溫度傳感器在家用燃氣灶的應用研究

張煜圣 周亮 莫志邦 孔美陽

摘要：通過分析帶溫度傳感器的大氣式燃氣灶的加熱過程，根據傳熱學原理，分析熱輻射和對流傳熱對溫度傳感器的影響，找出提高溫度傳感器測量準確度與可靠性的可行方法：設計向外直流的燃燒器、帶文丘里管結構的二次空氣通道、隔熱環等結構，降低工作狀態下的燃燒器對溫度傳感器熱影響。

關鍵詞：溫度傳感器，文丘里管，隔熱環，負壓區

Research On the Aapplication of Temperature Sensor in Domestic Gas Stove

ZHANG Yusheng1 ZHOU Liang2 MO Zhibang3 KONG Meiyang4（1、2、3.Guangdong Vanward New Electric Co.，Ltd. 528305；4.China Household Electric Appliance Research Institute，100037）

Abstract：By analyzing the heating process of the atmospheric gas stove with temperature sensor， according to the principle of heat transfer， the influence of heat radiation and convective heat transfer on the temperature sensor is analyzed， and a feasible method to improve the measurement accuracy and reliability of the temperature sensor is found： design direction The external DC burner， the secondary air passage with the venturi structure， and the insulation ring reduce the thermal influence of the burner on the temperature sensor under working conditions.

Keywords：Temperature sensor， Venturi tube，insulation ring，negative pressure zone

1、引言

隨著生活水平的提高，人們對于廚電產品的功能性要求已經發生了一些改變。除了要有更強的功能之外，它還需要有更高的安全性與易操作性，而在現有家用燃氣灶具的使用過程中，無法根據鍋具的溫度來判斷控制灶具的火焰大小或關閉氣閥，只有通過人工來操作，用戶忘記關火的情況下，就容易出現因鍋具溫度過高而引起火災，特別是當鍋發生干燒時。因此通過在家用燃氣灶的增加防干燒溫度傳感器，來避免安全事故的發生，為家用燃氣灶未來發展的主要方向，因此溫度傳感器在家用燃氣灶應用的測量準確度與穩定性尤為重要。

2、防干燒燃氣灶的工作原理

溫度傳感器設置在燃燒器中間灶具上的鍋具底部，溫度傳感器在不同溫度下有固定對應的阻值，當溫度發生變化時，溫度傳感器內阻值隨著溫度的升高而降低，灶具控制器基于溫度傳感器的R/T表把內阻值轉換為溫度值來進行判斷，當溫度值超過設定值，控制器關閉灶具內部的電磁閥切斷氣源，從而實現超溫保護的功能，避免用戶忘記關火而導致鍋具溫度過高而引起火災事故。傳感器所測得的溫度與鍋底實際溫度的差值是衡量溫度傳感器測量準確度與穩定性的關鍵指標。我們以溫渡傳感器、燃燒器和試驗用鍋作為研究分析對象，防干燒燃氣灶結構示意如圖1所示。

大氣式防干燒燃氣灶加熱過程中，對傳感器的傳熱主要有傳導、對流和輻射三種方式。主要為鍋和水對傳感器的直接傳熱；煙氣對傳感器的對流傳熱Q2與煙氣和燃燒器對傳感器的輻射傳熱Q3，溫度傳感器獲得的熱總量為Q，根據傳熱學原理可得，

在相同時間內，要減少對流傳熱Q2，可以通過降低傳熱系數h，減少傳熱面積A，降低火焰外焰溫度T來實現。

3.1.1 降低對流傳熱系數h

它和煙氣物性，煙氣流動狀態（層流和湍流）以及傳感器的形狀大小有關。湍流對流傳熱系數大于層流對流傳熱系數，因此降低高溫煙氣的湍流程度，如避免旋轉流或交叉流等，可以降低對流傳熱系數。

3.1.2 減少傳熱面積

在不影響正常使用的情況下，可以通過在傳感器頭部增加隔熱環來避免溫度傳感器與高溫煙氣的直接接觸，從而有效減少傳熱面積。

3.1.3 降低煙氣溫度

在燃氣成分一定與燃燒功率一定的情況下，火焰溫度與過剩空氣系數緊密相關。對于大氣式燃氣灶，其過剩空氣系數受一次空氣量和二次空氣量的影響。一次空氣量決定于燃燒器引射結構，一次空氣量越大，燃燒速度越快，煙氣溫度越高。反之則煙氣溫度越低，但熱效率也會降，因此在不影響熱效率的前提下，可以局部增加燃燒器中心二次空氣量方式來降低溫度傳感器周圍的煙氣溫度。

