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燃气灶安全保护装置

2018-10-09  永保记忆

      随着人民生活质量的不断提高,消费者对产品的可靠性、实用性及安全性等各个方面有了更高的要求,特别是对家用燃气灶具在使用中的安全问题正越来越受到消费者的关注和重视。我国在2000年8月份也对家用燃气灶具的标准进行了更改,强制性的规定了自2001年2月1日起嵌入式燃气灶具必须安装有熄火安全保护装置。因此,带有熄灭火安全保护装置的家用燃气灶具将成为今后发展的必然趋势。早在98年以前,我国的一些燃气灶生产厂家已开始在燃气灶上安装熄火安全保护装置,主要有两种保护形式,一种为热敏式安全保护装置,一种为热电式安全保护装置。目前,在家用燃气灶上可采用的安全保护装置除了以上两种方式外还包括有光电式及离子感应(焰)等多种方式。但综观国内外的燃气灶具,所采用的熄火安全保护装置不外乎三种形式,除了以上的热敏式和热电式外,还有一种为离子感应(焰)式安全保护装置。在采用方式上,国外的灶具普遍采用了热电式安全保护装置,而离子感应(焰)式目前还只见于国内的一些大厂在使用。下面就对以上常见的三种保护方式作一些介绍。

      一、双金属片式(又称热敏式)

      采用双金属片作为燃气灶上的安全保护装置是利用燃气在燃烧时产生的热能。双金属片式的安全保护装置由特制成形的双金属片和燃气阀组成,结构见图1。(见图1)

      双金属片是由两种不同膨胀系数的金属制合而成,在温度的作用下,膨胀系数大的金属一面会向膨胀系数小的金属一面弯曲,当失去温度时,原已膨胀弯曲的金属又会慢慢的恢复到原来的状态,因此双金属片又称为记忆合金。将双金属片用在燃气灶上作安全保护装置的传感器件使用正是利用了双金属片在温度的作用下膨胀弯曲的这一特性。

      双金属片式保护控制在燃气灶上的应用:利用双金属片的受热弯曲特性,将特制成形的双金属片安装在燃气灶的燃烧器附近,使燃气在燃烧时火焰能接触到双金属片,将燃气阀安装在燃气灶的旋塞阀内控制燃气的通路,在双金属片与燃气阀间用传动机构连接。当需工作时,按压燃气灶的旋塞阀并旋转,旋塞阀内的顶杆将燃气阀顶开,燃气阀的阀杆1被内部的磁铁吸合,燃气通路被打开,燃气释放到燃烧器后被点火火花点燃,燃烧时的火焰使双金属片受热后膨胀弯曲,双金属片的弯曲力通过传动机构拉动阀杆2使内套筒向后移动,当内套筒在向后移动时将阀杆1与磁铁拉脱,交将阀杆1定位在开阀状态,保证燃气灶的正常燃烧。当燃气灶发生意外熄火时,双金属片因无火焰加热而慢慢的冷却复位,燃气阀在弹簧力的作用下将燃气通路关闭,不让燃气外泄,达到了安全保护的目的。

      双金属片保护装置的优点是结构简单,成本低。但其缺点是安装困难,对双金属片的安装位置及旋塞阀和燃气阀的配合都有很高的要求,且热惰性大,开阀及闭阀的时间较长,使用寿命短。

      二、热电式

      将热电子式作为燃气灶上的安全保护装置同样也是利用了燃气燃烧时产生的热能

      热电式熄火安全保护装置由热电偶和电磁阀两部分所组成(见图2)。

      热电偶是由两种不同的合金材料组合而成,最常见和常用到的有镍(Ni)鉻(Cr)合金的极性为正,镍(Ni)硅(Si)合金的极性为负。不同的合金材料在温度的作用下会产生不同的热电势,热电偶正是利用不同合金材料在温度的作用下产生的热电热不同制造而成,它利用了不同合金材料的电热差值。所以热电偶也是一个热传感器,它将热气灶上作熄火安全保护使用也是根据热电偶的这一原理特性设计的。

