隨著人民生活質量的不斷提高，消費者對產(chǎn)品的可靠性、實用性及安全性等各個方面有了更高的要求，特別是對家用燃氣灶具在使用中的安全問題正越來越受到消費者的關注和重視。我國在2000年8月份也對家用燃氣灶具的標準進行了更改，強制性的規(guī)定了自2001年2月1日起嵌入式燃氣灶具必須安裝有熄火安全保護裝置。因此，帶有熄滅火安全保護裝置的家用燃氣灶具將成為今后發(fā)展的必然趨勢。早在98年以前，我國的一些燃氣灶生產(chǎn)廠家已開始在燃氣灶上安裝熄火安全保護裝置，主要有兩種保護形式，一種為熱敏式安全保護裝置，一種為熱電式安全保護裝置。目前，在家用燃氣灶上可采用的安全保護裝置除了以上兩種方式外還包括有光電式及離子感應(焰)等多種方式。但綜觀國內外的燃氣灶具，所采用的熄火安全保護裝置不外乎三種形式，除了以上的熱敏式和熱電式外，還有一種為離子感應(焰)式安全保護裝置。在采用方式上，國外的灶具普遍采用了熱電式安全保護裝置，而離子感應(焰)式目前還只見于國內的一些大廠在使用。下面就對以上常見的三種保護方式作一些介紹。
一、雙金屬片式(又稱熱敏式)
采用雙金屬片作為燃氣灶上的安全保護裝置是利用燃氣在燃燒時產(chǎn)生的熱能。雙金屬片式的安全保護裝置由特制成形的雙金屬片和燃氣閥組成，結構見圖1。(見圖1)
雙金屬片是由兩種不同膨脹系數(shù)的金屬制合而成，在溫度的作用下，膨脹系數(shù)大的金屬一面會向膨脹系數(shù)小的金屬一面彎曲，當失去溫度時，原已膨脹彎曲的金屬又會慢慢的恢復到原來的狀態(tài)，因此雙金屬片又稱為記憶合金。將雙金屬片用在燃氣灶上作安全保護裝置的傳感器件使用正是利用了雙金屬片在溫度的作用下膨脹彎曲的這一特性。
雙金屬片式保護控制在燃氣灶上的應用：利用雙金屬片的受熱彎曲特性，將特制成形的雙金屬片安裝在燃氣灶的燃燒器附近，使燃氣在燃燒時火焰能接觸到雙金屬片，將燃氣閥安裝在燃氣灶的旋塞閥內控制燃氣的通路，在雙金屬片與燃氣閥間用傳動機構連接。當需工作時，按壓燃氣灶的旋塞閥并旋轉，旋塞閥內的頂桿將燃氣閥頂開，燃氣閥的閥桿1被內部的磁鐵吸合，燃氣通路被打開，燃氣釋放到燃燒器后被點火火花點燃，燃燒時的火焰使雙金屬片受熱后膨脹彎曲，雙金屬片的彎曲力通過傳動機構拉動閥桿2使內套筒向后移動，當內套筒在向后移動時將閥桿1與磁鐵拉脫，交將閥桿1定位在開閥狀態(tài)，保證燃氣灶的正常燃燒。當燃氣灶發(fā)生意外熄火時，雙金屬片因無火焰加熱而慢慢的冷卻復位，燃氣閥在彈簧力的作用下將燃氣通路關閉，不讓燃氣外泄，達到了安全保護的目的。
雙金屬片保護裝置的優(yōu)點是結構簡單，成本低。但其缺點是安裝困難，對雙金屬片的安裝位置及旋塞閥和燃氣閥的配合都有很高的要求，且熱惰性大，開閥及閉閥的時間較長，使用壽命短。
二、熱電式
將熱電子式作為燃氣灶上的安全保護裝置同樣也是利用了燃氣燃燒時產(chǎn)生的熱能。
熱電式熄火安全保護裝置由熱電偶和電磁閥兩部分所組成(見圖2)。
熱電偶是由兩種不同的合金材料組合而成，最常見和常用到的有鎳(Ni)鉻(Cr)合金的極性為正，鎳(Ni)硅(Si)合金的極性為負。不同的合金材料在溫度的作用下會產(chǎn)生不同的熱電勢，熱電偶正是利用不同合金材料在溫度的作用下產(chǎn)生的熱電熱不同制造而成，它利用了不同合金材料的電熱差值。所以熱電偶也是一個熱傳感器，它將熱氣灶上作熄火安全保護使用也是根據(jù)熱電偶的這一原理特性設計的。
這種安全保護裝置的原理是當熱電偶被火焰加熱后產(chǎn)生一個熱電勢，此熱電勢在通過和相連接的電磁閥的回路時產(chǎn)生電流，產(chǎn)生在電流激勵電磁閥磁體產(chǎn)生磁性，從而完成電磁閥的開閥動作。
