摘要：介绍燃气灶的熄火原因及熄火保护系统的构成，分析热电偶检测、光敏检测、离子检测等几种火焰检测方式的原理、优缺点及适用场合，探讨了复合式检测技术。

关键词：熄火保护；  火焰检测；  热电偶检测；  光敏检测；  离子检测；  燃气灶

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

在燃气灶具的使用过程中经常会出现意外熄火现象，一旦熄火便会产生事故隐患。GB l6410-2007《家用燃气灶具》规定，自2009年1月1日起，禁止销售不具备熄火保护装置的家用燃气灶。在商用灶具领域，相关法规也要相继出台。对燃气设备火焰检测的方法很多，随着科学技术的发展，对检测设备的可靠性、安全性和耐久性也有了新的要求。

2 熄火原因及熄火保护系统

燃气灶具在使用过程中熄火的原因主要有：鼓风机或者自然风将火焰吹灭；锅内物质加热后外溢而引起火焰熄灭；操作时火焰调节过小；由于燃气压力低或者燃气短时间内间断引起熄火。

熄火保护功能是在燃气灶具上加装火焰检测装置，在正常使用情况下，当火焰意外熄灭后，火焰检测装置随即检测出信号变化，对火焰信号进行判定和处理，确定火焰状态后输出信号给保护装置，切断气源。熄火保护系统由火焰检测装置(光敏检测器、离子检测器等)、信号处理控制器和保护装置(燃气电磁阀、燃气调节阀等)构成，见图1。

3 火焰检测方式

火焰在燃烧时会产生热量、辐射光、离子等特殊信号，根据这些特殊信号，可以分为热电偶、光敏、离子等几种火焰检测方式。火焰检测装置可以利用火焰燃烧时产生的特性，捕获火焰点燃和熄灭时的信号差异，从而判断火焰是否存在。

3．1 热电偶检测

①检测原理

热电偶是一种感温元件，我们可以得到热电偶两端的电势差值，然后通过变送器处理，得到所测火焰的实际温度，可利用温度来判断火焰是否存在。进行温度采集得到温度的大致范围，并可测得最高温度。将稳定时的最高温度作为温度上限，将稳定时的最低温度作为温度下限，根据电子电路分析中的滞回比较器原理，进行火焰检测^[1]。

在商用燃气灶具燃烧器研制过程中，当火焰燃烧稳定后，由于环境影响和火焰波动会使燃烧温度产生变化，温度稳定在700～800 ℃。因此，我们可以把温度启动值设定在800℃，温度下限值设定在700℃，程序在温度达到启动值后，一旦低于下限值后即输出熄火报警信号。

②优点

热电偶在火焰检测过程中以测量精度高、热响应时间较快、测量范围大等特点受到重视，另外它性能可靠，机械强度好，使用寿命长，安装也相对方便。

③应用中存在的问题

热电偶的非线性问题将给测量带来误差，一般在二次仪表中进行非线性校正。热电偶的冷端补偿问题是由热电偶本身工作性质决定的。

热电偶的温度值是在冷端温度为0℃时获得的，但在实际应用时，热电偶的冷端、工作端距离很近，且冷端暴露在空间中，受周围介质温度波动的影响，因此其冷端温度不会保持在0℃不变，从而引起测量误差。如果我们利用温度的变化值来判断火焰的存在，会影响对火焰信号的反应速度。在现有的家用燃气灶和热水器等燃具中，多采用价格低廉的镍镉康铜热电偶进行火焰检测，镍镉康铜热电偶可与电磁阀直接组合，实现熄火保护功能。当热电偶被加热后，随着温度的升高产生热电动势，可维持电磁阀吸合；当火焰熄灭后，温度下降，热电动势随之下降，电磁阀释放弹开，切断气源。

3．2 光敏检测

燃气燃烧产生烟气和放出热量的同时，也产生可见的和不可见的光辐射，光敏检测就是通过检测这些光辐射来判断火焰是否存在。根据火焰的光特性，火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长为0．1～10μm或更宽的范围。从火焰辐射波长特性来看，光敏探测器可分为红外探测器、可见光探测器和紫外探测器3种。由于红外探测器和可见光探测器因热源残留辐射或受其他光源干扰而影响检测效果，所以一般不采用。紫外探测器只对0．18～0．26μm狭窄范围内的紫外线产生响应，对其他频谱范围的光线不敏感，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。

①紫外探测器

当火焰的辐射作用到紫外探测器的探测管的阴极时，电子束放射出来。电子束作用到充满紫外探测器的电离气体，从而发射出更多的电子，产生雪崩效应。更多的电子释放出来，在阴极和阳极之间产生一个瞬时电子流。脉冲的频率在探测器内被转换成电压并传输给控制器。