      这种安全保护装置的原理是当热电偶被火焰加热后产生一个热电势,此热电势在通过和相连接的电磁阀的回路时产生电流,产生在电流激励电磁阀磁体产生磁性,从而完成电磁阀的开阀动作。

      此种安全保护装置在燃气灶上实现比较简单,它是将电磁阀固定在燃气灶的旋塞阀内控制燃气通路,热电偶固定在燃气灶的燃烧器附近,热电偶的引线与电磁阀绕组连接,需要工作时,按压旋塞阀并旋转,在按压旋塞阀时旋塞阀内的顶杆将电磁阀顶开,当燃气释放到燃烧器时被点火火花点燃,但因热电偶的惯性作用,在燃气被点燃后还需要按压住旋塞阀保持电磁阀的开阀状态,等到被加热的热电偶所产生的热电动势足以维持电磁阀的吸合状态时才能松开旋塞阀,保持燃气灶的正常工作,此按压时间大约为3S-5S。当燃气灶在正常工作中发生意外熄火现象时,热电偶因无火焰加热而慢慢冷却,热电势也随之慢慢下降直至消失,电磁阀因无激励电流而失去磁性在弹簧力的作用下复位,从而将燃气通路关闭,不让燃气外泄达到了安全保护的作用。

      热电式安全保护装置因其结构简单,安装方便,成本低目前已被得到广泛应用。但此种保护装置以热电偶作为热传感器,其缺点是热惰性大、反应速度慢(开、闭电磁阀的时间较长),使用寿命短,且旋塞阀与电磁阀的配合安装精度要求较高。

      三、离子感应(焰)式

      离子感应(焰)式作为燃气具的安全保护装置是利用燃气在燃烧时火焰带有离子并具有单向导电特性。这种安全保护方式最早被应用在燃气热水器上,并已由早期的直流感应发展到现在的交流感应,使可靠性得到了大幅度的提高,应用在灶具上还只有三、四年的历史。

      离子感应(焰)式安全保护装置是由电子器件构成所需功能的电路配合执行元件(电磁阀)及感应元件(火焰探测针)所验成。由于离子感应(焰)需要有电子元件构成的电路来控制电磁阀完成其安全保护功能,所以人们在设计电路时,把燃气灶所必需的点火功能电路和安全保护功能电路结合在一起,作为燃气灶的控制系统,本文介绍的离子感应(焰)安全保护装置除带有熄火安全保护功能及点火功能外还增加了回火保护功能,使灶具的安全保护功能更具完善性。离子感应(焰)式安全保护装置的控制系统外形结构见图3。(见图3)

      1、控制系统及主要技术指标

      系统所需功能的控制电路可由分列电子元件(晶体管、电阻、电容、线圈等)组成,也可用相应集成电路(IC)配以分列电子元件组成,本文所介绍的控制系统电路得以单片机作为控制核心,配以分列电子元件构成。采用单片机的优点是电路简洁(外围元件少),控制精确,可靠性高。

      该控制系统比普通的燃气灶增加了控制电路、电磁阀、火焰探测针和火控测针。系统控制过程如图4所示,即在工作时,由单片机先输出控制信号触发点火控制电路、火焰检测反馈电路及回火检测反馈电路工作,0.5S后单片机输出控制信号给电磁阀驱动电路将电磁阀打开,通过火焰检测反馈电路及回火检测反馈电路对火焰进行检测,检测的结果反馈给单片机,单片机根据输入的火焰检测信号控制电磁阀的开、闭动作,从而保证了燃气灶在发生意外熄火及回火状态时的控制系统能及时的关闭电磁阀,节断燃气通路,避免了因熄火及回火时引发的安全事故,达到了保护的目的。(见图4)

      在控制系统中增加回火安全保护功能的目的主要是:

      ①考虑到我国的燃气气源成份比较复杂,燃气的热值降低会引起灶具的回火;

      ②在使用中燃气气源的压力波动会引起灶具的回火;

      ③用户的使用不当引起的灶具回火(如风门的调节不当等因素)。

      系统主要技术指标:

      ①等效火焰内阻设定值:20MΩ

      ②离焰延时关阀时间:6S±1S

      ③回火关阀时间:<2S

      ④火焰感应针对地具有开路、短路、残火及漏电保护功能。

      ⑤回火感应针对地具有短路及漏电保护功能。

      ⑥其它性能符合QB/T2365-98企标CJ/T3074-98国家建设部标准要求

      2、系统结构原理

      控制系统的核心芯片采用了美国微晶公司的8位单片机,该单片机具有抗干扰能力强,运行速度快,性能稳定等优点。系统的硬件结构由单片机配以电源电路,点火控制电路,火焰检测反馈电路,回火检测反馈电路,离焰延时电路,电磁阀驱动电路,晶体振荡电路及复位电路等组成。图5是该系统结构示意图。(见图5)

      ①点火控制电路

      如图6所示为双路点火控制电路。该点火控制电路由单片机,三极管Q1、Q2、Q3、Q4,脉冲变压器T1、高压包B1、B2,可控硅M1、M2及二极管D3高压电容C2等元器件组成。需要点火时,单片机输出一控制信号触发三极管Q1饮和导通,由T1及Q2组成的电感三点式自激振荡电路得电起振工作,工作后在T1的次级感应出一个约180V 交流脉冲电压,此电压经二极管D3整流后给C2充电,在C2上的充电电压为上正下负。当单片机在触发Q1的同时也将触发信号加到了Q3(Q4)上,电路起振后当T1次级绕组抽头上的感应电压大于稳压管ZD1的击穿电压值时,ZD1被击穿导通,此导通电压经Q3(Q4)的E、C电极加到可控硅M1(M2)的控制电极(G)上,可控硅被触发导通,可控硅导通后储存在电容C2上的电能经B1(B2)的次级绕组上感应出一个大约为12kV-18kV的点电压,该点火电压通过高压连接线加在安装在燃气灶燃烧器上的点火针上产生点火火花,从而完成给燃气灶点火的功能。该点炎电路具有结构简洁,线路成熟,点火稳定,点火能量大等优点,而且设计巧妙,两路点火控制电路共用了一个振荡电路。(见图6)

      ②火焰检测反馈电路

      如图7所示,焰检测反馈电路由单片机,三级管Q5、Q6,就压管T2及IC1等元器件组成。当工作时单片机在给点火控制电路信号的同时也把触发信号加到了Q5的基极,使Q5饱和导通,由Q6及T2组成的电感三点式自激振荡电路得电起振工作,振荡电路工作后在T2的次级绕组上感应出一个约150V的交流脉冲电压,此电压的一端通过电容C6和电阻R15后由连接导线连接到安装在燃烧器旁的火焰探测针上,当燃气被点燃燃烧时,因火焰本身所具有的单向导电特性(二级管特性),通过C6及R15加到火焰探测针上的交流脉冲电压被火焰整流,整流后产生的离子电流给电容C7充电,在C7上形成一个下正上负的充电电压,C7上端的负电压通过R17加到IC1比较器的负端上,使IC1比较器的负端电位低于正端电位,迫使IC1比较器反转,由原来输出的低电平反转为高电平,再将此高电平信号送到单片机的火焰信号检测输入口上。(见图7)

