摘要：介紹燃?xì)庠畹南ɑ鹪蚣跋ɑ鸨Ｗo(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成，分析熱電偶檢測(cè)、光敏檢測(cè)、離子檢測(cè)等幾種火焰檢測(cè)方式的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合，探討了復(fù)合式檢測(cè)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：熄火保護(hù)；  火焰檢測(cè)；  熱電偶檢測(cè)；  光敏檢測(cè)；  離子檢測(cè)；  燃?xì)庠?span lang="EN-US">

Discussion on Flame Detection Methods of Gas Stove

Abstract: The reason for flame extinction of gas stove and the composition of flame failure system are introduced．The principles，advantages，disadvantages and application occasions of flame detection modes including thermocouple detection，photosensitive detection and ion detection are analyzed．The composite flame detection technology is discussed．

Key words: flameout protection；flame detection；thermocouple detection；photosensitive detection；ion detection；gas stove

1 概述

在燃?xì)庠罹叩氖褂眠^(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)意外熄火現(xiàn)象，一旦熄火便會(huì)產(chǎn)生事故隱患。GB l6410-2007《家用燃?xì)庠罹摺芬?guī)定，自2009年1月1日起，禁止銷(xiāo)售不具備熄火保護(hù)裝置的家用燃?xì)庠?。在商用灶具領(lǐng)域，相關(guān)法規(guī)也要相繼出臺(tái)。對(duì)燃?xì)庠O(shè)備火焰檢測(cè)的方法很多，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的可靠性、安全性和耐久性也有了新的要求。

2 熄火原因及熄火保護(hù)系統(tǒng)

燃?xì)庠罹咴谑褂眠^(guò)程中熄火的原因主要有：鼓風(fēng)機(jī)或者自然風(fēng)將火焰吹滅；鍋內(nèi)物質(zhì)加熱后外溢而引起火焰熄滅；操作時(shí)火焰調(diào)節(jié)過(guò)?。挥捎谌?xì)鈮毫Φ突蛘呷細(xì)舛虝r(shí)間內(nèi)間斷引起熄火。

熄火保護(hù)功能是在燃?xì)庠罹呱霞友b火焰檢測(cè)裝置，在正常使用情況下，當(dāng)火焰意外熄滅后，火焰檢測(cè)裝置隨即檢測(cè)出信號(hào)變化，對(duì)火焰信號(hào)進(jìn)行判定和處理，確定火焰狀態(tài)后輸出信號(hào)給保護(hù)裝置，切斷氣源。熄火保護(hù)系統(tǒng)由火焰檢測(cè)裝置(光敏檢測(cè)器、離子檢測(cè)器等)、信號(hào)處理控制器和保護(hù)裝置(燃?xì)怆姶砰y、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥等)構(gòu)成，見(jiàn)圖1。

3 火焰檢測(cè)方式

火焰在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量、輻射光、離子等特殊信號(hào)，根據(jù)這些特殊信號(hào)，可以分為熱電偶、光敏、離子等幾種火焰檢測(cè)方式。火焰檢測(cè)裝置可以利用火焰燃燒時(shí)產(chǎn)生的特性，捕獲火焰點(diǎn)燃和熄滅時(shí)的信號(hào)差異，從而判斷火焰是否存在。

3．1 熱電偶檢測(cè)

①檢測(cè)原理

熱電偶是一種感溫元件，我們可以得到熱電偶兩端的電勢(shì)差值，然后通過(guò)變送器處理，得到所測(cè)火焰的實(shí)際溫度，可利用溫度來(lái)判斷火焰是否存在。進(jìn)行溫度采集得到溫度的大致范圍，并可測(cè)得最高溫度。將穩(wěn)定時(shí)的最高溫度作為溫度上限，將穩(wěn)定時(shí)的最低溫度作為溫度下限，根據(jù)電子電路分析中的滯回比較器原理，進(jìn)行火焰檢測(cè)^[1]。