此種安全保護裝置在燃氣灶上實現(xiàn)比較簡單，它是將電磁閥固定在燃氣灶的旋塞閥內控制燃氣通路，熱電偶固定在燃氣灶的燃燒器附近，熱電偶的引線與電磁閥繞組連接，需要工作時，按壓旋塞閥并旋轉，在按壓旋塞閥時旋塞閥內的頂桿將電磁閥頂開，當燃氣釋放到燃燒器時被點火火花點燃，但因熱電偶的慣性作用，在燃氣被點燃后還需要按壓住旋塞閥保持電磁閥的開閥狀態(tài)，等到被加熱的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢足以維持電磁閥的吸合狀態(tài)時才能松開旋塞閥，保持燃氣灶的正常工作，此按壓時間大約為3S-5S。當燃氣灶在正常工作中發(fā)生意外熄火現(xiàn)象時，熱電偶因無火焰加熱而慢慢冷卻，熱電勢也隨之慢慢下降直至消失，電磁閥因無激勵電流而失去磁性在彈簧力的作用下復位，從而將燃氣通路關閉，不讓燃氣外泄達到了安全保護的作用。
熱電式安全保護裝置因其結構簡單，安裝方便，成本低目前已被得到廣泛應用。但此種保護裝置以熱電偶作為熱傳感器，其缺點是熱惰性大、反應速度慢(開、閉電磁閥的時間較長)，使用壽命短，且旋塞閥與電磁閥的配合安裝精度要求較高。
三、離子感應(焰)式
離子感應(焰)式作為燃氣具的安全保護裝置是利用燃氣在燃燒時火焰帶有離子并具有單向導電特性。這種安全保護方式最早被應用在燃氣熱水器上，并已由早期的直流感應發(fā)展到現(xiàn)在的交流感應，使可靠性得到了大幅度的提高，應用在灶具上還只有三、四年的歷史。
離子感應(焰)式安全保護裝置是由電子器件構成所需功能的電路配合執(zhí)行元件(電磁閥)及感應元件(火焰探測針)所驗成。由于離子感應(焰)需要有電子元件構成的電路來控制電磁閥完成其安全保護功能，所以人們在設計電路時，把燃氣灶所必需的點火功能電路和安全保護功能電路結合在一起，作為燃氣灶的控制系統(tǒng)，本文介紹的離子感應(焰)安全保護裝置除帶有熄火安全保護功能及點火功能外還增加了回火保護功能，使灶具的安全保護功能更具完善性。離子感應(焰)式安全保護裝置的控制系統(tǒng)外形結構見圖3。(見圖3)
1、控制系統(tǒng)及主要技術指標
系統(tǒng)所需功能的控制電路可由分列電子元件(晶體管、電阻、電容、線圈等)組成，也可用相應集成電路(IC)配以分列電子元件組成，本文所介紹的控制系統(tǒng)電路得以單片機作為控制核心，配以分列電子元件構成。采用單片機的優(yōu)點是電路簡潔(外圍元件少)，控制精確，可靠性高。
該控制系統(tǒng)比普通的燃氣灶增加了控制電路、電磁閥、火焰探測針和火控測針。系統(tǒng)控制過程如圖4所示，即在工作時，由單片機先輸出控制信號觸發(fā)點火控制電路、火焰檢測反饋電路及回火檢測反饋電路工作，0.5S后單片機輸出控制信號給電磁閥驅動電路將電磁閥打開，通過火焰檢測反饋電路及回火檢測反饋電路對火焰進行檢測，檢測的結果反饋給單片機，單片機根據(jù)輸入的火焰檢測信號控制電磁閥的開、閉動作，從而保證了燃氣灶在發(fā)生意外熄火及回火狀態(tài)時的控制系統(tǒng)能及時的關閉電磁閥，節(jié)斷燃氣通路，避免了因熄火及回火時引發(fā)的安全事故，達到了保護的目的。(見圖4)
在控制系統(tǒng)中增加回火安全保護功能的目的主要是：
①考慮到我國的燃氣氣源成份比較復雜，燃氣的熱值降低會引起灶具的回火;
②在使用中燃氣氣源的壓力波動會引起灶具的回火;
③用戶的使用不當引起的灶具回火(如風門的調節(jié)不當?shù)纫蛩?。
系統(tǒng)主要技術指標：
①等效火焰內阻設定值：20MΩ
