摘要：介紹燃氣灶的熄火原因及熄火保護系統的構成，分析熱電偶檢測、光敏檢測、離子檢測等幾種火焰檢測方式的原理、優缺點及適用場合，探討了復合式檢測技術。
關鍵詞：熄火保護； 火焰檢測； 熱電偶檢測； 光敏檢測； 離子檢測； 燃氣灶
Discussion on Flame Detection Methods of Gas Stove
Abstract: The reason for flame extinction of gas stove and the composition of flame failure system are introduced．The principles，advantages，disadvantages and application occasions of flame detection modes including thermocouple detection，photosensitive detection and ion detection are analyzed．The composite flame detection technology is discussed．
Key words: flameout protection；flame detection；thermocouple detection；photosensitive detection；ion detection；gas stove
1 概述
在燃氣灶具的使用過程中經常會出現意外熄火現象，一旦熄火便會產生事故隱患。GB l6410-2007《家用燃氣灶具》規定，自
2 熄火原因及熄火保護系統
燃氣灶具在使用過程中熄火的原因主要有：鼓風機或者自然風將火焰吹滅；鍋內物質加熱后外溢而引起火焰熄滅；操作時火焰調節過小；由于燃氣壓力低或者燃氣短時間內間斷引起熄火。
熄火保護功能是在燃氣灶具上加裝火焰檢測裝置，在正常使用情況下，當火焰意外熄滅后，火焰檢測裝置隨即檢測出信號變化，對火焰信號進行判定和處理，確定火焰狀態后輸出信號給保護裝置，切斷氣源。熄火保護系統由火焰檢測裝置(光敏檢測器、離子檢測器等)、信號處理控制器和保護裝置(燃氣電磁閥、燃氣調節閥等)構成，見圖1。
3 火焰檢測方式
火焰在燃燒時會產生熱量、輻射光、離子等特殊信號，根據這些特殊信號，可以分為熱電偶、光敏、離子等幾種火焰檢測方式。火焰檢測裝置可以利用火焰燃燒時產生的特性，捕獲火焰點燃和熄滅時的信號差異，從而判斷火焰是否存在。
3．1 熱電偶檢測
①檢測原理
熱電偶是一種感溫元件，我們可以得到熱電偶兩端的電勢差值，然后通過變送器處理，得到所測火焰的實際溫度，可利用溫度來判斷火焰是否存在。進行溫度采集得到溫度的大致范圍，并可測得最高溫度。將穩定時的最高溫度作為溫度上限，將穩定時的最低溫度作為溫度下限，根據電子電路分析中的滯回比較器原理，進行火焰檢測[1]。
在商用燃氣灶具燃燒器研制過程中，當火焰燃燒穩定后，由于環境影響和火焰波動會使燃燒溫度產生變化，溫度穩定在700～800 ℃。因此，我們可以把溫度啟動值設定在
②優點
熱電偶在火焰檢測過程中以測量精度高、熱響應時間較快、測量范圍大等特點受到重視，另外它性能可靠，機械強度好，使用壽命長，安裝也相對方便。
③應用中存在的問題
熱電偶的非線性問題將給測量帶來誤差，一般在二次儀表中進行非線性校正。熱電偶的冷端補償問題是由熱電偶本身工作性質決定的。
熱電偶的溫度值是在冷端溫度為
3．2 光敏檢測
燃氣燃燒產生煙氣和放出熱量的同時，也產生可見的和不可見的光輻射，光敏檢測就是通過檢測這些光輻射來判斷火焰是否存在。根據火焰的光特性，火焰的輻射是具有離散光譜的氣體輻射和伴有連續光譜的固體輻射，其波長為0．1～10μm或更寬的范圍。從火焰輻射波長特性來看，光敏探測器可分為紅外探測器、可見光探測器和紫外探測器3種。由于紅外探測器和可見光探測器因熱源殘留輻射或受其他光源干擾而影響檢測效果，所以一般不采用。紫外探測器只對0．18～0．26μm狹窄范圍內的紫外線產生響應，對其他頻譜范圍的光線不敏感，利用它可以對火焰中的紫外線進行檢測。
①紫外探測器
當火焰的輻射作用到紫外探測器的探測管的陰極時，電子束放射出來。電子束作用到充滿紫外探測器的電離氣體，從而發射出更多的電子，產生雪崩效應。更多的電子釋放出來，在陰極和陽極之間產生一個瞬時電子流。脈沖的頻率在探測器內被轉換成電壓并傳輸給控制器。