在商用燃?xì)庠罹呷紵餮兄七^(guò)程中，當(dāng)火焰燃燒穩(wěn)定后，由于環(huán)境影響和火焰波動(dòng)會(huì)使燃燒溫度產(chǎn)生變化，溫度穩(wěn)定在700～800 ℃。因此，我們可以把溫度啟動(dòng)值設(shè)定在800℃，溫度下限值設(shè)定在700℃，程序在溫度達(dá)到啟動(dòng)值后，一旦低于下限值后即輸出熄火報(bào)警信號(hào)。

②優(yōu)點(diǎn)

熱電偶在火焰檢測(cè)過(guò)程中以測(cè)量精度高、熱響應(yīng)時(shí)間較快、測(cè)量范圍大等特點(diǎn)受到重視，另外它性能可靠，機(jī)械強(qiáng)度好，使用壽命長(zhǎng)，安裝也相對(duì)方便。

③應(yīng)用中存在的問(wèn)題

熱電偶的非線(xiàn)性問(wèn)題將給測(cè)量帶來(lái)誤差，一般在二次儀表中進(jìn)行非線(xiàn)性校正。熱電偶的冷端補(bǔ)償問(wèn)題是由熱電偶本身工作性質(zhì)決定的。

熱電偶的溫度值是在冷端溫度為0℃時(shí)獲得的，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，熱電偶的冷端、工作端距離很近，且冷端暴露在空間中，受周?chē)橘|(zhì)溫度波動(dòng)的影響，因此其冷端溫度不會(huì)保持在0℃不變，從而引起測(cè)量誤差。如果我們利用溫度的變化值來(lái)判斷火焰的存在，會(huì)影響對(duì)火焰信號(hào)的反應(yīng)速度。在現(xiàn)有的家用燃?xì)庠詈蜔崴鞯热季咧校嗖捎脙r(jià)格低廉的鎳鎘康銅熱電偶進(jìn)行火焰檢測(cè)，鎳鎘康銅熱電偶可與電磁閥直接組合，實(shí)現(xiàn)熄火保護(hù)功能。當(dāng)熱電偶被加熱后，隨著溫度的升高產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，可維持電磁閥吸合；當(dāng)火焰熄滅后，溫度下降，熱電動(dòng)勢(shì)隨之下降，電磁閥釋放彈開(kāi)，切斷氣源。

3．2 光敏檢測(cè)

燃?xì)馊紵a(chǎn)生煙氣和放出熱量的同時(shí)，也產(chǎn)生可見(jiàn)的和不可見(jiàn)的光輻射，光敏檢測(cè)就是通過(guò)檢測(cè)這些光輻射來(lái)判斷火焰是否存在。根據(jù)火焰的光特性，火焰的輻射是具有離散光譜的氣體輻射和伴有連續(xù)光譜的固體輻射，其波長(zhǎng)為0．1～10μm或更寬的范圍。從火焰輻射波長(zhǎng)特性來(lái)看，光敏探測(cè)器可分為紅外探測(cè)器、可見(jiàn)光探測(cè)器和紫外探測(cè)器3種。由于紅外探測(cè)器和可見(jiàn)光探測(cè)器因熱源殘留輻射或受其他光源干擾而影響檢測(cè)效果，所以一般不采用。紫外探測(cè)器只對(duì)0．18～0．26μm狹窄范圍內(nèi)的紫外線(xiàn)產(chǎn)生響應(yīng)，對(duì)其他頻譜范圍的光線(xiàn)不敏感，利用它可以對(duì)火焰中的紫外線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)。

①紫外探測(cè)器

當(dāng)火焰的輻射作用到紫外探測(cè)器的探測(cè)管的陰極時(shí)，電子束放射出來(lái)。電子束作用到充滿(mǎn)紫外探測(cè)器的電離氣體，從而發(fā)射出更多的電子，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。更多的電子釋放出來(lái)，在陰極和陽(yáng)極之間產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)電子流。脈沖的頻率在探測(cè)器內(nèi)被轉(zhuǎn)換成電壓并傳輸給控制器。