②離焰延時關閥時間：6S±1S
③回火關閥時間：<>
④火焰感應針對地具有開路、短路、殘火及漏電保護功能。
⑤回火感應針對地具有短路及漏電保護功能。
⑥其它性能符合QB/T2365-98企標CJ/T3074-98國家建設部標準要求
2、系統(tǒng)結構原理
控制系統(tǒng)的核心芯片采用了美國微晶公司的8位單片機，該單片機具有抗干擾能力強，運行速度快，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。系統(tǒng)的硬件結構由單片機配以電源電路，點火控制電路，火焰檢測反饋電路，回火檢測反饋電路，離焰延時電路，電磁閥驅動電路，晶體振蕩電路及復位電路等組成。圖5是該系統(tǒng)結構示意圖。(見圖5)
①點火控制電路
如圖6所示為雙路點火控制電路。該點火控制電路由單片機，三極管Q1、Q2、Q3、Q4，脈沖變壓器T1、高壓包B1、B2，可控硅M1、M2及二極管D3高壓電容C2等元器件組成。需要點火時，單片機輸出一控制信號觸發(fā)三極管Q1飲和導通，由T1及Q2組成的電感三點式自激振蕩電路得電起振工作，工作后在T1的次級感應出一個約180V 交流脈沖電壓，此電壓經(jīng)二極管D3整流后給C2充電，在C2上的充電電壓為上正下負。當單片機在觸發(fā)Q1的同時也將觸發(fā)信號加到了Q3(Q4)上，電路起振后當T1次級繞組抽頭上的感應電壓大于穩(wěn)壓管ZD1的擊穿電壓值時，ZD1被擊穿導通，此導通電壓經(jīng)Q3(Q4)的E、C電極加到可控硅M1(M2)的控制電極(G)上，可控硅被觸發(fā)導通，可控硅導通后儲存在電容C2上的電能經(jīng)B1(B2)的次級繞組上感應出一個大約為12kV-18kV的點電壓，該點火電壓通過高壓連接線加在安裝在燃氣灶燃燒器上的點火針上產(chǎn)生點火火花，從而完成給燃氣灶點火的功能。該點炎電路具有結構簡潔，線路成熟，點火穩(wěn)定，點火能量大等優(yōu)點，而且設計巧妙，兩路點火控制電路共用了一個振蕩電路。(見圖6)
②火焰檢測反饋電路
如圖7所示，焰檢測反饋電路由單片機，三級管Q5、Q6，就壓管T2及IC1等元器件組成。當工作時單片機在給點火控制電路信號的同時也把觸發(fā)信號加到了Q5的基極，使Q5飽和導通，由Q6及T2組成的電感三點式自激振蕩電路得電起振工作，振蕩電路工作后在T2的次級繞組上感應出一個約150V的交流脈沖電壓，此電壓的一端通過電容C6和電阻R15后由連接導線連接到安裝在燃燒器旁的火焰探測針上，當燃氣被點燃燃燒時，因火焰本身所具有的單向導電特性(二級管特性)，通過C6及R15加到火焰探測針上的交流脈沖電壓被火焰整流，整流后產(chǎn)生的離子電流給電容C7充電，在C7上形成一個下正上負的充電電壓，C7上端的負電壓通過R17加到IC1比較器的負端上，使IC1比較器的負端電位低于正端電位，迫使IC1比較器反轉，由原來輸出的低電平反轉為高電平，再將此高電平信號送到單片機的火焰信號檢測輸入口上。(見圖7)
當燃氣灶意外熄火時，通過C6及R15加到火焰探測針上的150V交流脈沖電壓呈現(xiàn)開路狀態(tài)，IC1比較器的負端由于R19的作用而使電位高于比較器的正端，迫使IC1比較器反轉，由原來的高電平反轉為低電平狀態(tài)，輸出的低電平信號送到單片機的火焰信號檢測輸入口上。當火焰探測針發(fā)生嚴重漏電或火焰探測針與機體短路時，T1次級繞組上的150V交流脈沖電壓通過R15及C7構成回路，因電容的線性對交流電短路，IC1比較器的負端由于R19的作用而高于正端電位，使比較器反轉，輸出低電平，此低電平信號輸入到單片機的火焰信號檢測口上，這樣，單片機通過火焰信號檢測輸入端電平的高低就可判別火焰的有無。本電路由于采用了交流火焰檢測方法，提高了火焰檢測的可靠性，防止了控制誤動作的發(fā)生。