紫外探測器使系統避開了最強大的自然光源——太陽造成的復雜背景，使得在系統中信息處理的負擔大為減輕，因此其可靠性較高。加之它采用光子檢測手段，因而信噪比高，具有極微弱信號檢測能力。此外，還具有反應時間極快的特點[2]。與紅外探測器相比，紫外探測器更可靠，且具有高靈敏度、響應速度快和應用線路簡單等特點，因而正日益廣泛地應用于燃燒監控、放電檢測、紫外線檢測及紫外線光電控制裝置中。紫外探測器可采用固態物質作為敏感元件，如碳化硅或硝酸鋁，也可使用充氣管作為敏感元件，如蓋革-彌勒管。
②光敏探測器的優缺點
優點是反應靈敏，抗干擾波長信號能力強，可靠性好，檢測距離遠；缺點是易老化，易損壞，壽命短，價格昂貴，不耐高溫。
3.3 離子檢測
離子檢測是利用火焰燃燒時產生的外層離子導電原理，外層離子導通電子電路的放大元器件，從而判定火焰狀態。利用離子檢測的電路很多，現介紹以下電路作為參考，見圖2。
變壓器TR1為電路提供穩壓電源，另一端輸出245 V的交流電壓，經過電容器C1，在電阻R1檢測火焰一端形成高電勢，R2、R3與三極管T1基極相連，T1導通。T2基極電壓因T1的導通而下降，處于截止狀態，T3因此也屬于截止狀態，檢測電路不工作。
當火焰被點燃后，由于離子導通作用使R1端電壓下降，T1截止，T2基極電壓升高并導通，隨之T3導通，檢測電路處于工作狀態，繼電器K1動作吸合，觸點將電壓輸出給電磁閥，電磁閥開啟接通燃氣。反之，當火焰熄滅后，電路恢復最初狀態，電磁閥關閉切斷燃氣。
此電路利用燃燒時產生離子流的效應，破壞電路的穩定，從而使三極管導通，檢測到火焰狀態。此外，當火焰探針接地短路時，變壓器TR1無效，即高壓端通過電容器C1接地，使變壓器TR1無效，即整個電路電源無效，檢測電路仍然不會導通。與其他以往的電路相比，能避免火焰探針接地而產生的誤操作。
離子檢測電路結構簡單，邏輯清晰，功能齊備，工作穩定。由于采用的都是電子元器件，在價格上也相對便宜。但是離子檢測反應快、靈敏度高，因此在抗干擾能力上比較欠缺，尤其當火焰不穩定時，電路也會隨之抖動。解決方法是在信號處理過程中使用延時電路來屏蔽干擾信號[3]。
3．4 復合式檢測
復合式檢測是將兩種或者兩種以上的火焰檢測技術同時應用在一臺設備上，起到取長補短的效果。在之前我們進行的商用灶具燃燒器研制過程中就應用了該技術，即熱電偶和離子復合式火焰檢測。因為對于燃燒器常明火檢測的要求很高，既要實時檢測到火焰狀態，又要在規定時間內及時輸出熄火報警信號，還要監視火焰的溫度變化過程，所以要利用離子檢測反應速度快和熱電偶檢測可視性強的特點，將兩種方式的火焰檢測數據同時上傳到中央處理器進行數據分析處理。將離子檢測產生的抖動信號過濾掉，同時設置熱電偶信號的檢測范圍，二者同時作用，取并聯的邏輯關系，最終輸出給執行機構，達到了預期的設計效果。復合式火焰檢測技術起到了其他檢測技術不可替代的作用，增強了灶具的可靠性和安全性。
紫外、紅外探測器分別探測不同的光譜，只有當2個探測器同時探測到相應的光譜時，紫外、紅外探測器才會有輸出，這樣就避免了單獨使用紫外或紅外探測器時，由于某些原因(如閃電、電弧焊等)引起的誤報警。
各種火焰檢測方式在響應時間、可靠性、適用范圍、檢測對象、環境要求和價格方面都不相同。在各個領域的應用中，可以靈活采用復合式檢測技術。在采用復合式檢測技術過程中，要分別針對每種方式的特性進行分析處理，待結果出來后再進行邏輯處理，避免由于各種檢測方式的采樣周期、數據類型和模數轉換等因素不同影響最終的結果。
4 不同火焰檢測方式的適用場所
隨著火焰檢測技術的發展，各種檢測方式都有不同的特性和適用范圍，在不同的領域、不同的環境條件下，有著不同的標準和要求。燃氣灶具所處的環境多有蒸汽、油污、高溫等影響，提高火焰檢測設備的可靠性和疲勞耐久性是至關重要的。
光敏檢測適合用于粉塵較少、環境相對干凈、對火焰反應速度要求高的場合，適用于商用燃氣灶具；熱電偶檢測多用于測試溫度高、煙塵較大、對火焰信號反應不太靈敏的場合，適用于家用燃氣灶具；離子檢測因其價格便宜、反應靈敏的特性，既可以用于商用燃氣灶具，也可用于家用燃氣灶具。總之，可以充分利用不同檢測方式的優點，用于燃氣灶具的熄火保護，保障安全使用。
參考文獻：
[1] 王旺，王世鎏．自動控制原理[M]．北京：北京理工大學出版社，1994：15-41．
[2] 周懷春．爐內火焰可視化檢測原理與技術[M]．北京：科學出版社，2005：5-52．
[3] 何立民．電子設計自動化[J]．電子技術，2008(56)：5-9．
本文作者：王宇
作者單位：北京市公用事業科學研究所
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