紫外探测器使系统避开了最强大的自然光源——太阳造成的复杂背景，使得在系统中信息处理的负担大为减轻，因此其可靠性较高。加之它采用光子检测手段，因而信噪比高，具有极微弱信号检测能力。此外，还具有反应时间极快的特点^[2]。与红外探测器相比，紫外探测器更可靠，且具有高灵敏度、响应速度快和应用线路简单等特点，因而正日益广泛地应用于燃烧监控、放电检测、紫外线检测及紫外线光电控制装置中。紫外探测器可采用固态物质作为敏感元件，如碳化硅或硝酸铝，也可使用充气管作为敏感元件，如盖革-弥勒管。

②光敏探测器的优缺点

优点是反应灵敏，抗干扰波长信号能力强，可靠性好，检测距离远；缺点是易老化，易损坏，寿命短，价格昂贵，不耐高温。

3.3 离子检测

离子检测是利用火焰燃烧时产生的外层离子导电原理，外层离子导通电子电路的放大元器件，从而判定火焰状态。利用离子检测的电路很多，现介绍以下电路作为参考，见图2。

变压器TR1为电路提供稳压电源，另一端输出245 V的交流电压，经过电容器C1，在电阻R1检测火焰一端形成高电势，R2、R3与三极管T1基极相连，T1导通。T2基极电压因T1的导通而下降，处于截止状态，T3因此也属于截止状态，检测电路不工作。

当火焰被点燃后，由于离子导通作用使R1端电压下降，T1截止，T2基极电压升高并导通，随之T3导通，检测电路处于工作状态，继电器K1动作吸合，触点将电压输出给电磁阀，电磁阀开启接通燃气。反之，当火焰熄灭后，电路恢复最初状态，电磁阀关闭切断燃气。

此电路利用燃烧时产生离子流的效应，破坏电路的稳定，从而使三极管导通，检测到火焰状态。此外，当火焰探针接地短路时，变压器TR1无效，即高压端通过电容器C1接地，使变压器TR1无效，即整个电路电源无效，检测电路仍然不会导通。与其他以往的电路相比，能避免火焰探针接地而产生的误操作。

离子检测电路结构简单，逻辑清晰，功能齐备，工作稳定。由于采用的都是电子元器件，在价格上也相对便宜。但是离子检测反应快、灵敏度高，因此在抗干扰能力上比较欠缺，尤其当火焰不稳定时，电路也会随之抖动。解决方法是在信号处理过程中使用延时电路来屏蔽干扰信号^[3]。

3．4 复合式检测

复合式检测是将两种或者两种以上的火焰检测技术同时应用在一台设备上，起到取长补短的效果。在之前我们进行的商用灶具燃烧器研制过程中就应用了该技术，即热电偶和离子复合式火焰检测。因为对于燃烧器常明火检测的要求很高，既要实时检测到火焰状态，又要在规定时间内及时输出熄火报警信号，还要监视火焰的温度变化过程，所以要利用离子检测反应速度快和热电偶检测可视性强的特点，将两种方式的火焰检测数据同时上传到中央处理器进行数据分析处理。将离子检测产生的抖动信号过滤掉，同时设置热电偶信号的检测范围，二者同时作用，取并联的逻辑关系，最终输出给执行机构，达到了预期的设计效果。复合式火焰检测技术起到了其他检测技术不可替代的作用，增强了灶具的可靠性和安全性。

紫外、红外探测器分别探测不同的光谱，只有当2个探测器同时探测到相应的光谱时，紫外、红外探测器才会有输出，这样就避免了单独使用紫外或红外探测器时，由于某些原因(如闪电、电弧焊等)引起的误报警。

各种火焰检测方式在响应时间、可靠性、适用范围、检测对象、环境要求和价格方面都不相同。在各个领域的应用中，可以灵活采用复合式检测技术。在采用复合式检测技术过程中，要分别针对每种方式的特性进行分析处理，待结果出来后再进行逻辑处理，避免由于各种检测方式的采样周期、数据类型和模数转换等因素不同影响最终的结果。

4 不同火焰检测方式的适用场所

随着火焰检测技术的发展，各种检测方式都有不同的特性和适用范围，在不同的领域、不同的环境条件下，有着不同的标准和要求。燃气灶具所处的环境多有蒸汽、油污、高温等影响，提高火焰检测设备的可靠性和疲劳耐久性是至关重要的。

光敏检测适合用于粉尘较少、环境相对干净、对火焰反应速度要求高的场合，适用于商用燃气灶具；热电偶检测多用于测试温度高、烟尘较大、对火焰信号反应不太灵敏的场合，适用于家用燃气灶具；离子检测因其价格便宜、反应灵敏的特性，既可以用于商用燃气灶具，也可用于家用燃气灶具。总之，可以充分利用不同检测方式的优点，用于燃气灶具的熄火保护，保障安全使用。

参考文献：

[1] 王旺，王世鎏．自动控制原理[M]．北京：北京理工大学出版社，1994：15-41．

[2] 周怀春．炉内火焰可视化检测原理与技术[M]．北京：科学出版社，2005：5-52．

[3] 何立民．电子设计自动化[J]．电子技术，2008(56)：5-9．

本文作者：王宇

作者单位：北京市公用事业科学研究所