燃氣灶具鍋溫檢測及補償的實驗研究

張思輝

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528305）

引言

燃氣灶具是人們日常生活中使用最頻繁的烹飪器具，市場上也出現了一些具有智能功能的燃氣灶具。例如：帶有煲湯功能、燒水功能、油炸功能、炒菜功能的智能灶具。這些智能灶具都是通過檢測鍋底的溫度，然后將溫度數據輸入到灶具控制器中，控制器根據鍋底溫度和溫度補償值的差值換算出鍋內溫度，并根據鍋內溫度自動調節燃氣灶爐頭火力大小或加熱時間等參數，從而實現控制各種功能的執行[1]。在實際產品應用中，烹飪時所需控制的溫度并不是鍋底的溫度，而是鍋內食材的溫度，控制程序通常需要獲取準確的鍋內食材的溫度，從而調節爐頭火力大小控制鍋內食材的溫度以達到最佳烹飪效果。通常在產品程序設計時，會將鍋底溫度傳感器檢測到的溫度值通過一定的溫度補償計算，換算為鍋內溫度。溫度補償值受不同鍋具材質、厚度的影響，也受爐頭結構的影響；當產品爐頭結構定型后，使用不同的鍋具時，其溫度的補償算法也應不一樣。為了實現燃氣灶具產品在使用不同鍋具時智能功能的精準運行，燃氣灶具控制器需要對不同類型的鍋具進行差異化溫度補償。

1 智能燃氣灶具測溫方案概述

1.1 智能燃氣灶具控制系統

智能燃氣灶具控制系統通常由鍋底溫度傳感器、控制器、燃氣閥三部分配合相應的結構組成。爐頭結構設置有鍋底溫度傳感器，鍋底溫度傳感器用于實時檢測的鍋底的溫度，溫度傳感器與控制器相連；控制器獲取溫度傳感器電信號后經A/D轉算成溫度值供程序邏輯處理。燃氣氣路通過燃氣閥用來執行控制器輸出的開度大小或者通過燃氣閥通斷時間間隔，調節輸出火力大小，從而控制加熱的溫度值。此控制調節過程為閉環調節，可以實現較為準確的溫度控制。智能燃氣灶控制系統如圖1所示。

1.2 溫度傳感器組件

目前智能燃氣灶具所使用的溫度傳感器組件多采用的是熱敏電阻溫度探頭，該探頭封裝在金屬鎧裝保護隔離殼體內，殼體與安裝支架通過彈性結構使溫度探頭與鍋底形成良好接觸實現測溫。由于應用于燃氣灶具的溫度傳感器需要布置在鍋底，四周都是火焰，通常選用溫度傳感器時需要考慮如下幾點[2]：①時間常數小，②額定功耗小，③電阻溫度系數大，④整體體積要小。

本文所使用的鍋底溫度傳感器組件采用了日本立山科學工業（株式會社）所生產的Si溫度傳感器，該溫度傳感器適用于智能燃氣灶具鍋底溫度檢測，并且集成了離鍋/座鍋檢鍋裝置，溫度傳感器組件結構如圖2所示。該傳感器組件還集成了鍋具檢測功能，使得當鍋在烹飪過程中被移開，火會變小，并且在鍋移開的情況下超過了預先設定的時間，火將會自動熄滅。

該溫度傳感器使用負溫度系數熱敏電阻，該傳感器具有檢測溫度范圍寬、精度高、反應快等優點，其參數如表1所示。

表1 溫度傳感器參數

鍋底溫度通過傳感器組件上的導熱板傳導至熱敏電阻本體，熱敏電阻的電阻值會根據溫度的變化而產生變化；熱敏電阻與控制器分壓電路相連接，溫度采樣電路如圖3所示。分壓之后的電壓信號經過濾波后輸入進單片機進行A/D轉換，A/D轉換的過程是首先對輸入的模擬電壓信號取樣，取樣結束后進入保持時間，在這段時間內將取樣的電壓量化為數字量，并按一定的編碼形式給出轉換結果[3]。控制器程序獲取轉換結果后，通過查表的方法得出A/D值相對應的溫度值供程序邏輯處理。

