超過了防干燒燃氣灶的動作閥值，在升溫階段，防干燒燃氣灶就已經(jīng)熄火了，這種現(xiàn)象為其中之一，典型鍋具有陶瓷鍋具，玻璃鍋，厚鑄鐵鍋等。還有一些鍋具底部不平，探頭不能緊貼鍋具，導(dǎo)致探頭測量不準(zhǔn)，這種現(xiàn)象為其中之二，典型鍋具有尖底鍋。

以上因素中，防干燒裝置的動作溫度閥值可以根據(jù)燃氣灶的熱負荷結(jié)合實際情況實時調(diào)整程序；不同鍋具適應(yīng)性問題目前可以依靠算法根據(jù)溫度曲線去大體識別，但準(zhǔn)確率不穩(wěn)定，有待進一步優(yōu)化，目前基本是品牌廠家直接在防干燒燃氣灶上明示使用鍋具的類型；有風(fēng)狀態(tài)火焰干擾對防干燒燃氣灶誤動作的影響是當(dāng)前眾多品牌廠家技術(shù)工程師們需要重點解決的難題。

2 不同風(fēng)速下防干燒燃氣灶的抗風(fēng)性測試

本次試驗選擇了4 款市面上常見的防干燒燃氣灶，測試條件按國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16410-2020《家用燃氣灶具》規(guī)定的實驗室條件進行，試驗分兩個步驟進行：第一步按照國標(biāo)要求的灶具試驗狀態(tài)進行燒水試驗15 min 以確保燃氣灶達到熱平衡狀態(tài)，第二步將防干燒燃氣灶處于不同風(fēng)速場下燃燒30 min 進行抗風(fēng)性能測試。抗風(fēng)性能測試用鍋選用常用的導(dǎo)熱系數(shù)大的平底不銹鋼鍋，風(fēng)速采用風(fēng)速測試儀在測試點測得，測試記錄不同風(fēng)速下的防干燒燃氣灶處于正常狀態(tài)還是誤動作（熄火）狀態(tài)，測試結(jié)果見表1。

表1 防干燒燃氣灶在不同風(fēng)速下測試結(jié)果

風(fēng)速通過勻速送風(fēng)裝置實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)勻速送風(fēng)裝置的電壓以改變電機轉(zhuǎn)速，出風(fēng)口處設(shè)置均勻排布的多孔網(wǎng)板，以達到勻速送風(fēng)的目的。送風(fēng)裝置原理圖如圖1 所示。

圖1 勻速送風(fēng)裝置原理圖

3 實驗結(jié)果分析

1） 試驗中4 款灶具均裝配有市面上常見類型的探頭，在0.5 m/s 低速風(fēng)的情況下，4 款燃氣灶都可以正常運行無誤動作出現(xiàn)，此時風(fēng)速較低，燃燒火焰擾動基本撩不到探頭，所以灶具探頭未發(fā)生誤動作。

2）當(dāng)風(fēng)速提高至1 m/s 勻速風(fēng)的情況時，燃氣灶A(yù)和燃氣灶B 發(fā)生了誤動作，燃氣灶C 和燃氣灶D 則沒有，經(jīng)過分析，燃氣灶C 的內(nèi)環(huán)火蓋有一層擋圈，擋圈擋住了大部分火焰對探頭的干擾，因此燃氣灶C 沒有發(fā)生誤動作。燃氣灶D 則是因為沒有內(nèi)環(huán)火，外環(huán)火焰撩不到探頭，因此也沒有發(fā)生誤動作。

3）等風(fēng)速繼續(xù)提高至1.5 m/s 勻速風(fēng)的情況時，所有燃氣灶均發(fā)生了誤動作。主要原因是風(fēng)速較大時，火焰擾動幅度太大，對探頭干擾影響很大，因此4 款燃氣灶均出現(xiàn)了誤動作。

