溫度傳感器在家用燃?xì)庠畹膽?yīng)用研究

張煜圣 周亮 莫志邦 孔美陽(yáng)

摘要：通過(guò)分析帶溫度傳感器的大氣式燃?xì)庠畹募訜徇^(guò)程，根據(jù)傳熱學(xué)原理，分析熱輻射和對(duì)流傳熱對(duì)溫度傳感器的影響，找出提高溫度傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度與可靠性的可行方法：設(shè)計(jì)向外直流的燃燒器、帶文丘里管結(jié)構(gòu)的二次空氣通道、隔熱環(huán)等結(jié)構(gòu)，降低工作狀態(tài)下的燃燒器對(duì)溫度傳感器熱影響。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器，文丘里管，隔熱環(huán)，負(fù)壓區(qū)

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(duì)于廚電產(chǎn)品的功能性要求已經(jīng)發(fā)生了一些改變。除了要有更強(qiáng)的功能之外，它還需要有更高的安全性與易操作性，而在現(xiàn)有家用燃?xì)庠罹叩氖褂眠^(guò)程中，無(wú)法根據(jù)鍋具的溫度來(lái)判斷控制灶具的火焰大小或關(guān)閉氣閥，只有通過(guò)人工來(lái)操作，用戶忘記關(guān)火的情況下，就容易出現(xiàn)因鍋具溫度過(guò)高而引起火災(zāi)，特別是當(dāng)鍋發(fā)生干燒時(shí)。因此通過(guò)在家用燃?xì)庠畹脑黾臃栏蔁郎囟葌鞲衅?，?lái)避免安全事故的發(fā)生，為家用燃?xì)庠钗磥?lái)發(fā)展的主要方向，因此溫度傳感器在家用燃?xì)庠顟?yīng)用的測(cè)量準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性尤為重要。

2、防干燒燃?xì)庠畹墓ぷ髟?/p>

溫度傳感器設(shè)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(duì)應(yīng)的阻值，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度傳感器內(nèi)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(nèi)阻值轉(zhuǎn)換為溫度值來(lái)進(jìn)行判斷，當(dāng)溫度值超過(guò)設(shè)定值，控制器關(guān)閉灶具內(nèi)部的電磁閥切斷氣源，從而實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)的功能，避免用戶忘記關(guān)火而導(dǎo)致鍋具溫度過(guò)高而引起火災(zāi)事故。傳感器所測(cè)得的溫度與鍋底實(shí)際溫度的差值是衡量溫度傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。我們以溫渡傳感器、燃燒器和試驗(yàn)用鍋?zhàn)鳛檠芯糠治鰧?duì)象，防干燒燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

大氣式防干燒燃?xì)庠罴訜徇^(guò)程中，對(duì)傳感器的傳熱主要有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式。主要為鍋和水對(duì)傳感器的直接傳熱；煙氣對(duì)傳感器的對(duì)流傳熱Q2與煙氣和燃燒器對(duì)傳感器的輻射傳熱Q3，溫度傳感器獲得的熱總量為Q，根據(jù)傳熱學(xué)原理可得，

在相同時(shí)間內(nèi)，要減少對(duì)流傳熱Q2，可以通過(guò)降低傳熱系數(shù)h，減少傳熱面積A，降低火焰外焰溫度T來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 降低對(duì)流傳熱系數(shù)h

它和煙氣物性，煙氣流動(dòng)狀態(tài)（層流和湍流）以及傳感器的形狀大小有關(guān)。湍流對(duì)流傳熱系數(shù)大于層流對(duì)流傳熱系數(shù)，因此降低高溫?zé)煔獾耐牧鞒潭?，如避免旋轉(zhuǎn)流或交叉流等，可以降低對(duì)流傳熱系數(shù)。

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(guò)在傳感器頭部增加隔熱環(huán)來(lái)避免溫度傳感器與高溫?zé)煔獾闹苯咏佑|，從而有效減少傳熱面積。

3.1.3 降低煙氣溫度

在燃?xì)獬煞忠欢ㄅc燃燒功率一定的情況下，火焰溫度與過(guò)剩空氣系數(shù)緊密相關(guān)。對(duì)于大氣式燃?xì)庠?，其過(guò)剩空氣系數(shù)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(jié)構(gòu)，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(huì)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(lái)降低溫度傳感器周?chē)臒煔鉁囟取?/p>

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(duì)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(jù)傳熱學(xué)原理，H2O、CO2和燃燒器對(duì)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(guān)。與高溫?zé)煔鈱?duì)溫度傳感器的對(duì)流傳熱Q2原理相同，通過(guò)減少受輻射面積和降低煙氣溫度、燃燒器溫度均可降低對(duì)溫度傳感器的輻射傳熱Q3。

4、結(jié)構(gòu)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證

綜合以上分析的提高溫度傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性的方法，我們?cè)O(shè)計(jì)了多款不同結(jié)構(gòu)的燃燒器，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了反復(fù)的測(cè)試和試驗(yàn)。

降低對(duì)流傳熱系數(shù)：將燃?xì)庠钊紵骰鹕w設(shè)計(jì)成了向外直流結(jié)構(gòu)，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(jiàn)圖2。