3.2 減少燃燒器與煙氣輻射傳熱Q3

火焰一般由雙原子氣體（N2、O2、CO）、三原子氣體（CO2、H2O、SO2）和懸浮固體粒子（炭黑、飛灰、焦炭粒子）所組成。其中N2和O2對熱輻射是透明的，CO等的含量一般很低，因此火焰中具有輻射熱傳能力的成分主要是H2O、CO2和各種懸浮的固體粒子。在理想氣源的情況下，根據傳熱學原理，H2O、CO2和燃燒器對溫度傳感器的輻射熱主要與溫度傳感器受輻射面積、煙氣溫度和燃燒器溫度有關。與高溫煙氣對溫度傳感器的對流傳熱Q2原理相同，通過減少受輻射面積和降低煙氣溫度、燃燒器溫度均可降低對溫度傳感器的輻射傳熱Q3。

4、結構研究與試驗驗證

綜合以上分析的提高溫度傳感器的測量準確度與穩定性的方法，我們設計了多款不同結構的燃燒器，并對樣機進行了反復的測試和試驗。

降低對流傳熱系數：將燃氣灶燃燒器火蓋設計成了向外直流結構，其出火孔與水平面成一定夾角，沿火蓋圓周均勻向外布置，見圖2。

當燃氣以一定壓力經噴嘴噴出，帶入空氣進入爐頭引射腔混合后經過火蓋的出火，以一定的夾角和速度噴出，在燃燒時，燃燒器中心形成負壓力，促使不斷從燃燒器中心吸入二次空氣，加速燃氣的再混合并推動高溫煙氣向外向上流動，避免高溫煙氣倒流影響到溫度傳感器對鍋底溫度的測量。

為了判斷兩種結構對溫度傳感器的影響，在相同條件下，以溫度傳感器分別在水燒開1分鐘時測得的溫度值T1與水燒開5分鐘時測得的溫度值T2作為對比依據，T1與T2的差值為溫度傳感器的不穩定性，代表著測量精度差。經過裝成整機測試，與傳統的旋流燃燒器對比，直火燃燒器比旋流燃燒器的T1與T2的差值更小，因此對溫度傳感器的影響更小。對比數據見表1。

降低高溫煙氣與燃燒器對溫度傳感器的熱影響。現有傳統的燃燒器，二次空氣通道主要設置在燃燒外環燃氣通道上，二次空氣從燃燒器中心補充較少并且流速慢，導致燃燒器中心形成高溫區，對設置在燃燒器中心的溫度傳感器影響較大，因此我們通過減少外環燃燒通道上的二次進風孔面積，增加燃燒器中心二次空氣進孔面積，來增加從燃燒器中心二次空氣流量，并且將燃燒器中心二次空氣進風孔設計成末端收縮的文丘里管結構，來制造低壓，提高二次空氣流速。圖3為改進前燃燒器工作示意圖，圖4為改進后燃燒器工作示意圖。

為了判斷兩種結構對溫度傳感器的影響，在相同條件下，以溫度傳感器在水燒開5分鐘時測得的溫度值T1與溫度傳感器外表面溫度T2作為對比依據，對比數據見表2。

通過測試對比發現，燃氣灶工作時，燃燒所需二次空氣主要通過燃燒器中心的二次空氣進風孔通道補充，直接補充到火焰根部，保證了火焰的穩定性，同時，新鮮的二次空氣溫度相對較低，源源不斷的對燃燒器中心區域進行冷卻，并且末端收縮的二次空氣通道，提高了二次空氣流速，使溫度傳感器周邊溫度降低，對溫度傳感器的熱影響更小。

為減少傳熱面積。通過在溫度傳感器頭部增加隔熱環。隔熱環與溫度傳感器之間留有2-3mm間隙，間隙里的空氣相當于第二道的隔熱層，避免從側面對溫度傳感器直接傳熱，減少傳熱面積，并且隔熱環采用亮面不銹鋼材質，對外部的輻射熱可以起到反射的作用。圖5為帶隔熱環的溫度傳感器結構示意圖。

在相同條件下，以溫度傳感器分別在水燒開1分鐘時測得的溫度值T1與水燒開5分鐘時測得的溫度值T2作為對比依據，經裝成整機測試，增加隔熱環后T1與T2的差值更小，因此對溫度傳感器的測量穩定性更好，測量精度更高，對比數據見表3。

5、結語

本文通過對大氣式防干燒燃氣灶燃燒加熱過程進行深入分析，利用傳熱學原理分析影響溫度傳感器測量的關鍵因素，通過反復的測試試驗，得出實際可行的提高溫度傳感器測量準確度和穩定性的各種方法。

設計向外直流燃燒器在燃燒時，燃燒器中心形成負壓力，促高溫煙氣向外向上流動，避免高溫煙氣倒流，而影響到溫度傳感器的對鍋底溫度的測量。設計文丘里管結構的二次空氣通道，提高二次空氣流速，使溫度傳感器周邊溫度更低，對溫度傳感器的熱影響更小。同時，在溫度傳感器頭部增加隔熱環，避免從側面對溫度傳感器的直接傳熱，三者結合，可以顯著提高溫度傳感器的測量準確度與穩定性。經過應用到我司產品上，產品的可靠性、安全性大幅度提高，產品已申請多項國家專利。

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