4 提高防干燒燃氣灶抗干擾能力的措施

通過上述測試，可以驗證火焰擾動對防干燒探頭具有明顯的干擾能力，因此如何減少甚至隔絕火焰擾動對防干燒探頭的影響成了本次研究的主要優(yōu)化方向。從上述結(jié)果看出單環(huán)火結(jié)構(gòu)對隔絕火焰干擾具有明顯優(yōu)勢，但單環(huán)火結(jié)構(gòu)熱負荷很難做大，且沒有內(nèi)環(huán)小火功能，不適合中國人猛火爆炒和煲湯的烹飪習(xí)慣，因此，我們將研究對象主要放在具有內(nèi)外環(huán)火燃燒器的燃氣灶A(yù) 和燃氣灶B 上，通過調(diào)整燃燒器內(nèi)環(huán)火蓋結(jié)構(gòu)、調(diào)整防干燒探頭結(jié)構(gòu)作為此次主要技術(shù)方案。

優(yōu)化方案一：在燃氣灶A(yù) 和燃氣灶B 的現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一個獨立的銅環(huán)，銅環(huán)置于燃燒器內(nèi)環(huán)分火器上，高度略低于鍋架高度，通過銅環(huán)阻擋火焰對探頭的影響，其它測試條件不變。優(yōu)化方案一測試結(jié)果如表2。

表2 優(yōu)化方案一測試結(jié)果

優(yōu)化方案二：提供一種新型的防干燒探頭裝置，該探頭采用二級壓縮結(jié)構(gòu)，工作時，探頭測溫點受力下壓時可以隱藏隔熱外殼里，利用外殼隔絕火焰干擾，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。更換燃氣灶A(yù) 和燃氣灶B 的防干燒探頭，其它測試條件不變。優(yōu)化方案二測試結(jié)果如表3。

圖2 二級壓縮結(jié)構(gòu)防干燒探頭示意圖

表3 優(yōu)化方案二測試結(jié)果

結(jié)果分析：優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的防干燒燃氣灶均經(jīng)受住了1 m/s 勻速風(fēng)的抗干擾測試，但仍未能通過1.5 m/s 勻速風(fēng)的測試。相比較之前，防干燒燃氣灶的抗干擾性能得到了顯著提升，證明了燃燒器內(nèi)環(huán)增加擋圈和探頭采用二級壓縮結(jié)構(gòu)都是具有抗干擾能力更優(yōu)的技術(shù)方案，如果兩種優(yōu)化方案結(jié)合，其效果可能會更加理想。這些改進方案其實都是硬件上的調(diào)整，當(dāng)然不僅限于此，還有更多方式可以提高防干燒燃氣灶的抗干擾性能，如軟件的調(diào)整，這里就不展開討論。

5 結(jié)論

1）廚房烹飪安全的重要性以及未來廚房智能化的需求，迫切需要發(fā)展防干燒燃氣灶；當(dāng)前防干燒燃氣灶的發(fā)展還只停留在初級階段，單純的為了實現(xiàn)防干燒功能，然而在實現(xiàn)過程中未能充分考慮燃氣灶的實際使用環(huán)境，使用過程中防干燒裝置頻繁誤動作，導(dǎo)致用戶體驗差，遏制著防干燒燃氣灶及智能化烹飪?nèi)細庠畹陌l(fā)展，需要進一步提高防干燒燃氣灶的用戶體驗。

2）在不同風(fēng)速下對防干燒燃氣灶的測試證明，一定范圍內(nèi)風(fēng)速越大，防干燒燃氣灶誤動作的可能性就越大。防干燒探頭沒有隔絕火焰的結(jié)構(gòu)設(shè)計，防干燒燃氣灶越容易誤動作。技術(shù)上可以采用燃燒器內(nèi)環(huán)火蓋帶隔熱環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計，或者直接增加擋圈，可以有效阻擋火焰干擾。

3）二級壓縮結(jié)構(gòu)的防干燒探頭可以有效保護防干燒感溫部免受火焰擾動的影響，提高防干燒燃氣灶的抗干擾性。因此，相比傳統(tǒng)一級壓縮結(jié)構(gòu)的防干燒探頭，二級壓縮結(jié)構(gòu)的防干燒探頭具有更強的火焰抗干擾性。其相當(dāng)于利用防干燒探頭的隔熱外殼進行隔絕火焰干擾，對比于更改燃燒器內(nèi)環(huán)火蓋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加美觀。