      当燃气灶意外熄火时,通过C6及R15加到火焰探测针上的150V交流脉冲电压呈现开路状态,IC1比较器的负端由于R19的作用而使电位高于比较器的正端,迫使IC1比较器反转,由原来的高电平反转为低电平状态,输出的低电平信号送到单片机的火焰信号检测输入口上。当火焰探测针发生严重漏电或火焰探测针与机体短路时,T1次级绕组上的150V交流脉冲电压通过R15及C7构成回路,因电容的线性对交流电短路,IC1比较器的负端由于R19的作用而高于正端电位,使比较器反转,输出低电平,此低电平信号输入到单片机的火焰信号检测口上,这样,单片机通过火焰信号检测输入端电平的高低就可判别火焰的有无。本电路由于采用了交流火焰检测方法,提高了火焰检测的可靠性,防止了控制误动作的发生。

      ③回火检测反馈电路

      如图8,从图中可以看到回火检测电路的振荡部分电路与火焰检测的振荡部分电路共用,回火检测的原理与火焰检测相同,所以在此不再累述。此电路在设计上让火焰检测反馈电路和回火检测反馈电路共用了一个振荡电路,简化了线路的设计,使电路的结构更简洁。(见图8)

      ④离焰延时电路

      加设离焰延时电路的目的是为了防止控制系统在正常工作中受外界环境因素影响引起误动作而设计的。因燃气灶的使用环境比较复杂,如因风吹引起火焰飘离的假熄火状态等,为了控制系统不受外界环境的干扰引起误动作,保证燃气灶的正常使用,在电路中加设离焰延时电路是有必要的。离焰延时电路的作用是当火焰因风吹等原因飘离火焰探测针时,控制系统在保持开阀状态的同时开始自动计时,当计时到6S±1S内回复到火焰探测针上,控制系统就保持燃气灶的正常燃烧。离焰延时电路由单片机的I/O口根据输入的火焰检测信号在单片机内部自动运算完成。

      ⑤电磁阀驱动电路

      如图9所示,电磁阀驱动电路由片机及三极管Q7、Q8等元器件组成。电磁阀驱动电路由单片机控制只有当单片机接收到的点火信号,火焰检测反馈信号,回火检测反馈信号全部有效时电磁阀才能保持开阀状态。本控制系统采用的是低电压自吸式电磁阀,此电磁阀有强吸和维持两组线圈,当需要工作时,控制系统在供给维持绕组电压的同时也在强吸绕组上加了一个脉宽为0.5S的强吸电压,此强吸电压迫使电磁阀强行吸合,吸合后由维持绕组上的电压保持电磁阀的吸合状态。采用此种方式控制节约了电能,降低了功耗,使电路的稳定性得到了提高。(见图9)

      ⑥其它电路

      在系统硬件结构中还包括有电源电路,晶体振荡电路,复位电路等其它电路,这些电路均是控制系统中的常用电路,原理非常简单,在这里不再一一累述。

      3、系统软件

      系统控制软件的流程框图如图10所示。应用程序用在线仿真器开发。编写应用程序时综合的考虑到在实际使用状态中外界环境的干扰因素,在程序上进行了优化。加强了电路的抗干扰性能,同时在软件中增加了电路的自检功能,为安全使用和维修提供了极大的方便。(见图10)

      离子感应(焰)式安全保护装置具有结构简单、安装方便、可靠性高、响应速度快、无热惯性、一致性好、寿命长及成本低等优点。其缺点是需要有电压源才能工作。

      四、结束语

      综上所述,在燃气灶上采用离子感应(焰)方式的安全保护装置具有结构简洁、安装方便、灵敏度度、响应速度快、无热惯性、可靠性高、功能多、寿命长及成本低等优点。随着消费者对燃气灶在使用中安全问题的关注和重视,可以肯定这是一种很有前途的安全保护装置。如果在此基础上再增加燃气泄漏报警功能,风机联动功能,必将为今后安全燃气灶的发展开创一个崭新时代。

      参考文献:

      1、《单片机与家用电器智能化技术》电子工业出版社出版

      2、《家用燃气燃烧器具电子控制器》中国标准出版社出版

      3、《热电式燃具熄火保护装置》中国标准出版社出版

      4、《家用燃气灶》中国标准出版社出版

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