紫外探測(cè)器使系統(tǒng)避開(kāi)了最強(qiáng)大的自然光源——太陽(yáng)造成的復(fù)雜背景，使得在系統(tǒng)中信息處理的負(fù)擔(dān)大為減輕，因此其可靠性較高。加之它采用光子檢測(cè)手段，因而信噪比高，具有極微弱信號(hào)檢測(cè)能力。此外，還具有反應(yīng)時(shí)間極快的特點(diǎn)^[2]。與紅外探測(cè)器相比，紫外探測(cè)器更可靠，且具有高靈敏度、響應(yīng)速度快和應(yīng)用線(xiàn)路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而正日益廣泛地應(yīng)用于燃燒監(jiān)控、放電檢測(cè)、紫外線(xiàn)檢測(cè)及紫外線(xiàn)光電控制裝置中。紫外探測(cè)器可采用固態(tài)物質(zhì)作為敏感元件，如碳化硅或硝酸鋁，也可使用充氣管作為敏感元件，如蓋革-彌勒管。

②光敏探測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)靈敏，抗干擾波長(zhǎng)信號(hào)能力強(qiáng)，可靠性好，檢測(cè)距離遠(yuǎn)；缺點(diǎn)是易老化，易損壞，壽命短，價(jià)格昂貴，不耐高溫。

3.3 離子檢測(cè)

離子檢測(cè)是利用火焰燃燒時(shí)產(chǎn)生的外層離子導(dǎo)電原理，外層離子導(dǎo)通電子電路的放大元器件，從而判定火焰狀態(tài)。利用離子檢測(cè)的電路很多，現(xiàn)介紹以下電路作為參考，見(jiàn)圖2。

變壓器TR1為電路提供穩(wěn)壓電源，另一端輸出245 V的交流電壓，經(jīng)過(guò)電容器C1，在電阻R1檢測(cè)火焰一端形成高電勢(shì)，R2、R3與三極管T1基極相連，T1導(dǎo)通。T2基極電壓因T1的導(dǎo)通而下降，處于截止?fàn)顟B(tài)，T3因此也屬于截止?fàn)顟B(tài)，檢測(cè)電路不工作。

當(dāng)火焰被點(diǎn)燃后，由于離子導(dǎo)通作用使R1端電壓下降，T1截止，T2基極電壓升高并導(dǎo)通，隨之T3導(dǎo)通，檢測(cè)電路處于工作狀態(tài)，繼電器K1動(dòng)作吸合，觸點(diǎn)將電壓輸出給電磁閥，電磁閥開(kāi)啟接通燃?xì)?。反之，?dāng)火焰熄滅后，電路恢復(fù)最初狀態(tài)，電磁閥關(guān)閉切斷燃?xì)狻?span lang="EN-US">

此電路利用燃燒時(shí)產(chǎn)生離子流的效應(yīng)，破壞電路的穩(wěn)定，從而使三極管導(dǎo)通，檢測(cè)到火焰狀態(tài)。此外，當(dāng)火焰探針接地短路時(shí)，變壓器TR1無(wú)效，即高壓端通過(guò)電容器C1接地，使變壓器TR1無(wú)效，即整個(gè)電路電源無(wú)效，檢測(cè)電路仍然不會(huì)導(dǎo)通。與其他以往的電路相比，能避免火焰探針接地而產(chǎn)生的誤操作。

離子檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，邏輯清晰，功能齊備，工作穩(wěn)定。由于采用的都是電子元器件，在價(jià)格上也相對(duì)便宜。但是離子檢測(cè)反應(yīng)快、靈敏度高，因此在抗干擾能力上比較欠缺，尤其當(dāng)火焰不穩(wěn)定時(shí)，電路也會(huì)隨之抖動(dòng)。解決方法是在信號(hào)處理過(guò)程中使用延時(shí)電路來(lái)屏蔽干擾信號(hào)^[3]。