當(dāng)燃?xì)庖砸欢▔毫?jīng)噴嘴噴出，帶入空氣進(jìn)入爐頭引射腔混合后經(jīng)過(guò)火蓋的出火，以一定的夾角和速度噴出，在燃燒時(shí)，燃燒器中心形成負(fù)壓力，促使不斷從燃燒器中心吸入二次空氣，加速燃?xì)獾脑倩旌喜⑼苿?dòng)高溫?zé)煔庀蛲庀蛏狭鲃?dòng)，避免高溫?zé)煔獾沽饔绊懙綔囟葌鞲衅鲗?duì)鍋底溫度的測(cè)量。

為了判斷兩種結(jié)構(gòu)對(duì)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(kāi)1分鐘時(shí)測(cè)得的溫度值T1與水燒開(kāi)5分鐘時(shí)測(cè)得的溫度值T2作為對(duì)比依據(jù)，T1與T2的差值為溫度傳感器的不穩(wěn)定性，代表著測(cè)量精度差。經(jīng)過(guò)裝成整機(jī)測(cè)試，與傳統(tǒng)的旋流燃燒器對(duì)比，直火燃燒器比旋流燃燒器的T1與T2的差值更小，因此對(duì)溫度傳感器的影響更小。對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

降低高溫?zé)煔馀c燃燒器對(duì)溫度傳感器的熱影響?，F(xiàn)有傳統(tǒng)的燃燒器，二次空氣通道主要設(shè)置在燃燒外環(huán)燃?xì)馔ǖ郎?，二次空氣從燃燒器中心補(bǔ)充較少并且流速慢，導(dǎo)致燃燒器中心形成高溫區(qū)，對(duì)設(shè)置在燃燒器中心的溫度傳感器影響較大，因此我們通過(guò)減少外環(huán)燃燒通道上的二次進(jìn)風(fēng)孔面積，增加燃燒器中心二次空氣進(jìn)孔面積，來(lái)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(jìn)風(fēng)孔設(shè)計(jì)成末端收縮的文丘里管結(jié)構(gòu)，來(lái)制造低壓，提高二次空氣流速。圖3為改進(jìn)前燃燒器工作示意圖，圖4為改進(jìn)后燃燒器工作示意圖。

為了判斷兩種結(jié)構(gòu)對(duì)溫度傳感器的影響，在相同條件下，以溫度傳感器在水燒開(kāi)5分鐘時(shí)測(cè)得的溫度值T1與溫度傳感器外表面溫度T2作為對(duì)比依據(jù)，對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

通過(guò)測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，燃?xì)庠罟ぷ鲿r(shí)，燃燒所需二次空氣主要通過(guò)燃燒器中心的二次空氣進(jìn)風(fēng)孔通道補(bǔ)充，直接補(bǔ)充到火焰根部，保證了火焰的穩(wěn)定性，同時(shí)，新鮮的二次空氣溫度相對(duì)較低，源源不斷的對(duì)燃燒器中心區(qū)域進(jìn)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(duì)溫度傳感器的熱影響更小。

為減少傳熱面積。通過(guò)在溫度傳感器頭部增加隔熱環(huán)。隔熱環(huán)與溫度傳感器之間留有2-3mm間隙，間隙里的空氣相當(dāng)于第二道的隔熱層，避免從側(cè)面對(duì)溫度傳感器直接傳熱，減少傳熱面積，并且隔熱環(huán)采用亮面不銹鋼材質(zhì)，對(duì)外部的輻射熱可以起到反射的作用。圖5為帶隔熱環(huán)的溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

在相同條件下，以溫度傳感器分別在水燒開(kāi)1分鐘時(shí)測(cè)得的溫度值T1與水燒開(kāi)5分鐘時(shí)測(cè)得的溫度值T2作為對(duì)比依據(jù)，經(jīng)裝成整機(jī)測(cè)試，增加隔熱環(huán)后T1與T2的差值更小，因此對(duì)溫度傳感器的測(cè)量穩(wěn)定性更好，測(cè)量精度更高，對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

5、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大氣式防干燒燃?xì)庠钊紵訜徇^(guò)程進(jìn)行深入分析，利用傳熱學(xué)原理分析影響溫度傳感器測(cè)量的關(guān)鍵因素，通過(guò)反復(fù)的測(cè)試試驗(yàn)，得出實(shí)際可行的提高溫度傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的各種方法。

設(shè)計(jì)向外直流燃燒器在燃燒時(shí)，燃燒器中心形成負(fù)壓力，促高溫?zé)煔庀蛲庀蛏狭鲃?dòng)，避免高溫?zé)煔獾沽?，而影響到溫度傳感器的?duì)鍋底溫度的測(cè)量。設(shè)計(jì)文丘里管結(jié)構(gòu)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(duì)溫度傳感器的熱影響更小。同時(shí)，在溫度傳感器頭部增加隔熱環(huán)，避免從側(cè)面對(duì)溫度傳感器的直接傳熱，三者結(jié)合，可以顯著提高溫度傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)應(yīng)用到我司產(chǎn)品上，產(chǎn)品的可靠性、安全性大幅度提高，產(chǎn)品已申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)家專利。

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