③回火檢測反饋電路
如圖8，從圖中可以看到回火檢測電路的振蕩部分電路與火焰檢測的振蕩部分電路共用，回火檢測的原理與火焰檢測相同，所以在此不再累述。此電路在設計上讓火焰檢測反饋電路和回火檢測反饋電路共用了一個振蕩電路，簡化了線路的設計，使電路的結構更簡潔。(見圖8)
④離焰延時電路
加設離焰延時電路的目的是為了防止控制系統(tǒng)在正常工作中受外界環(huán)境因素影響引起誤動作而設計的。因燃氣灶的使用環(huán)境比較復雜，如因風吹引起火焰飄離的假熄火狀態(tài)等，為了控制系統(tǒng)不受外界環(huán)境的干擾引起誤動作，保證燃氣灶的正常使用，在電路中加設離焰延時電路是有必要的。離焰延時電路的作用是當火焰因風吹等原因飄離火焰探測針時，控制系統(tǒng)在保持開閥狀態(tài)的同時開始自動計時，當計時到6S±1S內回復到火焰探測針上，控制系統(tǒng)就保持燃氣灶的正常燃燒。離焰延時電路由單片機的I/O口根據(jù)輸入的火焰檢測信號在單片機內部自動運算完成。
⑤電磁閥驅動電路
如圖9所示，電磁閥驅動電路由片機及三極管Q7、Q8等元器件組成。電磁閥驅動電路由單片機控制只有當單片機接收到的點火信號，火焰檢測反饋信號，回火檢測反饋信號全部有效時電磁閥才能保持開閥狀態(tài)。本控制系統(tǒng)采用的是低電壓自吸式電磁閥，此電磁閥有強吸和維持兩組線圈，當需要工作時，控制系統(tǒng)在供給維持繞組電壓的同時也在強吸繞組上加了一個脈寬為0.5S的強吸電壓，此強吸電壓迫使電磁閥強行吸合，吸合后由維持繞組上的電壓保持電磁閥的吸合狀態(tài)。采用此種方式控制節(jié)約了電能，降低了功耗，使電路的穩(wěn)定性得到了提高。(見圖9)
⑥其它電路
在系統(tǒng)硬件結構中還包括有電源電路，晶體振蕩電路，復位電路等其它電路，這些電路均是控制系統(tǒng)中的常用電路，原理非常簡單，在這里不再一一累述。
3、系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)控制軟件的流程框圖如圖10所示。應用程序用在線仿真器開發(fā)。編寫應用程序時綜合的考慮到在實際使用狀態(tài)中外界環(huán)境的干擾因素，在程序上進行了優(yōu)化。加強了電路的抗干擾性能，同時在軟件中增加了電路的自檢功能，為安全使用和維修提供了極大的方便。(見圖10)
離子感應(焰)式安全保護裝置具有結構簡單、安裝方便、可靠性高、響應速度快、無熱慣性、一致性好、壽命長及成本低等優(yōu)點。其缺點是需要有電壓源才能工作。
四、結束語
綜上所述，在燃氣灶上采用離子感應(焰)方式的安全保護裝置具有結構簡潔、安裝方便、靈敏度度、響應速度快、無熱慣性、可靠性高、功能多、壽命長及成本低等優(yōu)點。隨著消費者對燃氣灶在使用中安全問題的關注和重視，可以肯定這是一種很有前途的安全保護裝置。如果在此基礎上再增加燃氣泄漏報警功能，風機聯(lián)動功能，必將為今后安全燃氣灶的發(fā)展開創(chuàng)一個嶄新時代。
參考文獻：
1、《單片機與家用電器智能化技術》電子工業(yè)出版社出版
2、《家用燃氣燃燒器具電子控制器》中國標準出版社出版
3、《熱電式燃具熄火保護裝置》中國標準出版社出版
4、《家用燃氣灶》中國標準出版社出版
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