3．4 復(fù)合式檢測(cè)

復(fù)合式檢測(cè)是將兩種或者兩種以上的火焰檢測(cè)技術(shù)同時(shí)應(yīng)用在一臺(tái)設(shè)備上，起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果。在之前我們進(jìn)行的商用灶具燃燒器研制過(guò)程中就應(yīng)用了該技術(shù)，即熱電偶和離子復(fù)合式火焰檢測(cè)。因?yàn)閷?duì)于燃燒器常明火檢測(cè)的要求很高，既要實(shí)時(shí)檢測(cè)到火焰狀態(tài)，又要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)及時(shí)輸出熄火報(bào)警信號(hào)，還要監(jiān)視火焰的溫度變化過(guò)程，所以要利用離子檢測(cè)反應(yīng)速度快和熱電偶檢測(cè)可視性強(qiáng)的特點(diǎn)，將兩種方式的火焰檢測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)上傳到中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。將離子檢測(cè)產(chǎn)生的抖動(dòng)信號(hào)過(guò)濾掉，同時(shí)設(shè)置熱電偶信號(hào)的檢測(cè)范圍，二者同時(shí)作用，取并聯(lián)的邏輯關(guān)系，最終輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。復(fù)合式火焰檢測(cè)技術(shù)起到了其他檢測(cè)技術(shù)不可替代的作用，增強(qiáng)了灶具的可靠性和安全性。

紫外、紅外探測(cè)器分別探測(cè)不同的光譜，只有當(dāng)2個(gè)探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到相應(yīng)的光譜時(shí)，紫外、紅外探測(cè)器才會(huì)有輸出，這樣就避免了單獨(dú)使用紫外或紅外探測(cè)器時(shí)，由于某些原因(如閃電、電弧焊等)引起的誤報(bào)警。

各種火焰檢測(cè)方式在響應(yīng)時(shí)間、可靠性、適用范圍、檢測(cè)對(duì)象、環(huán)境要求和價(jià)格方面都不相同。在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，可以靈活采用復(fù)合式檢測(cè)技術(shù)。在采用復(fù)合式檢測(cè)技術(shù)過(guò)程中，要分別針對(duì)每種方式的特性進(jìn)行分析處理，待結(jié)果出來(lái)后再進(jìn)行邏輯處理，避免由于各種檢測(cè)方式的采樣周期、數(shù)據(jù)類(lèi)型和模數(shù)轉(zhuǎn)換等因素不同影響最終的結(jié)果。

4 不同火焰檢測(cè)方式的適用場(chǎng)所

隨著火焰檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，各種檢測(cè)方式都有不同的特性和適用范圍，在不同的領(lǐng)域、不同的環(huán)境條件下，有著不同的標(biāo)準(zhǔn)和要求。燃?xì)庠罹咚幍沫h(huán)境多有蒸汽、油污、高溫等影響，提高火焰檢測(cè)設(shè)備的可靠性和疲勞耐久性是至關(guān)重要的。

光敏檢測(cè)適合用于粉塵較少、環(huán)境相對(duì)干凈、對(duì)火焰反應(yīng)速度要求高的場(chǎng)合，適用于商用燃?xì)庠罹?；熱電偶檢測(cè)多用于測(cè)試溫度高、煙塵較大、對(duì)火焰信號(hào)反應(yīng)不太靈敏的場(chǎng)合，適用于家用燃?xì)庠罹?；離子檢測(cè)因其價(jià)格便宜、反應(yīng)靈敏的特性，既可以用于商用燃?xì)庠罹撸部捎糜诩矣萌細(xì)庠罹?。總之，可以充分利用不同檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)，用于燃?xì)庠罹叩南ɑ鸨Ｗo(hù)，保障安全使用。

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本文作者：王宇

作者單位：北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所