1.3 控制程序處理

在智能燃氣灶具產品開發應用中，單片機程序所獲取的溫度值是鍋底的轉換溫度值，而通常程序邏輯功能執行所要的是鍋內的食材的溫度值。在具體的產品開發中，當燃氣灶具結構開發定型后，可以通過對整機進行模擬功能測試，將鍋底實際溫度-鍋底轉換溫度-鍋內溫度三者間相對應的比例或線性關系，轉化為控制程序中對鍋底溫度采樣結果的補償值。該補償值通常通過測試得出，然后將其數值固化寫入到單片機的存儲單元中，控制器程序運行時可根據不同的功能調用相對應的補償值參數，從而實現對鍋內溫度的精準判斷。例如：控制器程序在執行煲湯功能時，需要準確判斷鍋內水溫到達沸騰狀態。準確的判斷出烹飪對象的沸騰狀態后，燃氣灶將自動調小火力，并按預設沸騰后仍需加熱的時間作業，時間到即自動關火[4]。否責會造成水未燒開就進入下一階段或水燒開后一直不進入下一階段的情況，造成了燃氣灶具智能烹飪功能異常。

早期的灶具控制器程序都是按照固定的溫度補償值對鍋底轉換溫度進行補償，由于客戶在烹飪時會使用不同類型的鍋具，各種鍋具傳熱效果都不一樣；這樣在實際產品應用時，控制器程序都是按照同一個溫度補償值對鍋底轉換溫度進行補償，因此在這種情況下，很容易造成燃氣灶具烹飪功能異常。

因此為了防止由于溫度檢測偏差造成智能烹飪功能異常，需對燃氣灶具鍋內溫度值進行更加準確及精細化的補償運算。本文所采用的溫度補償方法其流程為：①獲取設置功能模式，②獲取鍋具參數，③獲取鍋底轉換溫度，④獲取溫度補償值，⑤計算鍋內溫度值。溫度補償程序流程如圖4所示。

2 不同鍋具測溫數據

用戶所使用的鍋具種類非常的多，而且國家也沒有對鍋具進行標準化，鍋具按材質分有金屬鍋如：鐵鍋、鋁鍋、不透鋼鍋、復合材料鍋等，按使用功能分還有陶瓷鍋、石英鍋、砂鍋等，而且每種鍋的厚度、重量也不一樣。

本文選取了市面上比較常見的3種鍋具，分別是鐵鍋（2 mm厚，鍋重2.5 kg）、不銹鋼鍋（0.8 mm，鍋重1 kg）、陶瓷鍋(鍋重3 kg)，鍋內均放入2 L、50 ℃的水進行測試。測試方案將測溫熱電偶探頭分別布置于鍋底溫度傳感器表面、鍋內水面30 mm以下，并通過萬用表監控熱敏電阻阻值的變化（通過R/T轉換為溫度值），萬用表測量R/T轉換速率為0.1 s/次。測試方案如圖5所示。

通過在燃氣灶具灶臺上模擬實際燃燒工況條件測試，得出相應的鍋底實際溫度-鍋底轉換溫度-鍋內溫度數據。通過對以上三者溫度間的關系，可以看出每種鍋具由于材料傳熱特性以及厚度參數不同，鍋底溫度傳感器所獲得的溫度，與實際鍋內食材的溫度有一定的關聯性，其關系基本上為線性。不同鍋具測試數據如表2所示。通過測試出不同鍋具的溫度補償值，使得控制器程序可以根據所使用鍋具對應不同的溫度補償值，這樣使得燃氣灶具智能功能更加可靠穩定的執行，減少智能烹飪過程產生的異常。

表2 不同鍋內測試數據表

表2 不同鍋內測試數據表（續）

3 結束語

當燃氣灶具的爐頭結構及性能參數確認后，通過測試可以得出不同鍋具加熱的鍋底轉換溫度-鍋內溫度數據表，根據以此數據即可生成溫度補償值數據表，并將該數據儲存至控制器MCU內部FLASH或EEPROM中保存。當用戶在使用智能功能時，可以根據實際使用鍋具的類型，在程序設置中選擇相應的鍋具參數；這樣可以使控制程序在運行時獲取到相應鍋具的溫度補償值，更準確的獲取食材溫度，從而使得最終的烹飪效果更好，產品更加智能化。該方法簡單、可靠、易實現，容易推廣應用。