燃气灶具锅温检测及补偿的实验研究

张思辉

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528305）

引言

燃气灶具是人们日常生活中使用最频繁的烹饪器具，市场上也出现了一些具有智能功能的燃气灶具。例如：带有煲汤功能、烧水功能、油炸功能、炒菜功能的智能灶具。这些智能灶具都是通过检测锅底的温度，然后将温度数据输入到灶具控制器中，控制器根据锅底温度和温度补偿值的差值换算出锅内温度，并根据锅内温度自动调节燃气灶炉头火力大小或加热时间等参数，从而实现控制各种功能的执行[1]。在实际产品应用中，烹饪时所需控制的温度并不是锅底的温度，而是锅内食材的温度，控制程序通常需要获取准确的锅内食材的温度，从而调节炉头火力大小控制锅内食材的温度以达到最佳烹饪效果。通常在产品程序设计时，会将锅底温度传感器检测到的温度值通过一定的温度补偿计算，换算为锅内温度。温度补偿值受不同锅具材质、厚度的影响，也受炉头结构的影响；当产品炉头结构定型后，使用不同的锅具时，其温度的补偿算法也应不一样。为了实现燃气灶具产品在使用不同锅具时智能功能的精准运行，燃气灶具控制器需要对不同类型的锅具进行差异化温度补偿。

1 智能燃气灶具测温方案概述

1.1 智能燃气灶具控制系统

智能燃气灶具控制系统通常由锅底温度传感器、控制器、燃气阀三部分配合相应的结构组成。炉头结构设置有锅底温度传感器，锅底温度传感器用于实时检测的锅底的温度，温度传感器与控制器相连；控制器获取温度传感器电信号后经A/D转算成温度值供程序逻辑处理。燃气气路通过燃气阀用来执行控制器输出的开度大小或者通过燃气阀通断时间间隔，调节输出火力大小，从而控制加热的温度值。此控制调节过程为闭环调节，可以实现较为准确的温度控制。智能燃气灶控制系统如图1所示。

1.2 温度传感器组件

目前智能燃气灶具所使用的温度传感器组件多采用的是热敏电阻温度探头，该探头封装在金属铠装保护隔离壳体内，壳体与安装支架通过弹性结构使温度探头与锅底形成良好接触实现测温。由于应用于燃气灶具的温度传感器需要布置在锅底，四周都是火焰，通常选用温度传感器时需要考虑如下几点[2]：①时间常数小，②额定功耗小，③电阻温度系数大，④整体体积要小。

本文所使用的锅底温度传感器组件采用了日本立山科学工业（株式会社）所生产的Si温度传感器，该温度传感器适用于智能燃气灶具锅底温度检测，并且集成了离锅/座锅检锅装置，温度传感器组件结构如图2所示。该传感器组件还集成了锅具检测功能，使得当锅在烹饪过程中被移开，火会变小，并且在锅移开的情况下超过了预先设定的时间，火将会自动熄灭。

该温度传感器使用负温度系数热敏电阻，该传感器具有检测温度范围宽、精度高、反应快等优点，其参数如表1所示。

表1 温度传感器参数

锅底温度通过传感器组件上的导热板传导至热敏电阻本体，热敏电阻的电阻值会根据温度的变化而产生变化；热敏电阻与控制器分压电路相连接，温度采样电路如图3所示。分压之后的电压信号经过滤波后输入进单片机进行A/D转换，A/D转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果[3]。控制器程序获取转换结果后，通过查表的方法得出A/D值相对应的温度值供程序逻辑处理。

1.3 控制程序处理

在智能燃气灶具产品开发应用中，单片机程序所获取的温度值是锅底的转换温度值，而通常程序逻辑功能执行所要的是锅内的食材的温度值。在具体的产品开发中，当燃气灶具结构开发定型后，可以通过对整机进行模拟功能测试，将锅底实际温度-锅底转换温度-锅内温度三者间相对应的比例或线性关系，转化为控制程序中对锅底温度采样结果的补偿值。该补偿值通常通过测试得出，然后将其数值固化写入到单片机的存储单元中，控制器程序运行时可根据不同的功能调用相对应的补偿值参数，从而实现对锅内温度的精准判断。例如：控制器程序在执行煲汤功能时，需要准确判断锅内水温到达沸腾状态。准确的判断出烹饪对象的沸腾状态后，燃气灶将自动调小火力，并按预设沸腾后仍需加热的时间作业，时间到即自动关火[4]。否责会造成水未烧开就进入下一阶段或水烧开后一直不进入下一阶段的情况，造成了燃气灶具智能烹饪功能异常。

早期的灶具控制器程序都是按照固定的温度补偿值对锅底转换温度进行补偿，由于客户在烹饪时会使用不同类型的锅具，各种锅具传热效果都不一样；这样在实际产品应用时，控制器程序都是按照同一个温度补偿值对锅底转换温度进行补偿，因此在这种情况下，很容易造成燃气灶具烹饪功能异常。

因此为了防止由于温度检测偏差造成智能烹饪功能异常，需对燃气灶具锅内温度值进行更加准确及精细化的补偿运算。本文所采用的温度补偿方法其流程为：①获取设置功能模式，②获取锅具参数，③获取锅底转换温度，④获取温度补偿值，⑤计算锅内温度值。温度补偿程序流程如图4所示。

2 不同锅具测温数据

用户所使用的锅具种类非常的多，而且国家也没有对锅具进行标准化，锅具按材质分有金属锅如：铁锅、铝锅、不透钢锅、复合材料锅等，按使用功能分还有陶瓷锅、石英锅、砂锅等，而且每种锅的厚度、重量也不一样。

本文选取了市面上比较常见的3种锅具，分别是铁锅（2 mm厚，锅重2.5 kg）、不锈钢锅（0.8 mm，锅重1 kg）、陶瓷锅(锅重3 kg)，锅内均放入2 L、50 ℃的水进行测试。测试方案将测温热电偶探头分别布置于锅底温度传感器表面、锅内水面30 mm以下，并通过万用表监控热敏电阻阻值的变化（通过R/T转换为温度值），万用表测量R/T转换速率为0.1 s/次。测试方案如图5所示。

通过在燃气灶具灶台上模拟实际燃烧工况条件测试，得出相应的锅底实际温度-锅底转换温度-锅内温度数据。通过对以上三者温度间的关系，可以看出每种锅具由于材料传热特性以及厚度参数不同，锅底温度传感器所获得的温度，与实际锅内食材的温度有一定的关联性，其关系基本上为线性。不同锅具测试数据如表2所示。通过测试出不同锅具的温度补偿值，使得控制器程序可以根据所使用锅具对应不同的温度补偿值，这样使得燃气灶具智能功能更加可靠稳定的执行，减少智能烹饪过程产生的异常。

表2 不同锅内测试数据表

表2 不同锅内测试数据表（续）

3 结束语

当燃气灶具的炉头结构及性能参数确认后，通过测试可以得出不同锅具加热的锅底转换温度-锅内温度数据表，根据以此数据即可生成温度补偿值数据表，并将该数据储存至控制器MCU内部FLASH或EEPROM中保存。当用户在使用智能功能时，可以根据实际使用锅具的类型，在程序设置中选择相应的锅具参数；这样可以使控制程序在运行时获取到相应锅具的温度补偿值，更准确的获取食材温度，从而使得最终的烹饪效果更好，产品更加智能化。该方法简单、可靠、易实现，容易推广应用。